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燃料電池系統(tǒng)設計、集成與控制技術 版權信息
- ISBN：9787577215556
- 條形碼：9787577215556 ; 978-7-5772-1555-6
- 裝幀：平裝-膠訂
- 冊數(shù)：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
燃料電池系統(tǒng)設計、集成與控制技術 本書特色
《節(jié)能與新能源汽車關鍵技術研究叢書》聚焦國家節(jié)能減排和發(fā)展戰(zhàn)略性新興產業(yè)的需求，瞄準國際前沿科技，服務汽車產業(yè)轉型升級和國家經(jīng)濟建設。叢書由清華大學歐陽明高院士擔任主編；作者由包含國家杰青、*在內的國內外一流學者親自領銜執(zhí)筆，他們是國內外新能源汽車研究領域*高水平的代表，具有較高的權威性。著作內容為作者承擔國家重點研究項目成果的結晶，原創(chuàng)性強、學術水平高、體現(xiàn)自主知識產權。具有較高的學術價值、出版價值和產業(yè)應用價值。
燃料電池系統(tǒng)設計、集成與控制技術 內容簡介
本書闡述了質子交換膜燃料電池設計、集成與控制技術。首先介紹質子交換膜燃料電池的電壓性能相關的設計及運行參數(shù)，建立了電堆的穩(wěn)態(tài)及動態(tài)電壓模型，解析了面向動力系統(tǒng)應用的運行控制及管理需求。其次，分別介紹了空氣管理、氫氣管理、熱管理的設計需求、典型回路及控制目標，通過具體應用的實例化，闡述了相應管理子系統(tǒng)的運行控制方法。此外，探索了燃料電池的閉環(huán)水管理技術，基于交流阻抗的在線測量技術實現(xiàn)了電堆內部水狀態(tài)的快速辨識，設計了基于阻抗信息的水故障診斷及閉環(huán)管理策略。*后，從整車應用的角度介紹了氫電混合動力系統(tǒng)的功率管理技術。本書從運行的視角，闡述了質子交換膜燃料電池設計、集成與控制技術的基本方法，本書的基礎性很強，同時參考當前的燃料電池科學研究成果，具有一定的前沿性。本書可作為高等院校燃料電池專業(yè)或相關專業(yè)的本科生教材，也可作為致力于燃料電池系統(tǒng)設計的工程師、以燃料電池及動力系統(tǒng)為研究方向的在校研究生和教師的入門及進階讀物，還可以作為對質子交換膜燃料電池感興趣的設計人員的參考書籍。
燃料電池系統(tǒng)設計、集成與控制技術燃料電池系統(tǒng)設計、集成與控制技術 前言
在當今全球能源危機不斷深化、環(huán)境保護需求日益迫切的時代背景下，燃料電池作為一種高效、清潔、可持續(xù)的能源轉換技術，正逐漸成為新能源領域的研究熱點。燃料電池不僅具有能量密度高、排放物清潔、運行噪聲低等諸多優(yōu)點，而且在電力、交通、工業(yè)等領域具有廣闊的應用前景。本書旨在全面系統(tǒng)地介紹燃料電池系統(tǒng)的基本原理、設計方法、集成技術以及控制策略，通過對燃料電池系統(tǒng)的深入剖析，幫助讀者了解燃料電池的工作原理、系統(tǒng)構成及性能特點，掌握燃料電池系統(tǒng)的設計與集成方法，熟悉燃料電池系統(tǒng)的控制技術與優(yōu)化策略。本書是作者團隊多年來在燃料電池動力系統(tǒng)及測試裝備方面的科研與實踐工作的總結，內容涵蓋了燃料電池系統(tǒng)的各個關鍵方面，依托當前廣受關注的車用動力系統(tǒng)應用場景，從系統(tǒng)運行的角度探討了燃料電池系統(tǒng)的設計、集成與控制技術。