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PEMFC混合动力系统开发及燃料气体压强非线性控制研究

作　者: 杨顺风
导　师: 冯晓云
学　校: 西南交通大学
专　业: 轨道交通电气化与自动化
关键词: 质子交换膜燃料电池 混合动力系统 非线性动态模型 反馈线性化 气体压强控制
分类号: TM911.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 91次
引　用: 2次
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内容摘要


质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell)由于其高效、零排放及环境友好的特点,被认为是最有发展前景的可再生能源之一。燃料电池与其它形式的储能设备的混合动力系统在近年得到了广泛的应用。本文在燃料电池混合动力自行车开发的基础上,针对质子交换膜因电池两极间气体压强差过大而损坏的情况,对燃料电池气体压强的非线性控制方法进行了研究,提出了相应的解决方案。本文首先概述了PEMFC的发展现状,简述了PEMFC的各重要组成部件及工作原理并对燃料电池混合动力系统的构型与控制策略进行了简要介绍。然后,设计了质子交换膜燃料电池与超级电容混合动力自行车系统以及混合动力系统中能量管理部分的控制策略,通过软硬件设计实现了混合动力自行车系统,并对混合动力系统进行了测试。为了更加有效地保护燃料电池,提高燃料电池的使用寿命,本文进一步研究了燃料电池气体压强的非线性控制策略。首先,在燃料电池基本理论的基础上,本文以PEMFC输出特性及内部气体分压为研究对象,利用能量守恒方程、PEMFC经验方程以及PEMFC内部气体分压状态方程建立了燃料电池的非线性多输入多输出动态模型。然后,本文通过对基于微分几何的非线性系统的反馈线性化方法以及一般模型控制(GMC)理论的研究,在燃料电池动态模型的基础上,以燃料电池阳极与阴极的进口气体流速为控制量,燃料电池内部的阳极与阴极气体压强为控制目标,设计了燃料电池气体压强非线性控制器。在MATLAB/SIMULINK环境中的仿真结果表明,本文所提出的控制方法能够在燃料电池外接负载发生较大变化的情况下,保持燃料电池阴阳极气体压强稳定在设定值,使电池阴阳极间的气体压强差维持在质子交换膜能够承受的范围内,说明了此方法的可行性。

全文目录


摘要  6-7
Abstract  7-10
第1章 绪论  10-18
  1.1 引言  10-11
  1.2 国内外PEMFC发展现状  11-13
  1.3 PEMFC的组成及工作原理  13-16
    1.3.1 PEMFC组成  13-14
    1.3.2 PEMFC的工作原理  14-16
  1.4 论文选题的背景与意义  16
  1.5 论文主要研究内容与工作  16-18
第2章 PEMFC混合动力自行车系统介绍  18-32
  2.1 PEMFC混合动力系统  18-22
    2.1.1 PEMFC混合动力系统构型  18-19
    2.1.2 PEMFC混合动力系统控制策略  19-21
    2.1.3 混合动力系统功率跟随模式控制策略  21-22
  2.2 PEMFC混合动力自行车系统  22-31
    2.2.1 系统简介  22-23
    2.2.2 自行车系统主要部件  23-27
    2.2.3 燃料电池混合动力自行车控制器设计  27-31
  2.3 总结  31-32
第3章 PEMFC混合动力自行车系统的实现  32-43
  3.1 主要电路介绍  32-36
    3.1.1 混合动力系统主电路  32-33
    3.1.2 控制电路  33-36
  3.2 软件流程  36-38
    3.2.1 燃料电池控制软件流程  37
    3.2.2 混合动力控制软件流程  37-38
  3.3 最终产品及测试结果  38-42
    3.3.1 燃料电池混合动力自行车  38-39
    3.3.2 测试结果  39-42
  3.4 总结  42-43
第4章 PEMFC动态模型的建立及SIMULINK实现  43-62
  4.1 PEMFC动态模型简述  43-44
  4.2 PEMFC集总参数模型  44-47
    4.2.1 PEMFC开路电压  45-46
    4.2.2 PEMFC输出电压  46-47
  4.3 PEMFC内部气体分压模型  47-54
    4.3.1 PEMFC内部气体分压动态特性分析  48-50
    4.3.2 PEMFC内部气体分压模型的建立  50-54
  4.4 PEMFC模型的SIMULINK实现  54-60
    4.4.1 PEMFC模型的实现  54-56
    4.4.2 PEMFC动态模型仿真结果分析  56-60
  4.5 总结  60-62
第5章 基于反馈线性化方法的燃料电池控制系统  62-78
  5.1 基于反馈线性化方法的非线性控制器设计  62-68
  5.2 GMC控制器设计  68-71
  5.3 PEMFC控制系统的SIMULINK实现  71-73
  5.4 PEMFC及其控制系统仿真与结果分析  73-78
    5.4.1 仿真参数的设置  73-74
    5.4.2 仿真结果与分析  74-78
结论  78-80
致谢  80-81
参考文献  81-86
攻读硕士学位期间发表的论文及科研情况  86-87

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中图分类: > 工业技术 > 电工技术 > 独立电源技术（直接发电） > 化学电源、电池、燃料电池 > 燃料电池
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