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车用燃料电池加载过程动态建模与加载策略研究
| 论文题名： | 车用燃料电池加载过程动态建模与加载策略研究 |
| 关键词： | 车用燃料电池发动机;加载特性;动态等效电路模型;节电压一致性 |
| 摘要： | 燃料电池作为高能量密度、高效率、低排放的清洁电源，被认为是新能源汽车行业最具发展潜力的技术方向之一，一直受到业内广泛关注。近年来氢燃料汽车被大量投入市场运行，然而全功率及大功率燃料电池汽车的规模商业化应用，对燃料电池的功率动态响应能力提出了高技术要求。因此，如何提高燃料电池的动态响应速度，同时保证加载时燃料电池输出性能的稳定性和系统可靠性成为亟待解决的重要技术难题。目前，针对燃料电池加载特性的研究大多仅考虑单节电池或多节电堆的平均节电压，而忽略了加载过程中大功率燃料电池节电压的一致性，从而影响燃料电池加载过程的稳定性和系统可靠性，不当的加载策略甚至可能造成燃料电池的不可逆性能衰减。本文从燃料电池发动机加载实验和多维度等效电路耦合模型两方面研究车用燃料电池加载过程动态特性，尤其关注其节电压一致性的动态行为，并在此基础上设计了提升系统可靠性的复合型系统加载策略。本文具体的研究内容如下： 第一，阐述了自主设计的60kW车用燃料电池发动机系统、电堆结构及辅助子系统结构，提出了包括节电压下冲值和节电压一致性在内的加载特性多维度评价指标，设计了变工况条件下的系统加载实验，研究不同操作条件对燃料电池加载特性的影响，为模型的建立提供了实验基础。 第二，结合实验测试结果和燃料电池机理方程，建立了基于等效电路的燃料电池耦合动态模型，利用Matlab/Simulink平台的仿真结果和实验结果验证了动态模型对加载特性模拟的准确性。该模型以零维RLC等效电路为基础，综合考虑了流道内部和电堆内部气体压力和流量分布、温度分布等不一致的情况，将动态模型从零维单电池模型扩展到描述电堆特性的准二维模型，有效地模拟了燃料电池加载瞬间节电压一致性的动态行为，为系统加载策略设计提供模型基础。 第三，在燃料电池动态等效电路模型的基础上对燃料电池的加载策略进行了设计与优化。以电流加载幅度和加载间隔时间为基准控制参数，设计并比较了多种加载策略下燃料电池的动态特性，综合考虑燃料电池加载速度、性能一致性及系统可靠性，给出优化的高可靠复合型加载控制策略。 |
| 作者： | 樊红伟 |
| 专业： | 控制科学与工程 |
| 导师： | 殷聪 |
| 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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