第1章從我國能源消費和碳排放的現(xiàn)狀入手，闡述了氫能與燃料電池在未來低碳能源體系中的重要地位，介紹了質子交換膜燃料電池堆的基本組成及結構，簡述了與燃料電池堆設計相關的重點問題，并重點闡述了燃料電池系統(tǒng)的組成及各子系統(tǒng)的運行需求。第2章探討了燃料電池的運行原理，全面梳理了與燃料電池堆的輸出電壓特性相關的設計及運行參數(shù)，建立了燃料電池堆的穩(wěn)態(tài)及動態(tài)電壓模型。在此基礎上，討論了燃料電池動力系統(tǒng)的運行控制及管理的要點，介紹了一種基于阻抗信息反饋的閉環(huán)運行管理思路。第3章介紹了燃料電池動力系統(tǒng)的空氣管理技術，從工作點規(guī)劃和控制實施兩個層面介紹了燃料電池空氣管理子系統(tǒng)的具體實施方案。在工作點規(guī)劃層面，研究了一種基于過氧比和壓比二維優(yōu)化的系統(tǒng)效率優(yōu)化方法；在控制實施層面，分步驟詳細介紹了空氣流量和陰極壓力的解耦控制方法。第4章介紹了燃料電池動力系統(tǒng)的氫氣管理技術，以目前*常用的氫循環(huán)方案為例，在建立部件及回路特性數(shù)學模型的基礎上，介紹了燃料電池陽極入堆壓力控制和氫氣循環(huán)的調控策略。第5章介紹了燃料電池動力系統(tǒng)的熱管理技術，分析了燃料電池動力系統(tǒng)熱管理的設計需求、典型回路及部件特性，針對啟動和運行過程中溫度控制上的難點及不足，考慮溫度的滯后特性，主要研究了基于預測的溫度控制策略。第6章介紹了燃料電池動力系統(tǒng)的水管理技術，包括水狀態(tài)辨識及其閉環(huán)管理技術，重點介紹了基于單頻點阻抗相位角反饋的燃料電池含水量辨識方法，討論了該方法在水淹、膜干故障的提前診斷和閉環(huán)水管理方面的應用效果。第7章介紹了燃料電池動力系統(tǒng)的功率管理技術，以城市公交車為例，討論了氫電混合動力系統(tǒng)容量配置和功率分配策略。本書既可作為燃料電池領域的專業(yè)教材，供高等院校能源、電力、化工等相關專業(yè)師生使用，也可作為燃料電池研發(fā)、生產、應用等領域工程技術人員的參考書。通過本書的學習，讀者將全面了解燃料電池系統(tǒng)的相關知識，提升燃料電池系統(tǒng)的設計與應用能力，從而為推動我國燃料電池技術的發(fā)展做出貢獻。在本書撰寫過程中，我們力求做到內容準確、數(shù)據(jù)翔實、條理清晰、通俗易懂。同時，我們也參考了大量國內外相關文獻和資料，汲取了眾多專家的智慧和經(jīng)驗。然而，由于燃料電池技術發(fā)展迅速，新的研究成果和應用案例不斷涌現(xiàn)，也限于作者水平，書中難免存在疏漏和不足之處，我們真誠地希望廣大讀者能夠提出寶貴的意見和建議，以便我們不斷完善和更新本書內容。在本書撰寫過程中，電子科技大學自動化工程學院系統(tǒng)工程與智能裝備團隊的同事們對相關工作給予了大力支持。田維、吳智才、劉汝杰、廖真頡、鄧樂、周炳杰、吳林鴻、趙安、徐新杰、葛興毅、李靖、李瑞、韓成杰、高翔等研究生參與了本書相關資料的整理和撰寫工作，在此一并表示衷心的感謝。本書的研究工作得到了2021YFB2500500、2020YFB1506000、2018YFB 1502700等國家重點研發(fā)計劃項目的大力支持。在這些項目資金的有力保障下，氫燃料電池的研究工作得以穩(wěn)步推進、順利開展。*后，感謝所有為本書編寫及出版提供支持和幫助的同仁們，也感謝廣大讀者的厚愛與支持。愿本書能夠為燃料電池技術的發(fā)展和應用推廣貢獻一份力量。作者2024年5月
燃料電池系統(tǒng)設計、集成與控制技術 目錄
