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微型燃料电池混合动力系统的控制研究与实现

作　者: 王雷
导　师: 曾洁
学　校: 大连交通大学
专　业: 交通信息工程及控制
关键词: 直接甲醇燃料电池超级电容混合动力
分类号: TM911.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

随着现代社会对能源的大量消耗,传统能源越来越不能满足人类的需求,特别是在提出可持续发展战略和环境保护的今天,人类对新能源的开发和利用成为极其重要的话题。其中燃料电池就是一种转换效率高且环境友好的新能源,其机理是利用燃料与空气中的氧进行化学反应,在产生电流的同时生成水和二氧化碳。在野外无电力的环境中,燃料电池作为一种高效清洁的发电装置,是野外电源的一种最佳选择。因此在国防、电力、汽车、移动式电源、潜艇、航空航天技术等方面有着广阔的应用前景。本文从一种便携式燃料电池发电装置的控制展开,研究如何控制二次电源装置与燃料电池电堆的动力混合。系统中微型燃料电池(直接甲醇燃料电池)的输出电压是由燃料(甲醇)的浓度、流量及其电池的工作温度等参数共同决定,所以输出电压不稳定,通过控制这些参数虽然能使输出电压稳定一些,但是也很难达到实际应用要求。此时就需要二次电源装置来协助燃料电池供电,系统的二次辅佐电源装置采用超级电容。燃料电池先给超级电容充电,在超级电容内部存储电量到达一定指标后,再由超级电容向外部用电设备放电,当超级电容电量不足时再由燃料电池对超级电容充电,如此反复可使输出电压稳定到一定的范围内,保证用电设备正常工作。与此同时,为了能够方便用户实时监控混合动力系统的状态参数,开发了一套上位机监控软件以配合系统工作,在系统运行过程中,将整个混合动力系统的工作参数传送到上位机,使用者可以实时掌握系统的工作状态,为能量优化分配控制策略提供依据,并可以根据需要保存这些工作状态参数。最后,对此燃料电池混合动力系统进行了测试,测试结果表明,此系统可以为小功率用电设备长时间供电。系统燃料(甲醇)取之容易,体积小,便于携带,环保,是一种非常有前景的新能源装置。该课题的研究对我国在新能源技术的开发利用上具有非常重要的意义。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-10
绪论  10-11
第一章微型燃料电池介绍  11-16
  1.1 论文选题背景及意义  11-12
  1.2 论文系统简介  12-14
    1.2.1 微型燃料电池简介  12-13
    1.2.2 混合动力控制系统简介及系统总体目标  13-14
  1.3 课题研究现状  14-15
    1.3.1 国内研究现状  14
    1.3.2 国外研究现状  14-15
  1.4 论文结构安排  15
  本章小结  15-16
第二章燃料电池混合动力控制系统的设计  16-34
  2.1 燃料电池混合动力控制系统的组成  16
    2.1.1 混合动力控制系统基本原理  16
    2.1.2 混合动力控制系统的特点  16
  2.2 系统硬件电路设计  16-25
    2.2.1 系统硬件电路总体设计  16-17
    2.2.2 MCU 最小系统电路设计  17-18
    2.2.3 电源电路设计  18-20
    2.2.4 模拟信号数据采集电路设计  20
    2.2.5 电流检测电路设计  20-21
    2.2.6 浓度检测电路设计  21-22
    2.2.7 水位监测电路设计  22-23
    2.2.8 温度监测电路设计  23
    2.2.9 电机、电磁阀和继电器驱动电路设计及抗电磁干扰措施  23-24
    2.2.10 多动力源的切换电路设计  24-25
  2.3 系统软件设计  25-33
    2.3.1 软件总体流程  26-29
      2.3.1.1 升温阶段  27-28
      2.3.1.2 超级电容充电阶段  28-29
      2.3.1.3 系统放电阶段  29
    2.3.2 浓度管理子程序  29-30
    2.3.3 水热管理子程序  30-31
    2.3.4 数据采集和报警子程序  31-33
    2.3.5 停机中断子程序  33
  本章小结  33-34
第三章混合动力系统电池电压巡检电路设计  34-38
  3.1 电池电压巡检电路构成及工作过程  34-35
  3.2 电压检测系统电路设计  35-37
    3.2.1 电压取样及测量电路的设计  35-36
    3.2.2 液晶显示器接口及故障报警电路设计  36-37
  本章小结  37-38
第四章上位机监控系统设计  38-48
  4.1 上位机监控系统功能要求  38-39
  4.2 上位机监控系统与微控制器通信方式选择  39-40
  4.3 上位机监控系统设计  40-47
    4.3.1 通信模块硬件设计  40
    4.3.2 上位机和微控制器的通信协议设计  40-41
    4.3.3 上位机监控界面设计  41-47
      4.3.3.1 燃料电池混合动力监控系统界面设计  42-45
      4.3.3.2 电池电压巡检监控系统界面设计  45-47
  本章小结  47-48
第五章混合动力系统的实验验证  48-55
  5.1 试验方法设计  48-50
    5.1.1 控制系统在开发过程中的试验方法  48-49
    5.1.2 控制系统在实际电堆中的试验方法及步骤  49-50
  5.2 控制系统试验的结果分析  50-54
  本章小结  54-55
结论  55-57
参考文献  57-59
附录A 微控制器端软件程序  59-71
攻读硕士学位期间发表的学术论文  71-72
致谢  72-73

微型燃料电池混合动力系统的控制研究与实现

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