氢燃料电池系统建模与控制策略研究

随着当今社会各行业的快速不断发展,能源消耗的同时环境污染问题也应运而生,提高能源利用率与解决环境污染问题迫在眉睫。质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC)作为氢能领域杰出代表,以其高效率、高能量密度、低工作温度、低噪音和低排放等优势,受到了世界各国的青睐。基于其独特的优势,质子交换膜燃料电池适用于混合动力汽车以及便携式移动电源等。氢燃料电池目前也存在一些劣势,如易受外界环境和工况变化的影响、电压输出不稳定、存在大滞后性以及燃料安全性的问题,严重阻碍了燃料电池的商业化应用推广。因此,本文针对氢燃料电池的建模及控制方面开展了以下研究:(1)搭建氢燃料电池试验平台。根据厂家提供的质子交换膜燃料电池电堆相关数据,计算燃料电池各子系统相应的工作参数,完成低温水冷氢燃料电池的试验平台各子系统的设计、选型以及搭建工作。其中,氢燃料电池总体设计方案包括氢气供给子系统设计方案、空气供给子系统设计方案、冷却及加湿子系统设计方案以及数据采集系统设计方案。(2)基于MATLAB/SIMULINK建立了氢燃料电池系统模型。依据电堆的实际情况建立了输出电压、输出功率的半经验模型;根据燃料电池系统的工作原理,建立了燃料电池空气供给系统和氢气供给系统的机理模型,得到氢燃料电池氢气、氧气以及水蒸气分压模型,并依据试验数据验证模型的正确性。(3)基于MATLAB/SIMULINK的氢燃料电池系统模型仿真分析。根据所搭建的氢燃料电池系统模型,对电堆运行的工作压力、电堆温度、阴阳极工作压力差以及氧气过量比等关键参数进行仿真分析,得到不同工况下的输出电压、输出功率随负载电流的关系曲线图,仿真结果表明,电堆的工作压力、温度、压力差的升高对电堆的输出性能有积极的影响,氧气过量比的适当增大可以提高电堆的输出性能,氧气过量比过大时,则会降低氢燃料电池系统的净功率。这就为后续章节控制策略的仿真研究提供了参考。(4)基于MATLAB/SIMULINK的氢燃料电池系统控制策略仿真研究。氧气过量比在燃料电池运行过程中发挥着重要作用,为了保证燃料电池的安全高效的运行,燃料电池工作过程中需要保证不发生氧匮乏的现象,氧气过量比需要维持在一合适的数值,以确保系统的净功率最大化。根据仿真研究中电流密度-氧气过量比-净功率的关系,确定不同工况下系统的最佳氧气过量比,通过增量式PID和模糊控制来调节空气进气流量的大小,仿真结果表明,增量式PID控制的控制效果在静态工况下优于模糊控制,在动态工况下的控制效果不及模糊控制;同时,为最大程度的保证燃料电池的安全高效的运行,利用PID控制来调节氢气进气流量的大小,实现阴阳极两侧工作压力差工作在目标设定值,仿真结果表明,PID控制可以较理想的完成控制目标。