燃料电池混合动力系统设计

人类对化石燃料的大量使用导致了很严重的污染问题,加上煤、石油等化石能源的日益减少,各国政府对新能源的开发和利用都非常重视。氢能是一种环境友好型的能源,其排放物一般为水,不含CO2及其它有害物质。燃料电池正是利用氢能的一种能量转换装置,将富氢气体的化学能直接转化为电能。目前燃料电池已经广泛应用于军事和航天领域,也有大型的燃料电池发电站在并网运转。现在燃料电池的研究以各大汽车企业为主,奔驰、克莱斯勒、福特、现代等都相继推出了自己的燃料电池汽车。燃料电池存在特性曲线较软且功率响应较慢的缺点,因此不太适合直接给车辆等功率变化较频繁的负载做电源使用。为了解决这个问题,基于燃料电池的混合动力系统应运而生。 虽然有的企业已经推出了基于燃料电池的混合动力车,但是国内相关文献不多且大多处在仿真研究阶段。空冷型质子交换膜燃料电池和锂电池被用来构建本混合动力系统,该系统包括燃料电池的控制和能量管理两大功能。空冷型质子交换膜燃料电池控制手段较少,主要包括：阳极排气控制,附属风扇控制和瞬时短路控制。首先对上述控制手段进行实验测试,观察其对燃料电池的影响,并简要分析这些控制手段对燃料电池的影响机理。在此基础上,设计了一套能较好发挥燃料电池性能的控制方法,并设计了相应的控制硬件及软件,实现了燃料电池的优化控制。在参考国内外相关研究的基础上,设计了基于燃料电池恒电压模式的能量管理策略,该策略包含三种系统运行模式及其转换。相对于传统的功率跟随型能量管理策略,在该策略下燃料电池输出功率大部分时间恒定,避免了燃料电池功率响应较慢的缺点；而相对于以燃料电池恒电流为基础的能量管理策略,该策略在燃料电池亚健康状况下运行更为安全。并且由于燃料电池大部分时间输出其额定功率,因此该策略对燃料电池及其附属设备的寿命最大化也有益处。混合动力系统的构型为：燃料电池通过DC/DC连接负载,锂电池直接连接负载。设计了合适的控制系统来实现上述能量管理策略。最后对整个系统进行了实际制作和调试,并测试各部分功能是否达到设计目标。