电动重卡氢燃料电池温度控制研究
这是一篇关于质子交换膜燃料电池,热管理系统,模型预测控制,神经网络,硬件在环仿真的论文, 主要内容为近些年,全球正处于能源和环境的双重危机中,这不仅制约了社会经济的发展,同时对人们的生活质量有一定影响。传统燃油汽车会破坏环境并且造成能源浪费,所以新能源汽车成为各国研究的重点。燃料电池汽车属于电动汽车,是属于质子交换膜燃料电池(PEMFC)利用电化学反应所生成能量作为主要动力来源驱动的汽车。PEMFC可以直接将化学能转化为电能,以氢气作为主要原料,最终产物只有水,对自然环境非常友好,具有广阔的应用前景。由于工作温度是影响质子交换膜燃料电池输出性能的关键参数之一,因此需要一个合理的温度控制策略来保证系统在复杂的变载情况下工作温度的稳定,这样一方面能够提高质子交换膜燃料电池的输出性能,提高汽车的动力性能,另一方面可以使燃料电池的使用寿命增加。本文就模型预测控制在温度控制方面的不足对PEMFC建模及温度控制策略进行以下几方面进行研究:(1)分析国内外对质子交换膜燃料电池系统建模和热管理系统建模的研究现状,根据其工作原理,在MATLAB/Simulink中建立了稳态电压模型、动态电压模型和热管理系统模型。通过实验数据和仿真数据的对比,误差在允许范围内即验证模型的可行性。随后分析了不同进气压力、工作温度、冷却水流量、空气流量、负载电流对燃料电池的温度及输出电压、功率及效率的影响。(2)仿真分析模型预测控制对质子交换膜燃料电池温度的控制效果,通过分析电池温度曲线的走势,得出模型预测控制对燃料电池温度控制的不足之处,随后针对现有模型预测控制存在的问题,对其进行优化改进,随后提出基于神经网络参数整定的模型预测控制的新型温度控制策略,详细阐述了其对质子交换膜燃料电池温度的控制原理,通过对比分析PID控制,模型预测控制,基于神经网络参数整定的模型预测控制这三种控制策略的仿真结果,分析新型温度控制策略对燃料电池热管理系统的改进之处。(3)搭建基于西门子S7-1200控制器的PEMFC热管理系统操作平台,根据热管理系统的需求选择控制器和HMI设备的型号,随后通过OPC技术建立MATLAB/Simulink与控制器S7-1200的通讯,设计质子交换膜燃料电池热管理系统操作平台界面,通过界面可以设置参数,观察电池的温度变化趋势。并为实际质子交换膜燃料电池热管理系统测试平台的实验提供了参考方案。
铝空气燃料电池低温启动与温度控制策略研究
这是一篇关于铝空气电池,低温加热,变论域模糊控制,热管理系统的论文, 主要内容为铝空气燃料电池作为新型清洁能源之一,具有储能密度大、原料丰富、制作成本低的特点,并且能够通过更换铝板电极与电解液进行快速充电,有极大的发展前景。然而,目前铝空气燃料电池放电性能受温度影响较大是阻碍其大规模应用的技术难题之一。主要表现为铝空气燃料电池在低温环境中难以启动、无法有效带动负载,影响电池在寒冷地区的使用。同时铝空气燃料电池在正常工作过程中又存在发热严重的问题,若无法及时散热,会造成电池防水膜破裂,电解液渗漏,并且也会加速铝阳极的消耗,影响电池寿命。因此对铝空气燃料电池低温启动以及温度控制的研究具有重要意义。本文主要内容如下:(1)本文以20W铝空气燃料电池为研究对象,首先从电解液性质、电解液电导率、电池开路电压三个方面分析低温环境对铝空气燃料电池特性的影响。根据实验结果,在-10℃条件下,选用浓度为7mol/L的KOH电解液。在-10℃～10℃范围内,电池开路电压随温度升高而增大。根据铝空气燃料电池功能和使用要求,对热管理系统进行了方案设计。(2)为了准确反应电池动态特性变化,利用含遗忘因子的最小二乘法对铝空气燃料电池进行参数辨识,获取了不同温度下电池等效模型参数,根据电池温升公式,在Matlab/Simulink中搭建温度仿真模型。设计了脉冲直流以及LC串联谐振两种内部自加热电路,并在Matlab/Simulink中搭建电路仿真模型,结合电池温升模型,进行了加热仿真分析。