质子交换膜燃料电池热管理建模仿真与控制研究

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碳中和背景下氢能及燃料电池汽车产业发展迎来前所未有的机遇。质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrance Fuel Cell,PEMFC)具有工作温度低、可靠性高、能量密度高等优势,是交通领域践行能源革命和实现碳中和的重要应用方式之一。燃料电池的工作温度是影响电堆性能的关键参数,合理的热管理不仅能够提高燃料电池的输出效率,还能够延长电堆的使用寿命。本文依托中国汽车技术研究中心燃料电池相关项目,以额定功率为80 k W的石墨电堆为研究对象,对燃料电池热管理进行建模仿真与控制研究。本文主要研究工作内容如下:(1)基于质子交换膜燃料电池结构、工作原理,利用AMEsim软件搭建质子交换膜燃料电池电堆模型,并将仿真数据和实验数据对比验证模型的动态响应和准确性。利用该电堆模型能够计算与加载电流相对应的输出电压、物质消耗以及发热功率。(2)对燃料电池电堆内部温度分布进行分析,确定以双极板的温度表现来表征电堆内部的温度分布。利用CATIA软件根据电堆极板的实际尺寸建立燃料电池阳极板和阴极板的三维模型,并利用STAR-CCM+软件在不同工况下对双极板进行三维温度场仿真,分析得到同一双极板在不同工况条件下的温度表现。在此基础上,对不同双极板之间的温度表现差异进行分析,从而得到燃料电池电堆内部的温度分布。(3)对燃料电池热管理系统的零部件进行匹配选型,并对热管理系统进行方案设计。利用双极板三维温度场仿真结果标定AMEsim软件中的神经网络元件,将其接入热管理系统使其能够在电堆运行时监测双极板的温度表现。利用AMEsim软件搭建燃料电池热管理系统模型,并利用Matlab软件制定热管理系统的控制策略,进而通过AMEsim软件和Matlab软件联合仿真验证热管理系统的合理性。(4)考虑到温度控制存在的耦合性,将水泵的转速由电堆的发热功率控制,分别应用模糊自适应PID控制和自抗扰控制,根据电堆冷却液的入口温度,对风扇的转速进行优化,从而使电堆的工作温度更加稳定。
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