燃料電池供給路系統(tǒng)的優(yōu)化控制分析,碩士論文

燃料電池供給路系統(tǒng)的優(yōu)化控制分析,碩士論文燃料電池汽車是新能源汽車戰(zhàn)略的重要解決方案之一，筆者所在的課題組依托于2021年國家重點(diǎn)研發(fā)計劃4.1項目的子課題全功率燃料電池動力系統(tǒng)平臺開發(fā)與優(yōu)化，重點(diǎn)解決大功率燃料電池系統(tǒng)在集成經(jīng)過中的關(guān)鍵設(shè)計與控制問題?？紤]到電堆的研發(fā)受制于關(guān)鍵材料以及相應(yīng)的制造工藝很難在短期內(nèi)有重大突破，因而從控制層面，通過分析特定電堆的輸出特性，深度挖掘電堆的輸出能力，在電堆單體數(shù)目不變的情況下提升其功率水平是實(shí)現(xiàn)大功率燃料電池系統(tǒng)集成的重要技術(shù)手段。本研究基于某款燃料電池電堆的輸出特性，在燃料電池供應(yīng)路系統(tǒng)的優(yōu)化控制層面開展研究，主要研究內(nèi)容如下：首先，從燃料電池電堆的輸出特性層面，基于某款燃料電池電堆的基本設(shè)計參數(shù)，建立活化面積為255cm2、由370片組成的電堆輸出電壓仿真模型。針對輸出電壓仿真模型中與壓力相關(guān)的非獨(dú)立輸入變量這一問題，通過對各組分流動行為的分析建立壓力構(gòu)成機(jī)理模型，將電堆模型與壓力構(gòu)成機(jī)理模型進(jìn)行整合，實(shí)現(xiàn)電堆控制輸入的獨(dú)立化，并在這里基礎(chǔ)上，對電堆工作點(diǎn)分布與流量-壓力特性進(jìn)行仿真分析。其次，從燃料電池系統(tǒng)建模層面，為了進(jìn)一步建立流場壓力與供應(yīng)路系統(tǒng)的聯(lián)絡(luò)，充分闡述燃料電池供應(yīng)路系統(tǒng)方案以及工作經(jīng)過，在這里基礎(chǔ)上，在MATLAB/Simulink環(huán)境完成燃料電池供應(yīng)路系統(tǒng)動態(tài)模型搭建，對其關(guān)鍵部件的特性進(jìn)行建模擬真，將所建立的供應(yīng)路系統(tǒng)關(guān)鍵部件模型與電堆模型進(jìn)行集成。最后，從系統(tǒng)優(yōu)化控制層面，分析供應(yīng)路系統(tǒng)寄生功率與電堆輸出功率的博弈經(jīng)過，通過補(bǔ)償進(jìn)氣壓力進(jìn)而優(yōu)化輸出能力，針對壓力補(bǔ)償經(jīng)過中的流量-壓力耦合強(qiáng)化問題，將自抗擾控制思想用于該耦合系統(tǒng)，設(shè)計流量-壓力動態(tài)解耦控制器〔Disturbancedecouplingcontrol，簡寫為DDC〕以削弱流量-壓力的耦合作用。為了驗(yàn)證控制優(yōu)化效果，將控制策略模型與燃料電池電堆-供應(yīng)路系統(tǒng)模型進(jìn)行集成，搭建聯(lián)合仿真平臺，對控制優(yōu)化效果進(jìn)行仿真驗(yàn)證。本文關(guān)鍵詞語：燃料電池，供應(yīng)路系統(tǒng)，壓力補(bǔ)償，解耦控制ABSTRACTResearchonModelingandOptionalControlofFuelcellSupplySystemFuelcellvehicleisoneoftheimportantsolutionstodealwithenergysecurityandnewenergystrategy.Inthe2021nationalkeyRDplan4.1,itisclearlyproposedthattobreakthroughtheintegrationtechnologyofvehiclepowersystembasedonhigh-powerfuelcellengine.Relyingonthismajorspecialsubtopic,theresearchgroupoftheauthorfocusesonsolvingtheintegrationprocessofhigh-powerfuelcellsystemThekeydesignandcontrolproblemsofthesystemprovidetheoreticalguidanceforitsforwarddesign.Itistruethatthemostdirectsolutiontoimprovethepowerdensityofthefuelcellsystemistoimprovetheoutputcapacityofthestack,buttheresearchanddevelopmentofthestackissubjecttothekeymaterialsandthecorrespondingmanufacturingprocess.Therefore,fromanotherperspective,byanalyzingtheoutputcharacteristicsofaspecificstack,theoutputcapacityofthestackisexcavatedindepthfromthecontrollevel,andthepowerofthestackisimprovedwhenthenumberofindividualstacksisconstantRatelevelisanimportanttechnicalmeanstorealizetheintegrationofhigh-powerfuelcellsystem.Basedontheoutputcharacteristicsofafuelcellstackandtheoptimalcontrolofaircompressor,backpressurevalve,hydrogensupplyassemblyandothercomponents(hereinafterreferredtoasfuelcellsupplycircuitsystem),theenergyoptimizationofthesystemisstudied.Themainresearchcontentsareasfollows:Firstofall,basedontheoutputcharacteristicsofafuelcellstackandthebasicdesignparametersofafuelcellstack,theoutputvoltagesimulationmodelwithanactivationareaof255cm2and370piecesisestablished.Aimingatthenonindependentinputvariablesrelatedtothepressureintheoutputvoltagesimulationmodel,theflowbehaviorofeachcomponentisanalyzedandthepressureformationmechanismmodelisestablishedItintegrateswiththepressureformingmechanismmodeltorealizetheindependenceofthecontrolinputofthereactor.Thesimulationanalysisiscarriedoutforthedistributionoftheworkingpointsandtheflowpressurecharacteristicsofthereactorunderdifferentcharacteristicsoftheelectricdensity.Secondly,fromthefuelcellsystemlevel,inordertofurtherestablishtherelationshipbetweentheflowfieldpressureandthesupplycircuitsystem,thispaperfullydiscussesthefuelIVcellsupplycircuitsystemschemeandtheworkingprocess,andproposesthemodelingandcontroldemandofthesupplycircuit.Onthisbasis,thedynamicmodelsofthefuelcellairsupplycircuit,hydrogensupplycircuitandtheoutputcharacteristicsofthefuelcellsystemarebuiltInatlab/Simulinkenvironment,thecharacteristicsofkeycomponentsinthesupplysystemaremodeledandsimulated.Thekeycomponentmodelofthesupplysystemisintegratedwiththereactormodeltoformafuelcellreactorsupplysystemsimulationenvironment,whichisusedtoverifytheoptimizationeffectofcontrolstrategy.Finally,fromthefuelcellsupplysystemoptimizationcontrollevel,basedonthesimulationoftheoutputcharacteristicsofthereactorandtheflowpressurecharacteristicsofthesupplysystem,thegameprocessbetweentheparasiticpowerofthesupplysystemandtheoutputpowerofthereactorisanalyzed,andthepressureofthegassupplysystemiscompensatedtooptimizetheoutput.Fortheflowpressurecouplingprobleminthepressurecompensationprocess,theautodisturbancerejectioncontrol(DDC)isusedInordertoverifythecontroloptimizationeffect,thecontrolstrategymodelisintegratedwiththesimulationenvironmentoffuelcellstacksupplysystem,andajointsimulationplatformisbuilttosimulatethecontroloptimizationeffect.Keywords：Fuelcell，Supplysystem，Pressurecompensation,Disturbancedecouplingcontrol目錄幅較長,部分內(nèi)容省略,具體全文見文末附件第6章全文總結(jié)與研究瞻望6.1全文總結(jié)本研究對燃料電池供應(yīng)路系統(tǒng)的優(yōu)化控制開展研究，旨在于從控制層面深度挖掘電堆的輸出能力，提升燃料電池系統(tǒng)的功率水平。