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空气供应端过氧比波动控制的研究与MATLAB仿真-硕士论文代写
空气供应端过氧比波动控制的研究与MATLAB仿真-硕士论文代写
产品说明:

本课题主要围绕质子交换膜燃料电池系统空气供应端的过氧比问题展开,分别从最优过氧比控制和过氧比波动控制两个方面进行深入研究和仿真验证。将空气供应端的过氧比维持在最优过氧比值,既能保证有充足的氧气量用于电堆电化学反应,又能避免过多冗余空气量导致系统效率降低的问题。对过氧比波动的控制可以最大程度地减少过氧比的波动,有利于维持电堆的“健康状态”,延长电堆使用寿命。

建立被控对象的模型是控制的前提和基础。本文首先利用Matlab/Simulink仿真工具建立了PEMFC系统的非线性动态模型,将系统模型分为燃料电池堆模型、空压机模型、供气管路模型以及排气管路模型。对模型的稳态测试通过描绘电堆输出的U-I曲线,说明该燃料电池系统是一个稳定系统。动态测试通过分析负载电流阶跃变化对系统输出电压、过氧比、电堆阴阳极气体流量等的影响,从而验证模型的动态特性。燃料电池系统模型的建立为后续的控制研究作了良好的铺垫。

对燃料电池系统空气供应端进行最优过氧比的控制,主要采用前馈控制和前馈/反馈控制两种控制方法,并分别对两种方法的仿真结果进行了分析比较,得出两种控制方法的优劣:通过前馈控制,可以快速将过氧比定位到该需求电流所对应的最优过氧比;通过反馈控制,可以减小实际过氧比与最优过氧比之间的误差,保证过氧比控制的准确性。对这两种控制方法的学习和研究为下文的过氧比波动控制奠定了基础。

无论是前馈控制还是前馈/反馈控制,这两种传统的控制方法都无法消除或减缓过氧比的波动。本课题从对燃料电池系统的需求电流出发,通过调节电堆电流拉取方式,减缓燃料电池空气端过氧比的波动,从而降低其对燃料电池寿命的影响。具体实现方法为,假设实际拉取的电堆电流以一阶动态响应的方式过渡至对燃料电池系统的需求电流值,同时考虑电堆电流调节的一阶时间常数的影响因素,该影响因素分为动态因素和静态因素。动态因素取决于对燃料电池系统的需求电流变化幅值和初始值;静态因素则由空压机的转动惯量及在车内的安装位置决定。虽然从电堆拉取的电流需要一定时间才能达到对燃料电池系统的需求电流值,但并不影响整车动力性能,因为在燃料电池汽车上一般装有动力蓄电池。在车辆急加速或急刹车的情况下,动力蓄电池实现放电或充电,以满足驾驶需求。

对于需求电流突然降低的工况,总会因燃料电池系统的慢动态特性以及阳极侧氢气的供应方式,而有一部分氢气未经反应直接排出系统。针对上述情况,本文还提出了一种盈余氢气利用率的概念,并通过调节拉取电流的方式提高了燃料电池-蓄电池电电混合系统对氢能的利用率,对降低系统使用成本,节约氢能有重要意义。

质子交换膜燃料电池系统是一个复杂的非线性时变系统,尤其是空气供应子系统工作过程复杂,涉及较多的工作部件,是整个燃料电池系统中最为复杂的子系统之一。但是,本文所建立的燃料电池空气供应端模型忽略了较多次要因素,而对空气供应端过氧比的控制方法也只是在所建模型上验证了其控制效果,因此还有很多需要完善的地方。

由于时间和作者水平有限,本文工作只对燃料电池系统空气供应端的过氧比控制进行初步的研究,作者认为可以在以下几个方面展开进一步研究工作:

(1)由于本论文的研究工作主要涉及空气供应子系统,而不关注热管理和水管理子系统,为了简化建模过程,相应的冷却模型和增湿模型选择静态模型。同时,假设温度的变化在整个系统中可忽略不计,保持在80℃。假设电堆的湿度也达到最适合电堆工作的理想状态,阴极和阳极入口反应气流能迅速加湿。在今后的研究工作中,可以考虑增加系统模型的复杂性以及温度和湿度变化对系统性能的影响,使所建模型更能反映实际系统特性。

(2)由于氢气供气管路体积较小,本文忽略了氢气供应管路的动态特性及其对燃料电池系统性能的影响。本文模型中,认为阳极氢气供应处于理想状态,即氢气压力能够准确并快速地跟随氧气压力的变化而变化。在进一步的研究工作中,可以同时考虑氢气供应端的动态特性,并进行适当的控制,保证电堆电极两侧的氢、氧压差在一个较小的范围内波动。

(3)本文针对空气供应端过氧比波动提出的控制方法是假设实际拉取的电堆电流以一阶动态响应的方式过渡至对燃料电池系统的需求电流值,随着研究工作的逐步深入,可以尝试采用其他方式拉取电堆电流,并比较不同拉取电流方式对过氧比波动的影响。

(4)本文主要对燃料电池系统过氧比控制进行仿真分析研究,由于实验条件有限,尚未对本文所述控制方法进行实验验证,该方法的正确性和可行性还有待实际系统搭建完成之后通过实验数据做进一步验证。

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