摘要
能源是提高人民生活质量以及推动社会经济进步发展的重要物质基础。随着当前世界经济的快速发展以及能源消耗日益增多，化石能源剩余量已经越来越少，能源价格涨势迅猛上升至历史新高点。但是使用传统能源带来的温室效应和环境污染等问题日益严重，制约了社会经济健康发展。世界各国在环保且可再生的新能源方向展开了大量研究与应用，例如太阳能、氢能、风能等新能源普及应用。而质子交换膜（Polymer Electrolyte Membrane,PEM）燃料电池因其有高利用率，排放零污染和低工作温度等特点而被认为是未来电动汽车的能源之一。 完整的车载PEM燃料电池系统是由3个子系统组成，分别为空气供给子系统，氢供给子系统，温湿度管理子系统。其中，空气供给系统的稳定快速控制对于系统性能来说是非常重要的。考虑到燃料电池输出电压低于负载需求电压，并且易受负载电流影响，需要使用升压型DC/DC转换器来进行电压调节。本文以车载PEM燃料电池空气供给系统和升压型DC/DC转换器为研究对象，针对车载PEM燃料电池空气供给系统实际运行过程中存在的问题，进行了以下研究工作： 首先，介绍了车载PEM燃料电池系统的研究背景及意义，并分析与总结了车载PEM燃料电池空气供给系统建模与控制算法的国内外研究现状。 其次，分析车载PEM燃料电池空气供给系统各组成部分工作机理，在假设条件下，建立了面向控制的车载PEM燃料电池空气供给系统多输入多输出非线性模型，并和系统级Pukrushpan九阶模型进行比较验证模型。空气供给系统在长时间运行过程中参数存在不确定性，基于建立的四阶模型设计微分观测器来对电堆阴极压力进行观测，验证该观测器能够抵抗系统不确定性，并有效观测电堆阴极压力。 然后，考虑到面向控制的空气供给系统具有高程度非线性、耦合性强、参数的不确定性大等特点，设计了反馈线性化控制器与鲁棒补偿器结合构成的非线性系统鲁棒控制器。将非线性的耦合模型转换成两个已解耦的线性模型，通过非线性系统鲁棒控制器方法对空气压缩机控制电压与节气门开度进行控制，实现稳定并快速跟随期望的过氧比和阴极电堆压力。通过MATLAB/Simulink仿真验证了非线性系统鲁棒控制的有效性。 最后，针对车载PEM燃料电池系统输出电压特性较软，升压型DC/DC转换器系统采用前馈加反馈控制使得燃料电池系统电压调节至负载需求的电压常值。整合DC/DC转换器子系统和车载PEM燃料电池空气供给子系统，采取分布式控制结构，仿真实验表明燃料电池独立提供负载需求功率的控制性能良好。
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