学位论文 > 优秀研究生学位论文题录展示

燃料电池延迟特性和燃料电池—蓄电池混合供电系统研究

作　者: 鲜亮
导　师: 肖建
学　校: 西南交通大学
专　业: 电力电子与电力传动
关键词: 质子交换膜燃料电池延迟特性多输入直流变换器混合供电系统能量管理策略
分类号: TM911.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 76次
引　用: 0次
阅　读: 论文下载

内容摘要

绿色清洁能源是当前世界各国关注的焦点。作为一种可以直接将氢能转化成电能的电化学发电装置,质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC)以其清洁、高效、低噪、工作温度低等优势成为相关领域中最受关注的新能源之一。然而PEMFC在电气输出特性上存在的电压变化范围较大,输出特性较软,对负载突变响应明显滞后等不足之处,阻碍了PEMFC迈向商业化的步伐。在实际应用中,需加入直流变换器和其他辅助电源,并使用适当的控制方式来减小PEMFC输出的波动幅度和频率,才能保证PEMFC长期、稳定、经济地向负载供电。本文通过分析燃料气体在PEMFC电池堆内部管道的流动和分布情况,得出氢气分压值和各单池反应处距进气口的通道长度是影响单池动态特性的两个关键因素。在深入研究PEMFC系统冷启动过程的基础上,得出单池间ENernst项的动态特性因电池堆自身结构及环境因素影响而无法同步进行是导致PEMFC系统在电气输出上存在延迟特性的根本原因。并提出一种用以描述单池滞后时长与PEMFC特定参数之间关系的定性函数。另外,在延迟特性实验中,观察到了部分单池在启动时存在“反极”现象,并用等效内阻的思想解释了这种现象产生的原因。阐明了PEMFC输出电流维持稳定对提高供电系统整体性能上的必要性。为了延长使用寿命、降低制造和维护成本、减小FC输出电流的波动幅度,本文提出了一种具有效率高、所需元件少、成本低和控制简单等特点的双输入降压直流变换器电路拓扑,并在此拓扑结构基础上设计了一套能量管理策略和闭环反馈控制方案,实现了保证系统输出电压稳定的同时,通过控制蓄电池对不足能量的补偿或对多余能量的吸收来维持PEMFC输出电流恒定的目标,从而最大程度地减小了电流纹波,延长了PEMFC使用寿命,降低了系统成本,避免了PEMFC电气延迟特性对整个系统性能的不利影响。在理论分析和系统设计的基础上,开发了一台500W的原理样机,并编写了一套适用于TI公司数字信号处理器TMS320F2808的控制程序,用于整个系统的运行、调试、监测和保护等。通过实验验证了所设计的双输入降压直流变换器拓扑结构、闭环反馈控制方式以及能量管理策略的正确性和可实现性。系统实际运行性能符合预期要求,证明了此套硬件电路和运行控制程序系统具有实际研究及应用价值。

全文目录

摘要  6-7
Abstract  7-11
第1章绪论  11-21
  1.1 研究背景  11
  1.2 燃料电池的研究现状  11-14
  1.3 多输入直流变换器的研究现状  14-19
    1.3.1 多输入DVPI型Buck-Boost直流变换器  15-16
    1.3.2 双输入DCSI型Boost直流变换器  16-18
    1.3.3 双输入MCI型全桥直流变换器  18
    1.3.4 双输入DVPI+MIC双半桥变换器  18-19
  1.4 本论文研究意义和主要工作  19-21
第2章质子交换膜燃料电池延迟特性研究  21-40
  2.1 工作原理  21-22
  2.2 极化现象研究  22-27
    2.2.1 电压-电流特性曲线  22-24
    2.2.2 活化极化  24-25
    2.2.3 欧姆极化  25-26
    2.2.4 浓差极化  26-27
  2.3 延迟特性分析  27-29
  2.4 质子交换膜燃料电池延迟特性实验  29-39
    2.4.1 实验制备  29-31
    2.4.2 安装与连接  31-33
    2.4.3 极化曲线测绘实验  33-35
    2.4.4 空载和带负载冷启动实验  35-37
    2.4.5 负载阶跃变化实验  37-39
  2.5 小结  39-40
第3章双输入降压直流变换器  40-55
  3.1 多输入降压直流变换器原理  40-45
  3.2 双输入降压直流变换器的设计  45-54
    3.2.1 电路拓扑结构设计  45-46
    3.2.2 开关控制模式设计  46-48
    3.2.3 电路工作原理  48-51
    3.2.4 状态空间方程的推导  51-54
  3.3 小结  54-55
第4章燃料电池-蓄电池混合供电系统能量管理策略  55-80
  4.1 总体设计构架  55-56
  4.2 能量管理策略的设计  56-62
  4.3 闭环反馈控制设计整体方案  62-65
  4.4 调节器参数设计  65-74
    4.4.1 双输入降压直流变换器小信号数学模型  65-68
    4.4.2 系统小信号数学模型  68-70
    4.4.3 调节器参数设计  70-74
  4.5 控制器运行程序开发  74-78
    4.5.1 DSP简介  74
    4.5.2 CCS简介  74
    4.5.3 C环境下的程序开发  74-78
  4.6 小结  78-80
第5章燃料电池-蓄电池混合供电系统原理样机的构造与实验  80-102
  5.1 原理样机的构造  80-93
    5.1.1 主电路元件参数的设计  80-82
    5.1.2 主电路板的构造  82-86
    5.1.3 辅助电路板的构造  86-93
  5.2 设备安装与实验运行步骤  93-95
  5.3 单模式运行实验  95-97
    5.3.1 FCOCL模式  95-96
    5.3.2 FCLN模式  96-97
    5.3.3 BPO模式  97
  5.4 综合运行实验  97-101
  5.5 小结  101-102
结论  102-104
致谢  104-105
参考文献  105-108
附录1  108-115
攻读硕士学位期间发表的学术论文  115

相似论文

质子交换膜燃料电池膜电极制备工艺的研究,TM911.4
质子交换膜燃料电池用Pt基催化剂的制备与性能研究,TM911.4
燃料电池不锈钢双极板及其实验和仿真,TM911.4
铂基掺铈载体薄膜电极制备及电化学性能研究,TM911.4
带超级电容的燃料电池电动汽车的优化配置和优化控制研究,U469.722
疏水粘结剂对CCM催化层电性能和耐久性的影响,TM911.4
质子交换膜燃料电池用炭纸的研制,TQ127.11
基于PEMFC的分布式并网发电系统设计,TM61
基于CoTETA/C氧还原的质子交换膜燃料电池膜电极制备工艺研究,TM911.4
Plug-In混合动力汽车能量管理策略研究,U469.7
氢能燃料电池电能变换技术研究,TM911.4
高温质子交换膜的研制,TM911.4
质子交换膜燃料电池催化剂的制备及表征,TM911.4
基于PIC的PEMFC控制器设计,TM911.4
燃料电池质子交换膜的合成与性能研究,TM911.4
单轴并联式混合动力汽车能量管理策略的研究,U469.7
集流板自增湿燃料电池技术研究,TM911.4
质子交换膜燃料电池内电流趋肤效应研究,TM911.4
质子交换膜燃料电池水气传输研究,TM911.4
纳米TiO_2表面化学修饰及其Nafion~（？）复合膜的制备与性能研究,TM911.4