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燃料电池动力系统阴阳极压力平衡控制策略研究
| 论文题名： | 燃料电池动力系统阴阳极压力平衡控制策略研究 |
| 关键词： | 燃料电池动力系统;阴阳极;压力平衡;前馈补偿解耦控制 |
| 摘要： | 随着燃料电池商业化的步伐加快，燃料电池动力系统已成为交通运输领域的核心研发对象，而功率密度是评价动力系统性能优劣的主要指标。提高燃料电池电堆内部反应气体压力可以有效提升电堆输出性能，从而提高动力系统的功率密度。受电堆质子交换膜耐受压力的限制，在动态工况下燃料电池动力系统的阴阳极间的压力平衡控制尤为重要，设计不当可能造成燃料电池电堆永久性的损坏。因此本文将围绕燃料电池动力系统阴阳极压力的平衡问题，减少动态工况下的压力波动，提高燃料电池动力系统的可靠性和安全性，主要研究内容包括了以下几个方面： 1.建立了包含燃料电池电堆、阴极和阳极气体供给系统部件的物理模型。通过对燃料电池原理的分析，建立了描述燃料电池电堆运行特性的物理模型；通过对阴极和阳极气体供给系统内各部件的机理分析，建立了描述气体压力和流量特性的物理模型。通过对上述模型的建立，为后续控制器的设计及验证提供了基础。 2.面向阴极空气供给需求，研究了系统传递函数辨识方法和基于前馈解耦的压力及流量调控方法。根据阴极空气子系统压力和流量的非线性和耦合特性，为简化控制器的设计，在阴极子系统工作点线性区域内使用传递函数矩阵模型来表征压力和流量的关系。通过设计系统辨识实验，m序列作为激励信号，使用最小二乘法辨识了模型参数。根据辨识模型设计了前馈补偿解耦控制器，并与传统的双PI控制器进行仿真实验对比，实验结果显示前馈补偿解耦控制能够有助于降低压力和流量的耦合关系，并具备良好的动态响应能力。在阴极子系统工作点变化过程中，采用了距离权重法以优化前馈解耦网络在不同工作点的解耦效果，达到了更好的解耦控制效果。 3.设计了阳极压力跟随阴极的压力控制算法，实现了阴阳极间的压力平衡。基于阳极各部件模型，结合阳极子系统的供氢和耗氢特性，建立了面向阳极压力控制的状态空间模型，设计了基于前馈的比例控制器和漏斗控制器，漏斗控制器由于其预设性能的特性在参数设计方面更具有优越性。结合阴极和阳极的压力控制策略，形成了阳极压力跟随阴极的压力平衡控制策略，仿真结果表明阴阳极压力差可以维持在较低的水平并且具有较快的动态响应速度。 |
| 作者： | 周炳杰 |
| 专业： | 控制科学与工程 |
| 导师： | 郑宏 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 电子科技大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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