仿真结果表明两种加热电路的有效性。(3)为了验证低温环境中加热电路的有效性,设计并搭建了铝空气燃料电池硬件实验平台。根据两种加热电路原理,制作脉冲加热电路板以及LC加热电路板。在-10℃环境进行加热实验,脉冲直流加热实验结果表明,电池加热效率与脉冲占空比呈正相关,在10Hz～2000Hz区间,施加频率为500Hz时,电池温升速率为0.99℃/min。LC串联谐振电路加热实验结果表明施加谐振频率1592Hz时,电池温升速率为0.46℃/min。实验结果表明所设计的两种电路在低温环境下具有明显的加热效果。(4)为解决铝空气电池正常工作时产生的热量不易散发的问题,研究了温度控制算法:提出了双模糊控制器的变论域模糊控制算法,利用温度误差e以及温度误差变化ec作为系统输入,主模糊控制器控制参数u表示风扇转速,伸缩因子模糊控制器输出f1、f2、f3三个伸缩因子。在Matlab/Simulink中搭建算法控制模型,利用OPC(OLE for Process Control)技术和实际电池温度系统进行半实物仿真实验。实验结果表明,变论域模糊控制系统相比普通模糊控制系统,温度控制效果更加精确稳定。
基于PA/OBC/EG定形复合相变材料的锂离子电池热管理研究
这是一篇关于高导热性,定形复合相变材料,锂离子电池,热管理系统,数值仿真的论文, 主要内容为锂离子电池作为一种新型储能技术受到越来越多的关注。但是,锂离子电池对温度十分敏感。锂离子电池工作时内部发生化学反应产生大量的热量,高温严重损害电池的容量、寿命和安全性。因此,应实施高效的热管理系统来控制锂离子电池的温度。相变材料(PCM)是一种热储存介质,相变过程能吸收或释放大量潜热而维持温度在相变熔点附近恒定不变。利用相变材料可以有效控制电池的温度。但是相变材料的热导率低、相变过程易泄漏、传统定形相变材料的柔韧性差,严重阻碍相变材料在电池热管理系统的实际应用。因此,研究适用于电池热管理的新型相变材料及其热性能具有重要的现实意义和工程应用价值。本研究以石蜡(PA)为相变材料,烯烃嵌段共聚物(OBC)为封装定形材料,膨胀石墨(EG)为导热增强材料,采用熔融共混法制备了PA/OBC/EG高热导定形复合相变材料,研究不同材料组成比例对定形复合相变材料的潜热、形状稳定性和导热系数的影响。通过搭建定形复合相变材料电池热管理系统实验平台,研究膨胀石墨对定形复合相变材料热控性能的影响。基于锂离子电池的产热模型和相变材料的传热理论,采用仿真软件COMSOL Multiphysics进一步研究了相变材料的设计参数对电池热管理性能的影响,包括相变材料的热导率、相变温度、潜热、厚度、表面换热系数。研究结果可以为基于相变材料电池热管理系统的优化设计提供理论依据和指导。研究结果表明:(1)随着定形复合相变材料中OBC质量分数的增加,定形复合相变材料的相变潜热减小。OBC的质量分数超过20%,定形复合相变材料泄漏率可保持在0.5%以下。定形复合相变材料的导热系数随着EG质量分数的增加而提高,EG质量分数为3%时定形复合相变材料导热系数是不添加EG时的5.6倍。(2)定形复合相变材料具有良好的热控性能。提高定形复合相变材料的热导率不仅可以延长控温时间、降低电池表面温度,还可以改善电池温度均匀性。(3)锂离子电池以3C倍率放电时,相变热控技术比自然对流散热的温控效果更好。相变温度为43℃左右的相变材料具有最佳的电池热管理性能。提高相变材料的导热系数、相变潜热、厚度和表面换热系数可改善电池热管理性能。
线性二次型调节器电池热管理系统性能研究
