摘要
燃料电池(Fuel Cell)是一种将化学燃料通过氧化还原反应转化为电能的装置，该装置具有能量转化效率高、比能量高、可靠性高、可利用燃料范围广、清洁无污染的优势得到了社会的广泛关注，而质子交换膜燃料电池(PEMFC)相较于其它燃料电池具有工作温度相对较低、功率密度相对较高、能量输出稳定、无污染等特性，已经逐步成为未来新能源汽车发展的最佳选择。 PEM燃料电池系统是一个复杂的非线性系统，为了保证PEM燃料电池输出性能的高效性和稳定性，需要对PEM燃料电池系统的各个组成部分进行有效地建模和控制。然而，现目前已有的关于PEM燃料电池的建模与控制策略的研究仅考虑到了单一变量或者单个子系统对于PEM燃料电池输出性能的影响，鲜有研究学者将PEM燃料电池系统中的阳极供氢系统中氢气的流量、压力、温度、湿度；阴极空气供应系统中氧气的流量、压力、温度、湿度；热管理系统中冷却水的流量和散热器风扇的风量对于电堆输出性能的影响进行综合考虑，来对PEM燃料电池的建模与控制进行研究。 本文针对PEM燃料电池的输出电压和工作温度的稳定性问题，利用质子交换膜(PEM)燃料电池及其子系统的内在机制关系和经验模型，基于Matlab/Simulink建立了一个可应用于控制研究的汽车质子交换膜(PEM)燃料电池的系统级动态模型。并利用实验数据与仿真数据对比的验证方法，确定了所搭建的Simulink仿真模型与工程实际之间的误差在±10%以内。 在验证了模型合理的基础之上，针对PEM燃料电池各组成部分(燃料电池电堆、阳极氢气供应系统、阴极空气供应系统、热管理系统)进行了独立的仿真分析。首先，探究了不同阳极氢气分压、阴极氧气分压、阴极压力、电堆温度、负载电流以及膜含水量对于电堆电压输出特性的影响。其次，探究了负载电流和流量控制阀输入信号对过氢比的影响以及负载电流和空压机转速对过氧比的影响。同时，探究了水泵转速、散热器风扇转速对冷却水温度和电堆温度的影响。仿真结果显示：电堆输出电压与阳极氢气分压、阴极氧气分压、电堆温度成正比关系；与阴极压力、负载电流成反比关系；而膜含水量在电流密度小于0.2 A/cm2时，对电堆输出电压的影响较大，在电流密度大于0.2 A/cm2之后，基本对电堆的输出电压无影响；阳极氢气供应系统中的过氢比与负载电流呈反比，与流量控制输入信号呈正比；阴极空气供应系统中的过氧比与负载电流呈反比，与空压机转速呈正比；冷却水温度与水泵转速呈正比，与散热器风扇转速呈反比，而且，相较于水泵转速，散热器风扇转速对于冷却水温度和电堆温度的影响更大。以此确定在控制器设计中，阴极氧气分压、电堆温度、负载电流为影响电堆输出电压的主要因素，且控制过氢比和控制过氧比为保证电堆输出电压稳定的关键；散热器风扇转速为影响电堆温度的主要因素。 最后，本文基于模型预测控制(Model Predictive Control)理论以及PID控制理论，分别设计了MPC控制器和PID控制器，实现了对PEM燃料电池系统中的过氢比、过氧比、冷却水流量、电堆温度的协同控制。并通过Matlab/Simulink分别针对MPC和PID控制器，对燃料电池集成系统的协同控制效果进行了独立仿真分析和综合对比分析。仿真结果显示：所设计的MPC和PID两种控制器均能有效地保证PEM燃料电池的输出电压的稳定和PEM燃料电池工作温度的稳定，但是相较于PID控制器，PEM燃料电池在MPC控制器的作用下，其系统的响应特性具有更快的响应速度、更小的超调量以及更小的静态误差。
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