摘要
在节能减排、保护环境的时代背景下，全球碳中和已达成共识。自我国明确提出“碳中和”、“碳达峰”战略目标后，加快新能源汽车发展已成为我国贯彻落实“双碳”目标的重要路径。其中，氢燃料电池汽车凭借清洁、高效、可靠等优势，逐步成为我国新能源汽车战略的重要组成部分。随着质子交换膜燃料电池（PEMFC）技术的不断发展，PEMFC电堆系统正逐步成为燃料电池汽车领域中备受推崇的优选方案。然而，由于其特有的工作机制，在电堆内部的电化学反应过程中，会发生频繁的传质传热过程，进而导致堆内水热状态的变化。探究质子交换膜燃料电池堆内的水热传递机理、寻找不同负载下的最佳温湿度操作条件、制定适用于PEMFC水热管理的控制策略，是推动我国燃料电池汽车产业化推广、促进我国新能源汽车创新驱动发展的关键技术路径。 本文依托吉林省重大科技专项“燃料电池发动机集成与控制关键技术开发”，围绕PEMFC输出性能提升与水热管理系统的快速响应两大问题开展研究工作。首先，搭建完整的质子交换膜燃料电池系统仿真模型，为后续的输出特性分析及其水热管理奠定模型基础；其次，探究不同操作条件对PEMFC输出性能的影响，寻求不同负载下对应的最佳操作参数，为后续水热管理控制提供参考目标；最后，针对于PEMFC水热管理系统的动态响应能力与高精度控制问题，分别建立基于模型预测控制（MPC）与模糊自抗扰控制（Fuzzy-ADRC）的控制架构，在保证PEMFC温、湿度精确控制的前提下，有效地提升了PEMFC的输出性能，同时降低了冷却系统关键部件的寄生损耗，进一步提升系统的整体能效。本文的主要研究内容如下： （1）质子交换膜燃料电池系统建模。基于PEMFC系统电化学反应、质子传导、气体扩散与水热传导机理分析，利用MATLAB/Simulink软件搭建了完整的PEMFC系统仿真模型，并基于实验数据验证了模型的准确性和可靠性，为后续的特性分析与水热管理控制策略开发奠定模型基础。 （2）分析操作条件对PEMFC输出性能的影响。基于PEMFC系统模型，从系统过氧比、运行压力、阴阳极压力差、温度、湿度共五个操作参数出发，利用仿真手段探究不同操作条件对PEMFC输出性能的影响，得到不同负载下对应的最优操作参数，为后续的PEMFC水热管理控制策略开发提供参考目标。 （3）构建基于模型预测控制的PEMFC热管理控制策略。针对100kW级PEMFC电堆的温度控制研究，首先对燃料电池冷却系统关键部件进行选型匹配，基于GT-SUITEamp;nbsp;平台搭建高精度PEMFC热管理系统仿真模型；其次，基于GT-SUITE/Simulink联合仿真平台实现MPC温度控制策略的实施。仿真结果表明，在温度平衡状态下，30~80%负载阶跃输入条件下，基于MPC控制的电堆温度波动范围≤5℃；在NEDC工况输入下，MPC控制器可根据PEMFC电堆负载变化提前做出响应，避免了冷却系统迟滞与超调弊端，同时降低了冷却系统关键部件的寄生损耗，有效提升了PEMFC系统的输出性能与能源利用效率。 （4）构建基于自抗扰控制的PEMFC水管理控制策略。针对PEMFC的湿度控制研究，本文将自抗扰控制（ADRC）引入水管理当中。仿真结果显示，在阶跃负载扰动下，ADRC展示出了精确的跟踪能力与高鲁棒性，有效地提升了PEMFC的输出性能。此外，为克服ADRC离线参数整定的局限性，本文提出一种基于模糊控制器的ADRC在线参数自整定控制，依据分离原则，对扩张状态观测器（ESO）与非线性状态误差反馈控制率（NLESF）模块分别设计模糊控制器。结果表明，在大范围阶跃负载变化下，模糊参数自整定ADRC（Fuzzy-ADRC）展示出更优的控制性能，在系统受到干扰下，Fuzzy-ADRC能够相应调节控制器参数，提升了系统的控制品质。 综上，本文建立了一套完整且面向控制的一维质子交换膜燃料电池系统仿真模型，并基于仿真分析结果，得到不同负载条件下的最佳温度和湿度操作参数，并作为后续水热管理控制的目标。此外，我们分别引入了基于MPC的热管理控制与基于模糊自整定ADRC的水管理控制策略，实现了对温度和湿度的高精度控制和快速响应，为提升PEMFC系统的输出性能以及实现高效的水热管理提供了一种可行的技术路径。
NETL