电动汽车燃料电池系统建模与控制研究

由于能源短缺和环境污染问题日益突出,可再生能源的研发和推广日益成为社会关注的焦点。质子交换膜燃料电池(PEMFC)作为一种通过氢气和氧气反应产生电能的装置,具有能量密度高、能量输出稳定、无污染和工作温度低等优点,已经成为新一代汽车的发展方向。燃料电池包括多个子系统,如空气供给子系统、氢气供给子系统和热管理子系统等。为了提高燃料电池的可靠性和安全性,对各个子系统进行建模和控制至关重要。现有的研究主要考虑单个子系统如气体供应子系统或热管理子系统对电堆输出性能的影响,而忽略了不同子系统对电堆输出性能的综合影响,为了实现燃料电池系统的高效、安全运行,提高系统的效率,本文围绕燃料电池系统,主要完成了以下几方面的研究:(1)研究现状及意义:简述了PEMFC建模与控制的研究现状,并说明了气体供给系统、热管理系统控制的重要意义,最后,进一步说明了本文的研究意义;(2)系统建模:搭建燃料电池集成系统模型,包括输出电压模型、气体供给系统模型(空气压缩机模型、供应管模型、冷却器模型、增湿器模型、阴极流量模型、膜水合模型、回流管模型、氢气循环系统模型、阳极流量模型)和热管理系统模型(阴极气体温度模型、阳极气体温度模型、电堆温度模型)。首次提出了一种用阴极出口气体温度、阳极出口气体温度和冷却液出口温度三者均值估计电堆温度的方法,并分别对电堆模型、气体供给系统模型和热管理系统模型进行了仿真分析;(3)控制策略设计与实现:1)根据燃料电池系统机理模型,写出状态空间方程。将负载电流作为外部扰动,并基于模型设计了模型预测控制器(MPC)和滑模控制器(SMC),将所设计的两种控制器在MATLAB/Simulink中进行仿真分析,仿真结果表明:两种控制方法均能实现稳态跟踪,但滑模控制算法控制效果更好,鲁棒性更强,收敛更快;2)与现有文献中将负载电流作为外界扰动不同,本文第5章定义电流的变化率作为新的控制量,在滑模控制器的作用下,通过调节电流的变化率实现电堆的系统功率跟踪。