这是一篇关于锂电池组,LQR控制,热管理系统,液冷,SOC的论文, 主要内容为由于传统能源日益减少、环境污染日趋严重,新能源汽车的发展有效促进了汽车的节能减排,有助于降低环境污染和碳排放。在新能源汽车中,锂电池作为储能单元的电动汽车(EV)正在快速发展。与其他类型的电池相比,锂电池因其功率密度高、寿命长、自放电率低、成本低等优点,得到了广泛的应用。随着EV对快充需求的不断提高,电池在快充时,由于大功率、大电流的影响使得产热量迅速升高,如果电池温度控制不当,会导致电池性能下降,寿命缩短,甚至造成燃烧或爆炸等安全事故。锂电池在快充条件下的实时控制已成为EV发展急待解决的核心问题之一。因此,本文提出了一种基于线性二次型调节器(LQR)的控制方法对液冷冷却的锂离子电池组热管理系统进行优化控制。主要内容包括:(1)根据锂电池的电化学反应方程,阐述了锂电池充放电的工作原理,并由Bernadi提出的电池产热方程计算了电池的生热速率。通过脉冲功率试验法分别测得锂电池在不同快充倍率和放电倍率下的电池内阻。结果表明,提高充放电倍率对电池内阻的影响不大,18650锂电池的内阻变化范围为21 mΩ～30 mΩ。(2)在对电池单体高倍率快充条件下的自然对流产热情况研究的基础上,通过Amesim平台搭建了18650锂电池组热管理系统,对电池进行散热仿真和SOC估算,分析了不同流速对电池组的最高温度、温差以及SOC的影响。结果表明,随着流速的提高,电池组的最高温度有所降低,电池组的温差会减小,电池组的平均SOC有所提高。(3)介绍了LQR控制算法的原理及设计方法,比较分析了LQR、PID、模糊PID和恒流速控制下的电池组热管理能力。在3C充电NEDC放电工况下,对比分析了四种控制器对电池组热管理系统的最大温差、最高温度、响应时间以及电池组SOC的影响。结果表明:LQR控制器在电池组液冷管道反向布置时,电池组温差最小,响应速度最快,电池组的SOC最高。(4)设计了锂电池组的参数硬件在环检测电路,设计上位机检测系统与下位机数据采集模块,并实现了上下位机的通信,通过实验实现了不同充电倍率及不同标准工况下的电压、电流及温度数据的实时采集,验证了LQR算法输入参数的准确性及控制有效性。
动力电池液冷系统的模型预测控制方法研究
这是一篇关于锂离子电池,分布参数热阻模型,热管理系统,模型预测控制的论文, 主要内容为近年来,在锂离子电池技术和产业均在不停进步的同时,锂离子电池的容量、寿命和安全性也受到越来越多的重视。而这些性能指标均与电池的工作温度密切相关。为了在保证电池热安全性的前提下充分发挥电池的性能,需要电池热管理系统控制电池组的最高温度在安全的温度范围之内。由于电池系统的温度响应很慢,如果不能提前对电池系统的温度进行调节,就会使温度过高带来安全问题。为了解决电池系统的温度控制问题,本文的工作围绕建立电池温度预测模型,并依据此模型制定非线性模型预测控制策略展开工作,具体工作内容如下。首先,针对预测电池温度的需求,本文建立一种分布参数热阻模型来快速精确地预测电池温度。将电池热管理系统分为电池本体和散热系统两部分,先基于有限元理论将电池本体划分成多个节点,根据导热公式和对流散热公式建立所有节点的传热方程组,将其对时间进行离散化并提取出系数矩阵,建立矩阵形式的状态空间方程;再用有限元仿真软件对电池热管理系统在不同入口流速下进行仿真来获取状态空间方程所需的热阻数据,从而替代了电池外部散热环境对电池的作用效果。其次,为了实现电池的温度控制,基于已建立的状态空间方程推导出非线性模型预测控制的开环公式;再根据实际的能耗需求,水泵条件,温差和温升指标建立模型的软约束和硬约束条件,从而建立出模型预测控制的目标函数;最后采用粒子群算法求解目标函数的优化问题所需的控制输入。并且在MATLAB上搭建电池系统温度控制的软件仿真平台来完成电池液冷系统的模型预测控制的仿真工作。最后,将所建立的温度非线性模型预测控制算法在板卡上进行嵌入式设计,并建立电池液冷系统硬件平台,最后通过实验验证在单变量系统和多变量系统中电池温度控制策略有效性。与PID控制实验的结果比较表明,本文所设计的温度控制策略能够有效地将电池组放电过程中的最高温度限制在给定温度以下。
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