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原文传递氢燃料电池发动机冷却系统建模分析及控制策略研究

论文题名：	氢燃料电池发动机冷却系统建模分析及控制策略研究
关键词：	氢燃料电池发动机;冷却系统;模糊PID控制;散热器
摘要：	质子交换膜燃料电池（PEMFC）作为一种清洁电源，可将氢能转化为电能，因其电能转化率高、工作温度低和能量密度高等优点，得到越来越多人的关注。工作温度影响着燃料电池工作状态下的湿润度、催化剂活性、化学反应速率以及燃料电池寿命等因素。温度控制水平对PEMFC动态性能和使用寿命有显著的影响，配备高效的冷却系统，制定适宜的控制策略，对维护电池正常工作，改善燃料电池的运行性能，提高燃料电池的可靠性，延长电池使用寿命十分重要，是PEMFC研究中的一个重要环节。因此，为了充分发挥PEMFC的发电性能，需掌握温度对电池输出特性的影响规律，开展冷却系统模型以及其控制策略的研究，具有重要的理论意义和实际价值。　　本文首先分析温度对燃料电池性能和参数的影响，在此基础上提出冷却液温度控制要求。为使PEMFC入口冷却液温度稳定在理想温度范围内，对冷却系统结构及总体方案进行设计，选择去离子水为系统内冷却液，运用能量守恒原理，并基于数学模型和实验数据，搭建了PEMFC冷却系统的半经验半机理模型。　　其次，针对PEMFC的冷却系统，以冷却液入口温度的最大超调量、响应时间、控制精度和冷却液出入口温差为控制指标。制定能够实现冷却要求的控制策略，对水泵转速采用前馈与反馈的联合控制，在流量跟随函数的控制基础上加入反馈PID控制；对散热器开度进行反馈控制，将传统PID控制、模糊PID控制和变论域模糊PID控制作用在散热器上。通过调节循环水泵的转速来改变冷却液在系统内的流量，通过调节散热器的开度来改变进入散热器的风量。　　最后，以流量跟随函数控制水泵转速，PID控制调节散热器开度的结果为基准，通过仿真结果，分析比较不同控制策略对冷却系统的温度控制结果。对比可知，对水泵转速的控制，影响冷却液的出入口温差，转速越大，冷却液在系统内流量越大，温差越小，冷却液在2500g/s情况下的温差值，要比1500g/s情况下少2.57℃；而对散热器开度的控制，影响入口的冷却液温度，散热器开度越大，流入散热器的风量越大，入口冷却液的温度越低，当散热器的开度从30%增加到90%时，入口温度的降幅可达10℃。对水泵的控制加入反馈控制后，入口冷却液的最大超调量能够减小5.42℃。对散热器采用的反馈控制，都可以将PEMFC出入口冷却液温差控制在4℃以内，同时入口冷却液温度波动稳定在±1℃以内。但不同的控制方法，仿真后得到的最大超调量、响应时间和控制精度不同。在对水泵进行前馈和反馈联合控制的前提下，关于入口温度的控制，变论域模糊PID控制方法的控制效果最好，入口冷却液温度的最大超调量减少了8.89℃，调节时间提前了3.64s；模糊PID控制的控制精度最高，可达到0.01℃以下，但最大超调量只减少了8℃，结果稍差；传统PID控制结果最差，最大超调量只减少5.4℃，而调节时间并未提前。
作者：	吕雪
专业：	车辆工程
导师：	张瑞亮;刘森海
授予学位：	硕士
授予学位单位：	太原理工大学
学位年度：	2021