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原文传递 PEMFC系统建模与基于氧气过量比的控制策略研究

论文题名：	PEMFC系统建模与基于氧气过量比的控制策略研究
关键词：	氢燃料电池汽车;质子交换膜燃料电池;系统建模;氧气过量比;控制策略
摘要：	“双碳”背景下，大力发展新能源汽车已成为当前世界各国汽车工业的主旋律之一。作为新能源汽车的重要分支，氢燃料电池汽车由于其高效、清洁的优点，被视为是助力实现“双碳”目标的理想方案。但是氢燃料电池目前仍存在一些问题，如在燃料电池运行过程中，温度、压力、流量、湿度等参数会直接影响燃料电池性能，并且这些参数是动态变化的。在燃料电池系统层面上，控制策略的好坏也会直接影响燃料电池工作性能。因此建立完整的燃料电池系统模型，对整个系统进行优化，具有重要意义。本文围绕上述问题，基于质子交换膜燃料电池（PEMFC）开展了如下研究工作：　　（1）进行了质子交换膜燃料电池系统设计。基于某构型20kW燃料电池电堆，对PEMFC系统进行结构设计，对供气系统、热管理系统结构进行设计，对各个子系统的关键零部件进行选择。　　（2）基于AMESim建立了质子交换膜燃料电池电堆模型。主要包括燃料电池输出电压模型、膜水合模型、物质的生成及消耗计算模型、燃料电池流场模型、氮气转移输运模型、燃料电池产热与散热模型。　　（3）基于AMESim建立了PEMFC系统模型。主要包括空气供给系统、氢气供给系统、热管理系统模型，建立了空气压缩机、中冷器、气体加湿器、背压阀、喷氢阀、引射器、氢气循环泵、去离子器、循环水泵等关键部件模型，完成了完整的PEMFC系统模型搭建。　　（4）采用Simulinkamp;AMESim联合仿真，开展PEMFC系统仿真与基于氧气过量比的控制策略研究。首先，验证建立的燃料电池电堆模型，结果表明，极化曲线的最大误差为1.692%，模型精度符合要求；基于搭建的电堆模型，探究相关因素对燃料电池性能的影响，结果表明，反应气体的压力、温度、湿度的升高，阴阳极压差、膜厚的降低，可以提升电堆的输出性能。其次，对建立的燃料电池系统模型进行功能验证，仿真结果表明，符合燃料电池运行规律，搭建的燃料电池系统模型可以正常运行，基于此系统模型可以开展后续控制策略的研究。最后，开展了基于氧气过量比的控制研究，氧气过量比是燃料电池运行中的重要参数，仿真结果表明，不同的电流下，存在一个最佳的氧气过量比，使得燃料电池系统的净输出功率最大。为了得到最高的净输出功率，提高燃料电池的系统效率，就需要尽量将氧气过量比维持在该电流对应的最佳值上。对于空气供给系统采用流量、压力分开控制的方式，基于氧气过量比设计了PID控制和开环+PI控制来调节空压机转速，结果表明，基于氧气过量比的PID控制相较于开环+PI控制，在电流动态变化时响应快，控制效果更佳，在静态过程中控制效果不如开环+PI控制；基于目标空气进堆压力，采用PID控制来调节背压阀的开度，仿真结果表明，PID控制可以较好的完成控制。
作者：	朱华美
专业：	动力工程及工程热物理
导师：	孙平
授予学位：	硕士
授予学位单位：	吉林大学
学位年度：	2022