燃料电池混合动力驱动系统能量利用效率优化的研究

论文摘要

质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC）采用可再生的能源（氢气）,以应对当前全球面临的能源危机,对未来环境保护有极其重要的发展意义。将燃料电池和蓄电池共同作为动力源的混合动力系统的应用是一种基于1+1>2的理念。在该系统中,燃料电池作为主动力源满足负载平均功率的需求,而蓄电池及其管理系统起到“削峰填谷”的作用。本文主要研究负载在不同功率需求情况下,如何协调作为动力源的燃料电池、蓄电池的功率输出比例从而优化混合动力驱动系统能量利用效率。它包含了以下两方面内容：1.稳态下,通过系统功率-效率图量化并揭示系统最大输出功率和最大能量利用效率间的关系；2.暂态下,研究如何构造闭环控制系统以实现系统快速动态响应和变参数环境下的稳定性。围绕以上内容,本文阐述了燃料电池蓄电池混合动力系统的每个组成部分,分析了系统的拓扑结构,推导了负载电流变化时,作为动力源的燃料电池和蓄电池的支路电流变化情况。进而以此为基础,分析了混合动力系统在稳态下不同的运行模式及各模式下如何优化能量利用效率,通过功率-效率图的搭建揭示了系统最大输出功率和最大效率不可能同时出现。随后通过对混合动力系统小信号模型的分析搭建了闭环控制系统,并设计相应的电流调节器以提高系统动态响应特性和变参数环境下的稳定性。为了验证以上理论分析的正确性,在MATLAB/SIMULINK中构建了仿真模型,仿真计算结果和理论分析结论是一致的。实验部分,通过对纯燃料电池电动自行车的改造,设计了基于UC3843的Boost升压电路,搭建了纯燃料电池动力驱动系统。实验结果表明：当负载需求功率较为恒定时,纯燃料电池驱动系统可以满足负载的功率需求；当负载需求功率巨增时,燃料电池输出电压波动较大,动态性能较差。针对纯燃料电池驱动系统动态性能较弱的问题,在Nexa Training System中进行了燃料电池蓄电池混合动力系统实验。实验结果验证了系统稳态下理论分析和仿真计算的正确性,并展示了混合动力系统相比纯燃料电池驱动系统在动态响应上的优势,能实现能量利用效率优化的目的。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 燃料电池混合动力系统优势
• 1.3 燃料电池混合动力系统研究现状
• 1.4 论文选题意义
• 1.5 论文主要内容与工作
• 第2章 燃料电池混合动力系统
• 2.1 燃料电池
• 2.1.1 燃料电池种类
• 2.1.2 质子交换膜燃料电池
• 2.2 蓄电池
• 2.2.1 蓄电池种类
• 2.2.2 蓄电池数学模型
• 2.3 燃料电池混合动力系统
• 2.3.1 燃料电池混合动力系统组成
• 2.3.2 燃料电池混合动力系统功率分配
• 2.4 本章小结
• 第3章 燃料电池混合动力系统稳态特性分析
• 3.1 燃料电池混合动力系统稳态模型
• 3.2 稳态下系统输入输出关系
• 3.2.1 变换器占空比和负载变化关系
• 3.2.2 变换器占空比和脉冲负载占空比关系
• 3.3 系统输出功率和系统效率的计算
• 3.3.1 系统输出功率和系统效率关系建立
• 3.3.2 系统功率-效率图建立
• 3.4 系统稳态特性下仿真分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 燃料电池混合动力系统闭环控制及动态特性分析
• 4.1 混合动力系统小信号模型及分析
• 4.2 闭环控制系统设计
• 4.2.1 电流调节器设计
• 4.2.2 直流变换器参数设计
• 4.3 混合动力系统动态下仿真分析与计算
• 4.4 本章小结
• 第5章 燃料电池及其混合动力系统实验
• 5.1 纯燃料电池自行车驱动系统实验
• 5.1.1 纯燃料电池自行车
• 5.1.2 车用燃料电池升压电路实验
• 5.1.3 纯燃料电池自行车测试实验
• 5.2 基于Nexa Training System实验平台的混合动力系统实验
• 5.2.1 平台介绍
• 5.2.2 燃料电池混合动力系统稳态下测试实验
• 5.2.3 燃料电池混合动力系统动态下测试实验
• 5.3 本章小结
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果