第1章燃料電池技術概述11.1燃料電池技術的發(fā)展背景11.1.1我國的能源消費與碳排放現(xiàn)狀11.1.2以氫能為載體的未來低碳能源體系71.2氫能與燃料電池技術簡介151.2.1質子交換膜燃料電池堆171.2.2質子交換膜燃料電池系統(tǒng)201.3燃料電池技術在交通領域中的應用251.3.1氫燃料電池動力系統(tǒng)的設計271.3.2氫燃料電池動力系統(tǒng)的運行需求301.4本書的編寫框架34本章小結35本章參考文獻36第2章燃料電池動力系統(tǒng)的運行控制分析382.1燃料電池堆的基本特性382.1.1燃料電池堆的工作過程382.1.2燃料電池堆的基本特性402.2燃料電池堆穩(wěn)態(tài)電壓模型422.2.1燃料電池開路電壓432.2.2活化損失442.2.3歐姆損失462.2.4濃度損失472.2.5電堆穩(wěn)態(tài)電壓模型492.3燃料電池堆動態(tài)電壓模型502.3.1燃料電池的動態(tài)電效應502.3.2燃料電池的等效電路模型522.4燃料電池動力系統(tǒng)的運行控制及管理582.4.1電堆操作條件探索方法592.4.2燃料電池動力系統(tǒng)開環(huán)運行管理方法632.4.3燃料電池系統(tǒng)閉環(huán)運行管理方法65本章小結73本章參考文獻73第3章燃料電池動力系統(tǒng)的空氣管理753.1燃料電池堆的空氣管理概述753.1.1空氣管理子系統(tǒng)的設計需求753.1.2空氣管理子系統(tǒng)的典型回路及部件763.1.3空氣管理子系統(tǒng)的調控技術843.2燃料電池空氣管理子系統(tǒng)部件建模863.2.1空壓機模型873.2.2供給管道模型933.2.3中冷器模型943.2.4加濕器模型943.2.5回流管道和節(jié)氣門模型963.3面向系統(tǒng)效率優(yōu)化的工作點規(guī)劃973.3.1空壓機的功耗模型973.3.2燃料電池堆的發(fā)電模型993.3.3面向效率優(yōu)化的工作點匹配1033.4空氣管理子系統(tǒng)的耦合特性分析1093.4.1開環(huán)響應特性測試1103.4.2激勵信號的選取與設計1113.4.3傳遞函數(shù)的辨識1133.4.4系統(tǒng)辨識結果及耦合特性分析1143.5空氣管理子系統(tǒng)調控策略設計1173.5.1前饋補償解耦控制策略1183.5.2空氣管理策略仿真分析119本章小結126本章參考文獻127第4章燃料電池動力系統(tǒng)的氫氣管理1324.1燃料電池堆的氫氣管理概述1324.1.1氫氣管理子系統(tǒng)的設計需求1324.1.2氫氣管理子系統(tǒng)的典型回路及部件1344.1.3氫氣管理子系統(tǒng)的調控技術1404.2燃料電池氫氣管理子系統(tǒng)部件建模1454.2.1比例閥模型1454.2.2氫泵模型1484.2.3排氣閥模型1554.2.4電堆氫耗模型1574.3燃料電池動力系統(tǒng)的氫氣管理策略1584.3.1入堆壓力控制策略1594.3.2氫泵調控策略166本章小結174本章參考文獻175第5章燃料電池動力系統(tǒng)的熱管理1785.1燃料電池堆的熱管理概述1785.1.1熱管理子系統(tǒng)的設計需求1785.1.2熱管理子系統(tǒng)的典型回路及部件1805.1.3熱管理子系統(tǒng)的調控技術1885.2燃料電池熱管理子系統(tǒng)部件及回路建模1935.2.1產熱模型1945.2.2散熱器模型1965.2.3冷卻液管路模型1995.2.4電加熱器模型2005.2.5水泵與電子節(jié)溫器模型2005.2.6系統(tǒng)散熱回路總體模型驗證2025.3燃料電池動力系統(tǒng)的熱管理策略2045.3.1模型預測控制算法基本原理2065.3.2啟動循環(huán)轉換階段的熱管理策略2085.3.3散熱階段的熱管理策