摘要
由传统化石燃料引发的全球环境污染是当前世界各国面临的主要问题，为了解决这个日益严峻的问题，新能源产业在各个国家政府的大力支持下迅猛发展。氢能，作为一种可以代替化石燃料的清洁能源，已经受到了越来越广泛的关注。质子交换膜燃料电池作为其中一种利用氢能的装置，具有高效率、低工作温度、低噪声等显著优点，应用前景十分广阔。燃料电池电堆由许多子系统组成，其中包括热管理子系统、水管理子系统、空气供应子系统等，其中，空气供应系统承担着向电堆输送反应物的重要功能。因此，本文围绕着燃料电池电堆建模与空气供应系统控制，完成了以下几方面的研究： （1）离心式空压机建模：传统空压机建模大多采用查表法，为了有效提高建模准确性，本文提出了一种离心式空压机参数辨识模型。根据空压机运行曲线，通过自适应遗传算法对Moore-Greitzer动态模型进行参数辨识，最终建立了离心式空压机参数辨识模型。并通过Matlab仿真实验，验证了其精确性。 （2）燃料电池系统建模与分析：针对燃料电池电堆各子系统的不同运行原理，运用物料守恒定律、电化学反应原理等理论，分别对它们进行理论分析，并在Matlab/Simulink中搭建了电堆系统整体模型。此外，还对影响电堆运行的外部条件进行了仿真分析，证明了空压机驱动电压对阴极氧气过量比有直接作用，需要通过控制器进行调节。 （3）燃料电池仿真软件设计：为了便于对燃料电池系统进行仿真分析，使用Matlabappdesigner开发了一个简单的燃料电池仿真软件，然而其界面不够美观，运行速度较慢。因此，采用Simulink与NIVeristand联合仿真，并基于Veristand开发了界面美观、运行速度快的燃料电池仿真软件。 （4）控制策略的设计与验证：目前主要的空气供应系统控制算法都属于单环控制，本文充分考虑到空气供应系统为相对阶为2的非线性系统，创新性的设计了一种基于二阶自抗扰控制与二阶滑膜控制的级联控制策略。与其他传统控制策略的仿真对比证实，所设计的级联控制器的动态响应速度更快，稳态误差更小，抗干扰性更强，并且能够很好的改善电堆网侧输出功率。
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