完成的研究工作如下：〔1〕從燃料電池電堆層面出發(fā)，基于某款電堆的設(shè)計參數(shù)建立相應(yīng)的輸出電壓仿真模型，針對輸出電壓仿真模型中與壓力相關(guān)的非獨(dú)立輸入變量，對各組分流動行為的分析并建立壓力構(gòu)成機(jī)理模型，將電堆模型與壓力構(gòu)成機(jī)理模型進(jìn)行整合，實(shí)現(xiàn)了電堆控制輸入的獨(dú)立化，將陰極流場壓力、氧分壓和氫分壓三個互相關(guān)聯(lián)的控制變量轉(zhuǎn)化為陽極流場進(jìn)氣流量、陰極流場進(jìn)氣流量和背壓三個獨(dú)立的控制輸入，并分別針對特定電流需求條件下的電堆工作點(diǎn)分布與流量-壓力特性進(jìn)行了仿真；〔2〕為進(jìn)一步從燃料電池系統(tǒng)層面分析其輸出特性，基于燃料電池供應(yīng)路系統(tǒng)方案完成了燃料供應(yīng)路系統(tǒng)以及輸出特性的動態(tài)模型搭建，并對關(guān)鍵部件的特性進(jìn)行建模擬真，驗(yàn)證了部件特性后與電堆模型進(jìn)行集成，構(gòu)成燃料電池電堆-供應(yīng)路系統(tǒng)仿真模型；〔3〕為了驗(yàn)證所搭建的供應(yīng)路系統(tǒng)仿真模型動態(tài)特性，推導(dǎo)了基于負(fù)載需求的空氣供應(yīng)控制策略并設(shè)計相應(yīng)的反應(yīng)控制器，搭建聯(lián)合仿真平臺，驗(yàn)證關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的流量-壓力特征；并在這里基礎(chǔ)上，基于可變排量背壓系統(tǒng)提出壓力補(bǔ)償策略，并分析動態(tài)控制問題。為解決壓力補(bǔ)償后系統(tǒng)流量-壓力耦合強(qiáng)化問題，參考自抗擾控制思想，設(shè)計DDC控制器用于流量-壓力耦合系統(tǒng)，削弱了流量與壓力之間的互相作用；〔4〕對控制優(yōu)化效果進(jìn)行了總結(jié)性仿真，集成電堆輸出模型、供應(yīng)路系統(tǒng)模型以及控制模型，對供應(yīng)路系統(tǒng)的流量-壓力動態(tài)響應(yīng)以及燃料電池系統(tǒng)的輸出性能開展仿真驗(yàn)證。6.2研究瞻望本研究從理論層面對供應(yīng)路系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化控制，為了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)車載應(yīng)用，下一步需要完成的研究歸納如下：〔1〕防喘振是將壓縮機(jī)的運(yùn)行限制在喘振線右側(cè)的工作范圍，本研究僅通過壓力補(bǔ)償程實(shí)現(xiàn)了對輸出的優(yōu)化，但是在工業(yè)應(yīng)用方面，還需要考慮壓縮機(jī)的喘振，在本研究的基礎(chǔ)上，主動防喘振控制仍然具有較大的研究空間?！?〕本研究所開發(fā)的控制策略基于帶有流量和壓力傳感器的構(gòu)型，在實(shí)際系統(tǒng)中，考慮到成本問題，需要盡量減少或者避免流量傳感器的應(yīng)用，因而基于實(shí)際系統(tǒng)方案對控制策略中的相關(guān)控制變量進(jìn)行進(jìn)一步轉(zhuǎn)化，同時硬件在環(huán)測試是實(shí)車測試之前必不可少的環(huán)節(jié)，因而在裝車之前完成硬件在環(huán)測試。以下為參考文獻(xiàn)[1]高香玲.美國新能源汽車產(chǎn)業(yè)及其競爭力分析[D].吉林大學(xué),2020.[2]艾民,孟晨.我們國家新能源汽車發(fā)展的原油進(jìn)口替代效應(yīng)分析[C]//2020管理創(chuàng)新、智能科技與經(jīng)濟(jì)發(fā)展研討會.[3]黎麗,謝偉,魏書傳,等.中國制造2025[J].金融經(jīng)濟(jì),2021(13):10.[4]陳虹,李贈銓.中國先進(jìn)制造業(yè)國際競爭力的實(shí)證分析[J].統(tǒng)計與決策,2022(7):154-[5]劉洪民,韓熠超,劉煒煒.融合情景分析的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)技術(shù)途徑圖框架構(gòu)建與案例分析以中國新能源汽車產(chǎn)業(yè)為例[J].科技與管理,2022(1):1-7.[6]新能源汽車重點(diǎn)專項燃料電池發(fā)動機(jī)及商用車產(chǎn)業(yè)化技術(shù)與應(yīng)用項目推進(jìn)會在濰坊召開[J].電器工業(yè),2022(6):4-4.[7]郝旭輝,劉繼烈,王永軍.氫燃料電池汽車:汽車動力的革命訪中國工程院院李駿[J].汽車技術(shù),2021,No.511(04):5-7.[8]MatrajiI,LaghroucheS,WackM.PressurecontrolinaPEMfuelcellviasecondorderslidingmode[J].InternationalJournalofHydrogenEnergy,2020,37(21):16104-16116.[9]BarelliL,BidiniG,GalloriniF,OttavianoA.DynamicanalysisofPEMFC-basedCHPsystemsfordomesticapplication[J]..ApplEnergy2020;91(1):13-28.[10]ParkS,JungD.Effectofoperatingparametersondynamicresponseofwater-to-gasmembranehumidifierforprotonexchangemembranefuelcellvehicle[J].InternationalJournalofHydrogenEnergy,2020,38(17):7114-7125.[11]RaveyA,BlunierB,MiraouiA.ControlStrategiesforFuel-Cell-BasedHybridElectricVehicles:FromOfflinetoOnlineandExperimentalResults[J].VehicularTechnologyIEEETransactionson,2020,61(6):2452-2457.