略220本章小結228本章參考文獻229第6章燃料電池動力系統(tǒng)的水管理2346.1燃料電池堆的水管理概述2346.1.1水管理系統(tǒng)的設計需求2346.1.2水管理技術的研究現(xiàn)狀2386.1.3燃料電池水管理的總體思路2436.2燃料電池在線交流阻抗測量技術2446.2.1在線交流阻抗測量總體方案2446.2.2信號調理模塊的設計2486.2.3交流阻抗計算模塊的設計2546.2.4在線交流阻抗測量技術驗證2626.3基于交流阻抗的燃料電池水狀態(tài)辨識技術2646.3.1基于交流阻抗的燃料電池測試方案2656.3.2交流阻抗譜與運行狀態(tài)的相關性分析2686.3.3基于單頻點阻抗相位角的電堆含水量辨識2756.4燃料電池閉環(huán)水管理策略設計及應用驗證2806.4.1燃料電池閉環(huán)水管理策略2816.4.2燃料電池含水量調控策略驗證288本章小結301本章參考文獻301第7章燃料電池動力系統(tǒng)的功率管理3067.1燃料電池動力系統(tǒng)的功率管理概述3067.1.1功率管理子系統(tǒng)的設計需求3067.1.2功率管理子系統(tǒng)的典型回路及部件3137.1.3功率管理技術的研究現(xiàn)狀3157.2燃料電池動力系統(tǒng)的功率管理思路3187.2.1氫電混合動力系統(tǒng)的負載特性分析3187.2.2氫電混合動力系統(tǒng)的綜合運行評價3217.2.3功率管理的總體思路3257.3燃料電池動力系統(tǒng)的功率協(xié)調控制3267.3.1基于荷電狀態(tài)的功率協(xié)調控制策略研究3267.3.2基于實時小波分頻的功率協(xié)調控制策略研究3287.3.3基于粒子群算法的功率協(xié)調控制策略研究3357.3.4功率協(xié)調控制策略對比分析3427.4氫電混合動力系統(tǒng)的容量配置優(yōu)化3527.4.1基于粒子群算法的容量配置優(yōu)化方法3527.4.2不同配置容量的對比分析358本章小結365本章參考文獻366
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燃料電池系統(tǒng)設計、集成與控制技術 作者簡介
李凱從事新能源發(fā)電/儲能系統(tǒng)集成與控制相關的產品開發(fā)與基礎研究13年，取得如下成果：1）新能源發(fā)電系統(tǒng)集成控制：2019年研發(fā)了65kW燃料電池發(fā)動機，產品的功率等級和系統(tǒng)綜合效率達到國內領先，目前已通過上海機動車檢測中心的認證，搭載該型發(fā)動機的燃料電池客車已經(jīng)在蘇州市實現(xiàn)商業(yè)化運營。2009年研發(fā)的2MW風力發(fā)電控制系統(tǒng)，通過企業(yè)實現(xiàn)了產業(yè)化，已裝備數(shù)十個風電場，創(chuàng)造經(jīng)濟價值數(shù)億元，所研發(fā)的《風力發(fā)電有功功率控制系統(tǒng)》獲2012年四川省科技進步三等獎。2）多功能智能化測試系統(tǒng)：2017年至今研發(fā)了多款燃料電池測試平臺，功率等級覆蓋0.1kW~150kW，測試對象覆蓋電堆、附屬部件和發(fā)動機系統(tǒng)。研發(fā)的3kW及30kW燃料電池電堆測試平臺成為華昌能源的主打產品，并實現(xiàn)市場銷售。2010研發(fā)的某系列型號空壓機測控系統(tǒng)已穩(wěn)定運行10年，為國家新型飛行器動力系統(tǒng)的研發(fā)與測試持續(xù)服務。3）多能源集成功率控制與能量管理：2015年研發(fā)的10kW燃料電池多能互補備用電源系統(tǒng)，在四川德陽已穩(wěn)定運行五年。