空间燃料电池热管理控制系统研究

空间电源是一切航天器正常运行的基础,为突破传统航天电源的局限,为航天器提供更加可靠和动力持久的电源一直是关注的焦点。随着我国空间站、月球基地和深空探测等计划的逐步展开,亟需研制高效稳定的空间电源。燃料电池由于其高比功率和高比能量、低温工作、可靠性高、安全无污染等优点,成为我国未来空间电源的一大发展趋势。本文针对空间燃料电池系统控制中的热管理部分进行了研究,通过建模仿真验证了温度控制方法的有效性,并完成了电控单元的软硬件设计,实现了对空间燃料电池进行温度控制。本文为空间燃料电池系统的研制提供了理论支撑,奠定了工程化基础。本文的结构框架如下:第一部分,首先介绍了空间燃料电池在宇航领域的重要作用,国外的应用研究的进展情况,总结了我国在空间燃料电池领域研究和应用的不足。接着分析了质子交换膜燃料电池作为空间燃料电池的优势及工作原理。最后介绍了地面应用的质子交换膜燃料电池热管理的研究进展,包括:温度模型的建立,控制策略及方法的选择。第二部分,分析了温度与空间燃料电池工作性能之间的影响,确定了空间燃料电池水冷的控制方案。第三部分,介绍了利用经验和机理模型,在MATLAB/Simulink中建立空间燃料电池温度模型。第四部分,介绍了适用于空间燃料电池热管理的控制算法——模糊PID控制,并在温度模型基础上进行了控制算法的仿真分析。第五部分,介绍了空间燃料电池控制系统的基本组成,重点针对系统运行以及热管理涉及到的功能部分做了分析,对空间燃料电池电控单元的软硬件实现做了具体的分析。