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AUV燃蓄混合电池功率适配与协调控制研究

作　者: 吴越媛
导　师: 严浙平
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: AUV 闭式循环燃料电池系统协调功率适配
分类号: TM912
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

针对用蓄电池作为能供系统的水下无人潜航器(AUV)经常需要回到母船或岸基进行充电,不能够实现长期水下航行的问题,对燃料电池AUV的结构和硬件构成做了详细的分析,提出并设计了一种适用于AUV的新能源系统——闭式循环燃料电池系统,此系统具有低噪声、液态水量变化不引起AUV姿态变化、在AUV排水量不变的情况下提高其水下续航能力等优点。本文研究的燃料电池系统需要在AUV内部这个特殊的环境下工作,由于该密闭空间内没有空气,所以本文选用纯氢／纯氧燃料电池,并将一般的在开放环境下工作的燃料电池系统改进为闭式循环燃料电池系统。针对闭式循环燃料电池系统给出了具体的控制方案,运用SIMENS 300 PLC作为控制器的核心,为整个控制系统搭建了一个稳定性强的硬件平台。根据实际情况为燃料电池系统、辅助能源系统、AUV推进系统和DC/DC转换器建立数学模型,每个模型的输入输出能够相互衔接,为之后章节的进一步研究打好基础。本文研究燃料电池与AUV之间的功率匹配。为了实现闭式循环燃料电池系统与AUV输出功率匹配控制,依据燃料电池的化学、热工流体等特性建立了其数学模型,通过仿真实验分析得到了影响质子交换膜燃料电池(PEM FC)输出电压的主要因素。提出一种基于BP算法和模糊规则的功率匹配控制策略。仿真实验结果表明,闭式循环燃料电池及其控制系统能满足与AUV推进功率匹配的要求。本文还研究了燃料经济性,燃料电池AUV每次接受作业任务之前需要预算携带的氢气质量和氧气质量。本文进一步研究燃蓄混合电池与AUV之间的功率匹配,提出一种基于模糊控制的功率协调分配策略。协调考虑AUV的工作模式、AUV的功率需求和蓄电池的剩余电量,控制燃料电池系统的输出功率和蓄电池的输出功率,做到与AUV的功率需求相匹配。仿真实验结果表明,协调功率分配策略能满足与AUV推进功率匹配的要求,为下一步的实验系统研制奠定了基础。本文将燃料电池和蓄电池进行比较,得到针对AUV不同的作业任务选取不同的电池系统的结论。闭式循环燃料电池系统将成为AUV的AIP新能源系统,增强AUV的续航能力。本文所提出的功率匹配策略都经过了仿真验证,能够满足AUV的技术指标,基本形成了具有自主知识产权的燃料电池AUV的雏形。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-10
第一章绪论  10-20
  1.1 引言  10-11
  1.2 课题研究意义及来源  11-13
    1.2.1 课题研究意义  11-12
    1.2.2 课题来源  12-13
  1.3 国内外发展现状  13-19
    1.3.1 燃料电池AUV国内发展  13-14
    1.3.2 燃料电池AUV国外发展  14-19
  1.4 本文主要研究内容  19-20
第二章闭式循环燃料电池系统和AUV动力系统  20-34
  2.1 闭式循环燃料电池系统  20-22
    2.1.1 闭式循环燃料电池  20-21
    2.1.2 闭式循环燃料电池特点  21-22
  2.2 闭式循环燃料电池控制系统  22-30
    2.2.1 控制系统简介  22-24
    2.2.2 初始化程序  24-25
    2.2.3 吹扫回路  25
    2.2.4 氧气回路  25-26
    2.2.5 氢气回路  26-27
    2.2.6 循环水回路  27-28
    2.2.7 结束程序  28-29
    2.2.8 Siemens300 PLC的PID控制算法  29-30
  2.3 燃料电池AUV动力推进系统  30-33
    2.3.1 燃料电池系统内部工作过程  31
    2.3.2 燃料电池AUV动力系统结构优化设计  31-33
  2.4 本章小结  33-34
第三章燃蓄混合电池系统仿真模型  34-49
  3.1 仿真模型介绍  34-35
  3.2 闭式循环燃料电池数学模型  35-40
    3.2.1 燃料电池电堆模型  35
    3.2.2 系统外围辅助子系统模型  35-38
    3.2.3 燃料电池系统仿真模型分析  38-40
  3.3 AUV推进系统模型  40-43
    3.3.1 AUV推进系统介绍  40-41
    3.3.2 AUV速度和推力的关系  41-42
    3.3.3 AUV推力与总消耗电流的关系  42-43
    3.3.4 AUV推进系统模型  43
  3.4 蓄电池模型  43-47
    3.4.1 蓄电池模型介绍  43-44
    3.4.2 蓄电池模型仿真分析  44-47
  3.5 boost型DC/DC转换器模型  47
  3.6 本章小结  47-49
第四章 AUV燃料电池系统与推进功率匹配  49-58
  4.1 闭式循环燃料电池系统与推进功率匹配控制策略  49-53
    4.1.1 BP算法调节电压  50-51
    4.1.2 模糊规则调节气体压力  51-53
  4.2 功率匹配控制策略仿真结果分析  53-54
  4.3 燃料经济性计算  54-57
    4.3.1 电流法计算燃料经济性  55-56
    4.3.2 燃料经济性计算结果  56-57
  4.4 本章小结  57-58
第五章 AUV燃蓄混合电池协调功率匹配  58-73
  5.1 燃蓄混合电池AUV介绍  58-61
    5.1.1 串并联功率分配策略  59-60
    5.1.2 模糊控制协调功率分配策略  60-61
  5.2 燃蓄混合电池AUV协调功率匹配  61-65
    5.2.1 燃蓄混合电池AUV功率匹配  61-62
    5.2.2 燃蓄混合电池AUV功率协调  62-65
  5.3 协调功率适配策略仿真结果分析  65-68
  5.4 燃料电池和蓄电池的比较  68-72
    5.4.1 燃蓄电池比较介绍  68-69
    5.4.2 燃蓄电池比能量比较  69-72
    5.4.3 燃蓄电池密度比较  72
  5.5 本章小结  72-73
结论  73-74
参考文献  74-78
攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果  78-79
致谢  79

AUV燃蓄混合电池功率适配与协调控制研究

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