2009-2014年研發(fā)的200kW電動汽車直流充電系統(tǒng)、戶用風光儲一體化供電系統(tǒng)、100kW儲能逆變器等產品在大型中央企業(yè)實現(xiàn)了產品化，創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟效益。4）基礎研究與應用方面：作為負責人/科研骨干先后承擔了20余項科研項目，包括國家重點研發(fā)計劃《MW 級固體聚合物電解質電解水制氫技術》和《高環(huán)境適應性的公路客車燃料電池動力系統(tǒng)和整車集成技術》、國家自然科學基金《基于阻抗無源性重塑的變流器與電網(wǎng)交互諧振抑制理論與方法研究》、國家863計劃《長壽命交流燃料電池備用電源電堆及系統(tǒng)研發(fā)》、省科技支撐計劃《車用高性能燃料電池技術開發(fā)》等項目，累計承擔科研項目超過2000萬元。發(fā)表SCI/EI收錄學術論文30多篇，獲得國家發(fā)明專利30多項。
李凱從事新能源發(fā)電/儲能系統(tǒng)集成與控制相關的產品開發(fā)與基礎研究13年，取得如下成果：1）新能源發(fā)電系統(tǒng)集成控制：2019年研發(fā)了65kW燃料電池發(fā)動機，產品的功率等級和系統(tǒng)綜合效率達到國內領先，目前已通過上海機動車檢測中心的認證，搭載該型發(fā)動機的燃料電池客車已經(jīng)在蘇州市實現(xiàn)商業(yè)化運營。2009年研發(fā)的2MW風力發(fā)電控制系統(tǒng)，通過企業(yè)實現(xiàn)了產業(yè)化，已裝備數(shù)十個風電場，創(chuàng)造經(jīng)濟價值數(shù)億元，所研發(fā)的《風力發(fā)電有功功率控制系統(tǒng)》獲2012年四川省科技進步三等獎。2）多功能智能化測試系統(tǒng)：2017年至今研發(fā)了多款燃料電池測試平臺，功率等級覆蓋0.1kW~150kW，測試對象覆蓋電堆、附屬部件和發(fā)動機系統(tǒng)。研發(fā)的3kW及30kW燃料電池電堆測試平臺成為華昌能源的主打產品，并實現(xiàn)市場銷售。2010研發(fā)的某系列型號空壓機測控系統(tǒng)已穩(wěn)定運行10年，為國家新型飛行器動力系統(tǒng)的研發(fā)與測試持續(xù)服務。3）多能源集成功率控制與能量管理：2015年研發(fā)的10kW燃料電池多能互補備用電源系統(tǒng)，在四川德陽已穩(wěn)定運行五年。2009-2014年研發(fā)的200kW電動汽車直流充電系統(tǒng)、戶用風光儲一體化供電系統(tǒng)、100kW儲能逆變器等產品在大型中央企業(yè)實現(xiàn)了產品化，創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟效益。4）基礎研究與應用方面：作為負責人/科研骨干先后承擔了20余項科研項目，包括國家重點研發(fā)計劃《MW 級固體聚合物電解質電解水制氫技術》和《高環(huán)境適應性的公路客車燃料電池動力系統(tǒng)和整車集成技術》、國家自然科學基金《基于阻抗無源性重塑的變流器與電網(wǎng)交互諧振抑制理論與方法研究》、國家863計劃《長壽命交流燃料電池備用電源電堆及系統(tǒng)研發(fā)》、省科技支撐計劃《車用高性能燃料電池技術開發(fā)》等項目，累計承擔科研項目超過2000萬元。發(fā)表SCI/EI收錄學術論文30多篇，獲得國家發(fā)明專利30多項。
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