燃料电池监控系统的构建与控制算法研究

论文摘要

本文以华南理工大学设计建造的质子交换膜燃料电池示范电站为基础,研究大功率燃料电池电堆的监控系统设计,并在此基础上研究了电堆冷却系统的控制算法。监控系统采用嵌入式方案,分布式结构,并使用成熟可靠的CAN总线进行通讯。文章首先介绍了燃料电池的发电原理和基本特点,结合电池的特点,总体上介绍了系统监控方案的设计,并进一步详述了各个主要模块的软硬件设计,包括系统选型和软硬件设计,同时提出了应用双导探针测量气泡的方式来检测氢气尾气的方法,以衡量电池效率。最后,针对影响系统性能的关键因素的冷却系统,提出了分段控制算法和自适应模糊控制算法。本文的工作内容和研究成果主要为:针对大功率质子交换膜燃料电池的特点,研究了电池的监控系统的构建,包括空气供给与增湿模块、氢气供给模块、冷却水模块、电压电流检测模块、主控器模块、CAN总线、就地操作模块、PC端监控软件这8个模块。通过对这8个模块的设计分析,提出了控制要求,设计了相应的控制方案,并详述了具体的软硬件实现。提出了氢气尾气测量的新方法,采用双导探针法测量气泡的方式,可克服在少量氢气排放的情况下,无法采用传统的气体流量计测量的难点。通过对氢气尾气排放量的准确测量,可分析电池堆的反应情况,及时调整氢气的用量,提高系统的效率。在控制算法上,对冷却系统的控制算法进行了深入的研究,针对冷却系统的循环水和冷却水的强耦合情况,提高了分段控制的方式,确保电池电堆始终处于安全高效的工作状态下。进一步的,提出了自适应模糊控制的方式,采用模糊控制的方式,规避了系统解耦和建模的难题,而自适应部分的加入,可提高系统控制精度。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 国内外现状与发展趋势
• 1.3 论文的研究内容与章节安排
• 第二章 质子交换膜燃料电池系统的方案分析
• 2.1 燃料电池的基本原理与特点
• 2.1.1 燃料电池的基本原理
• 2.1.2 燃料电池单体结构特点
• 2.2 影响电池组性能的关键因素
• 2.2.1 温度的影响
• 2.2.2 压力的影响
• 2.2.3 水管理
• 2.3 燃料电池堆监控系统的整体架构分析
• 2.3.1 燃料电池监控系统需求分析
• 2.3.2 监控系统整体架构
• 2.4 燃料电池堆监控系统的主要组成单元
• 2.5 燃料电池堆监控系统内部总线选择
• 2.5.1 几种常用的现场总线
• 2.5.2 监控系统内部CAN总线
• 2.6 本章小结
• 第三章 质子交换膜燃料电池监控系统单元组成与实现
• 3.1 空气增湿与供给模块
• 3.1.1 空气鼓风机速度控制方案的设计
• 3.1.2 空气增湿涵轮速度控制方案的设计
• 3.2 氢气供给模块
• 3.3 冷却水模块
• 3.3.1 测温系统设计
• 3.3.2 冷却水控制子系统
• 3.4 电压/电流检测模块
• 3.4.1 总电压/总电流检测模块
• 3.4.2 单电池电压检测
• 3.5 基于LPC2119 的主控制器模块
• 3.5.1 主控制器微处理器的选型
• 3.5.2 嵌入式操作系统选型
• 3.5.3 主控器模块的设计
• 3.6 CAN通讯总线
• 3.6.1 CAN通讯总线节点分配
• 3.6.2 CAN总线通信硬件设计
• 3.7 就地操作模块
• 3.7.1 液晶显示模块
• 3.7.2 数码管显示模块和键盘管理模块
• 3.8 PC端监控软件
• 3.9 氢气余气测量
• 3.9.1 测量原理
• 3.9.2 测量系统设计
• 3.10 本章小结
• 第四章 冷却系统控制算法的研究与实现
• 4.1 电堆热平衡
• 4.2 冷却系统控制目标分析
• 4.3 分段组合控制方式
• 4.3.1 正常温度范围内的控制方案
• 4.3.2 异常温度范围情况下的控制方案
• 4.4 自适应模糊控制方式
• 4.4.1 模糊控制器设计
• 4.4.2 自适应控制器部分设计
• 4.5 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 本文总结
• 5.2 未来展望
• 5.2.1 氢气的优化利用
• 5.2.2 电池电堆效率的衡量与优化
• 5.2.3 控制系统的智能化
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果
• 致谢
• 附件