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燃料电池客车动力系统功率管理与空气供给控制研究
| 论文题名： | 燃料电池客车动力系统功率管理与空气供给控制研究 |
| 关键词： | 电动客车;氢燃料电池;功率管理;空气供给控制;耐久性;整车燃料经济性 |
| 摘要： | 质子交换膜燃料电池(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC)是可以将氢能直接转化为电能的能源动力装置，具有比功率高、续航里程长和零排放等优点，被认为是未来极具可持续发展潜力的绿色能源技术。车载PEMFC的推广应用对改善交通运输能源结构和环境污染治理具有重要意义，但是面对复杂驾驶工况，由于PEMFC功率响应滞后，汽车频繁的负载波动会导致其耐久性变差。因此，本文以某中型氢燃料电池客车动力系统为研究对象，为提升燃料电池耐久性和整车燃料经济性，针对燃料电池空气供给系统过氧比追踪控制和燃料电池/动力电池混动系统功率管理两方面开展了以下研究工作： (1)首先建立了燃料电池/动力电池混合动力系统模型，其中包括面向控制的燃料电池空气供给系统模型，燃料电池升压转换器模型，动力电池模型和负载电机模型。然后根据某中型氢燃料电池客车关键参数，搭建了整车纵向车辆动力学模型为后续的燃料电池供气系统控制和混合动力系统功率管理策略设计提供了研究基础。 (2)由于车载燃料电池外部设备条件限制，其阴极气体压力通常不可测，给空气供给系统控制带来了困难。针对这一问题，提出了基于双曲正切函数的扩张状态观测器(Hyperbolic Tangent Function Extend State Observer, HTF-ESO)对阴极气体压力进行实时观测。结果表明HTF-ESO实现了燃料电池阴极气体压力实时估计，观测精度较高，并且改进的ESO有效的缓解了传统ESO初始微分峰值现象，降低了阴极气体压力的初始估计误差。此外，以过氧比为控制目标，分别设计了滑模控制和 PI控制方法，对比分析结果表明，滑模控制鲁棒性更好，响应速度更快，能更好的控制燃料电池过氧比保持在最优范围内。 (3)针对燃料电池混合动力系统功率管理问题，为合理分配双动力源之间的能量流，避免燃料电池功率频繁波动造成其耐久性下降，建立了实时的非线性自适应控制(Nonlinear Adaptive Control，NAC)功率管理策略应用于燃料电池客车混合动力系统，并对其控制系统进行了理论稳定性分析。此外，选取了包含郊区、市区等不同运行条件的组合行驶工况，分别仿真对比分析了状态机控制、模糊逻辑控制和 NAC三种功率管理策略。通过工况测试仿真分析，结果表明NAC功率管理策略可以有效抑制燃料电池瞬时功率变化率提高燃料电池耐久性和整车燃料经济性。 |
| 作者： | 刘照 |
| 专业： | 机械工程 |
| 导师： | 梅益;赵津 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 贵州大学 |
| 学位年度： | 2023 |
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