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原文传递氢燃料电池发动机进气系统建模与控制策略研究

论文题名：	氢燃料电池发动机进气系统建模与控制策略研究
关键词：	氢燃料电池发动机;进气系统;双闭环PID;模糊神经网络;氢气循环泵
摘要：	质子交换膜燃料电池(PEMFC)能将氧气与氢气分子间的化学能，经过化学反应转化为电能，具有绿色、高效的优点，正成为新能源汽车的主要发展方向之一。PEMFC由多个子系统组成，意味着其会受到更多参数和变量的影响，为了使各子系统协同工作，有必要对各个系统进行深入研究。空气和氢气供应的增加可以改善燃料电池的输出特性，但是过多的气体供应将破坏阳极和阴极的压力平衡，过大的压力差甚至会导致膜破裂，严重影响正常运行的燃料电池，且在PEMFC实际运行过程中，考虑负载变化的情况下，不仅需要保证堆内压力的稳定，更要满足在变化过程中进堆压力与流量的快速响应。因此，开展燃料电池进气系统控制策略的研究具有重要的意义。　　首先，在MATLAB/Simulink中基于电堆的设计参数建立燃料电池电堆输出特性的仿真模型，通过分析各气体组分分压力、温度、电流等对电压活化损失、欧姆损失、浓差损失的影响，得到电堆输出电压与功率的特性曲线。结果表明，提高气体分压力、升高温度会使得电堆输出电压和功率升高，但过大的压力会使得系统寄生功率增大，过高的温度也会使得电堆性能下降，因此需要在合理的范围内通过提高气体压力与温度来提升系统性能。　　其次，基于燃料电池进气系统的基本结构，在Simulink仿真环境中搭建阴极与阳极侧进气系统的仿真模型。其中，阴极侧气体供给模型包括：基于静态MAP图与转动特性的空压机模型，阴极进气管道模型、阴极流场模型以及节气门模型；阳极侧气体供给系统模型包括：比例调节阀模型、阳极进气管道模型、阳极流场模型以及氢气循环泵模型等，对进气系统进行动力学特性分析的结果表明，空压机转速与背压阀开度对进气压力与流量的影响都比较强烈，体现出进气压力与进气流量之间存在着耦合作用。　　最后，在对阴极进气系统进行双闭环PID控制，前馈补偿解耦PID控制的基础上，提出模糊神经网络解耦控制算法。阳极进气系统不同于阴极系统的控制需求，控制策略能实现进气压力快速地跟随上阴极侧进气压力的变化就可达到较好的系统性能，在对其进行PID控制的基础上，通过模糊自整定PID算法对系统的控制性能进一步改善。结果表明：当空气供给系统在双闭环PID的控制下，系统的响应速度虽然较快，但压力与流量之间的耦合关系无法解除，二者之间仍相互影响着；前馈PID解耦通过不变性原理能达到完全解耦的效果，使得压力与流量两回路之间互不干扰，但其依赖于被控对象精确的数学模型；模糊神经网络（FNN）解耦虽不能完全解除压力与流量二者之间的耦合关系，但其可以通过在线学习不断地调整网络参数及权值大小，使系统获得良好的性能。
作者：	贾玉茹
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