[12]BarelliL,BidiniG,OttavianoA.OptimizationofaPEMFC/batterypackpowersystemforabusapplication[J].AppliedEnergy,2020,97:777-784.[13]KelouwaniS,AgbossouK,Dub,Yves,etal.FuelcellPlug-inHybridElectricVehicleanticipatoryandreal-timeblended-modeenergymanagementforbatterylifepreservation[J].Journalofpowersources,2020,221(JAN.1):406-418.[14]陳維榮,錢清泉,李奇.燃料電池混合動力列車的研究現(xiàn)在狀況與發(fā)展趨勢[J].西南交通吉林大學(xué)碩士學(xué)位論文92大學(xué)學(xué)報,2018,044(001):1-6.[15]顧炳波.提高甲醇合成氣中有效氣體利用率的討論[J].化工管理,2020,000(023):18-18.[16]陳雪蘭.燃料電池系統(tǒng)建模與控制研究[D].浙江大學(xué),2020.[17]丁舟波.電動汽車燃料電池系統(tǒng)性能與優(yōu)化設(shè)計研究[D].湖南大學(xué),2020.[18]劉坤.PEM燃料電池的傳輸模擬與構(gòu)造優(yōu)化[D].武漢理工大學(xué),2008.[19]帥浚超,沈檀,蔣建華,等.多通道平板型固體氧化物燃料電池的逆流流場數(shù)值分析[J].陶瓷學(xué)報,2021(6):647-652.[20]Janssen,GJM,Aphenomenologicalmodelofwatertransportinaprotonexchangemembranefuelcell[J].JOURNALOFTHEELECTROCHEMICALSOCIETY2001,A1313-A1323.[21]RuySousaJr,FlvioColmati,ErnestoRafaelGonzalez.Modelingtechniquesappliedtothestudyofgasdiffusionelectrodesandprotonexchangemembranebiochemicalfuelcells[J].JournalofPowerSources,161(1):183-190.[22]馬天才.燃料電池發(fā)動機(jī)控制問題研究系統(tǒng)分析與建模[D].同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院同濟(jì)大學(xué),2007.[23]MaherA.R.SadiqAl-Baghdadi.Modellingofprotonexchangemembranefuelcellperformancebasedonsemi-empiricalequations[J].RenewableEnergy,30(10):1587-1599.[24]SupramaniamSrinivasan,OmourtagA.Velev,ArvindParthasarathy.Highenergyefficiencyandhighpowerdensityprotonexchangemembranefuelcellselectrodekineticsandmasstransport[J].JournalofPowerSources,36(3):299-320.[25]LoDH,SrourJR.Modelingofproton-inducedCCDdegradationintheChandraX-rayObservatory[J].IEEETransactionsonNuclearence,2003,50(6):p.2021-2023.[26]馬冰心.質(zhì)子交換膜燃料電池建模與供氣系統(tǒng)控制方式方法的研究[D].東北大學(xué),2021.[27]J.H.Lee,T.R.Lalk.Modelingfuelcellstacksystems[J].JournalofPowerSources,73(2):229-241.[28]Jee-HoonJung,ShehabAhmed,PrasadEnjeti.PEMFuelCellStackModelDevelopmentforReal-TimeSimulationApplications[J].IEEETransactionsonIndustrialElectronics,2018,58(9):4217-4231.[29]沈春暉,余昊.車用質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)動機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究進(jìn)展[J].武漢理工大學(xué)93學(xué)報,290(02):34-39.[30]沈燁燁,陳雪蘭,謝磊,等.基于LPV模型的燃料電池空氣進(jìn)氣系統(tǒng)控制[J].化工學(xué)報,2020(12):260-266.[31]楊朵,潘瑞,汪玉潔,燃料電池系統(tǒng)氣體調(diào)壓控制[C]//第19屆中國系統(tǒng)仿真技術(shù)及其應(yīng)用學(xué)術(shù)年會.2021.[32]洪凌.車用燃料電池發(fā)電系統(tǒng)氫氣回路控制[D].浙江大學(xué)2021.[33]林歆悠,李雪凡,林海波.考慮燃料電池衰退的FCHEV反應(yīng)優(yōu)化控制策略[J].中國公路學(xué)報,32(05):157-165.[34]陳婕.燃料電池汽車氫氣加注控制策略分析[J].時代汽車,297(6):67-68.[35]王凡.燃料電池進(jìn)氣系統(tǒng)控制[D].浙江大學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