【摘 要】
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“双碳”背景下,大力发展新能源汽车已成为当前世界各国汽车工业的主旋律之一。作为新能源汽车的重要分支,氢燃料电池汽车由于其高效、清洁的优点,被视为是助力实现“双碳”目标的理想方案。但是氢燃料电池目前仍存在一些问题,如在燃料电池运行过程中,温度、压力、流量、湿度等参数会直接影响燃料电池性能,并且这些参数是动态变化的。在燃料电池系统层面上,控制策略的好坏也会直接影响燃料电池工作性能。因此建立完整的燃料电
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“双碳”背景下,大力发展新能源汽车已成为当前世界各国汽车工业的主旋律之一。作为新能源汽车的重要分支,氢燃料电池汽车由于其高效、清洁的优点,被视为是助力实现“双碳”目标的理想方案。但是氢燃料电池目前仍存在一些问题,如在燃料电池运行过程中,温度、压力、流量、湿度等参数会直接影响燃料电池性能,并且这些参数是动态变化的。在燃料电池系统层面上,控制策略的好坏也会直接影响燃料电池工作性能。因此建立完整的燃料电池系统模型,对整个系统进行优化,具有重要意义。本文围绕上述问题,基于质子交换膜燃料电池（PEMFC）开展了如下研究工作:（1）进行了质子交换膜燃料电池系统设计。基于某构型20k W燃料电池电堆,对PEMFC系统进行结构设计,对供气系统、热管理系统结构进行设计,对各个子系统的关键零部件进行选择。（2）基于AMESim建立了质子交换膜燃料电池电堆模型。主要包括燃料电池输出电压模型、膜水合模型、物质的生成及消耗计算模型、燃料电池流场模型、氮气转移输运模型、燃料电池产热与散热模型。（3）基于AMESim建立了PEMFC系统模型。主要包括空气供给系统、氢气供给系统、热管理系统模型,建立了空气压缩机、中冷器、气体加湿器、背压阀、喷氢阀、引射器、氢气循环泵、去离子器、循环水泵等关键部件模型,完成了完整的PEMFC系统模型搭建。（4）采用Simulink＆AMESim联合仿真,开展PEMFC系统仿真与基于氧气过量比的控制策略研究。首先,验证建立的燃料电池电堆模型,结果表明,极化曲线的最大误差为1.692%,模型精度符合要求;基于搭建的电堆模型,探究相关因素对燃料电池性能的影响,结果表明,反应气体的压力、温度、湿度的升高,阴阳极压差、膜厚的降低,可以提升电堆的输出性能。其次,对建立的燃料电池系统模型进行功能验证,仿真结果表明,符合燃料电池运行规律,搭建的燃料电池系统模型可以正常运行,基于此系统模型可以开展后续控制策略的研究。最后,开展了基于氧气过量比的控制研究,氧气过量比是燃料电池运行中的重要参数,仿真结果表明,不同的电流下,存在一个最佳的氧气过量比,使得燃料电池系统的净输出功率最大。为了得到最高的净输出功率,提高燃料电池的系统效率,就需要尽量将氧气过量比维持在该电流对应的最佳值上。对于空气供给系统采用流量、压力分开控制的方式,基于氧气过量比设计了PID控制和开环+PI控制来调节空压机转速,结果表明,基于氧气过量比的PID控制相较于开环+PI控制,在电流动态变化时响应快,控制效果更佳,在静态过程中控制效果不如开环+PI控制;基于目标空气进堆压力,采用PID控制来调节背压阀的开度,仿真结果表明,PID控制可以较好的完成控制。
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