质子交换膜燃料电池系统及其控制

1.国家出版基金项目，“十四五”时期国家重点出版物出版专项规划项目。 2.助力发展“碳中和”国家战略，为加速在交通领域实现“碳中和”目标提供知识动力。 3.全彩印刷，图文并茂，内容翔实，讲解细致。

本书是围绕我国碳中和发展目标和《新能源汽车产业发展规划（2021-2035年）》发展愿景，为构建碳中和交通体系而编写的“碳中和交通出版工程·氢能燃料电池动力系统系列”之一。燃料电池系统是一个复杂的电-气-热耦合系统，对燃料电池系统有效控制是提高其工作效率和可靠性、延长其使用寿命的关键之一。本书基于燃料电池系统的工作原理，阐述了燃料电池系统集成与控制中的关键技术问题；详细介绍了燃料电池系统集成设计与匹配，并进一步研究了燃料电池系统的关键子系统与部件特性；在此基础上，系统地研究了燃料电池进气子系统控制技术、热管理子系统控制技术、低温冷启动优化控制技术与燃料电池系统状态识别及老化预测技术，并给出了燃料电池控制系统的软硬件设计方法；最后对下一代燃料电池控制系统技术的发展趋势进行了展望。本书适合燃料电池汽车及燃料电池系统相关的研发人员、管理人员，以及相关专业的老师和学生阅读参考。

丛书序
本书序
前言
第1章燃料电池系统原理及控制001
1.1背景002
1.2燃料电池003
1.2.1燃料电池类型003
1.2.2燃料电池结构及基本工作原理004
1.3燃料电池系统006
1.4燃料电池系统控制008
1.4.1空气供给子系统控制009
1.4.2氢气供给子系统控制010
1.4.3热管理子系统控制011
1.4.4低温冷启动控制012
1.5本章小结013
第2章质子交换膜燃料电池特性014
2.1燃料电池特性的常用电化学表征方法015
2.2燃料电池稳态特性017
2.2.1试验对象017
2.2.2稳态试验结果019
2.3燃料电池动态特性022
2.4燃料电池阻抗特性027
2.4.1电化学阻抗定义027
2.4.2电化学阻抗谱解析030
2.4.3基于电化学阻抗谱的动力学分析033
2.4.4动力学损失敏感性分析043
2.5燃料电池冷启动过程特性045
2.5.1试验环境和流程046
2.5.2单体电池恒温冷启动过程特性048
2.5.3电堆升温冷启动过程特性052
2.6燃料电池单体面内异质性特性056
2.6.1面内异质性特征057
2.6.2面内异质性试验058
2.6.3面内异质性分析059
2.7燃料电池堆单体间不一致特性066
2.7.1燃料电池堆单体不一致性试验066
2.7.2燃料电池堆单体不一致性表现规律068
2.7.3燃料电池堆单体不一致性分析069
2.8本章小结073
第3章燃料电池系统集成设计074
3.1燃料电池系统架构及集成075
3.1.1空气供给子系统架构及集成075
3.1.2氢气供给子系统架构及集成077
3.1.3热管理子系统架构及集成079
3.2燃料电池系统的电气架构及集成081
3.2.1高压电气架构及集成081
3.2.2低压电气架构及集成081
3.3燃料电池系统匹配设计084
3.3.1空气供给子系统匹配设计084
3.3.2氢气供给子系统匹配设计089
3.3.3热管理子系统匹配设计094
3.3.4DC/DC变换器选型与匹配098
3.4本章小结100
第4章燃料电池进气控制101
4.1燃料电池系统建模102
4.1.1燃料电池堆建模103
4.1.2辅助部件建模110
4.2燃料电池系统模型参数辨识115
4.2.1模型参数辨识方法115
4.2.2燃料电池系统模型参数辨识结果119
4.3空气流量-压力控制算法125
4.3.1空气流量-压力解耦控制125
4.3.2基于标定的前馈PID串级控制138
4.4氢气压力控制算法146
4.4.1基于模糊PI的氢气压力控制146
4.4.2氢气压力控制结果149
4.5本章小结154
第5章燃料电池温度控制155
5.1热管理子系统建模156
5.1.1电堆产热模型157
5.1.2冷却系统模型158
5.2模型参数辨识及验证161
5.3基于自适应模型预测控制的热管理165
5.3.1多工况点热管理子系统模型线性化165
5.3.2预测控制原理168
5.4燃料电池温度控制结果171
5.4.1温度控制的适应性分析171
5.4.2WLTC工况下的温度控制结果对比174
5.5本章小结176
第6章燃料电池冷启动优化控制177
6.1低温冷启动过程机理模型178
6.1.1模型控制方程179
6.1.2模型中的关键参数测量与辨识184
6.2冷启动机理模型验证和误差分析190
6.2.1冷启动失败工况下的结果对比分析191
6.2.2冷启动成功工况下的结果对比分析194
6.2.3低温冷启动模型仿真误差来源总结196
6.3低温冷启动策略优化197
6.3.1基于粒子群优化算法的策略优化方法197
6.3.2膜含水量已定的快速冷启动策略优化199
6.3.3膜含水量未定的快速冷启动策略优化203
6.3.4-30℃下快速冷启动策略优化205
6.3.5冷启动策略优化前后对比分析208
6.4本章小结209
第7章燃料电池状态识别及老化预测210
7.1燃料电池内部状态估计211
7.1.1系统状态方程及参数辨识211
7.1.2氧气过量系数计算原理216
7.1.3内部状态观测器设计217
7.1.4状态观测器结果及优化224
7.2燃料电池内部故障识别231
7.2.1燃料电池故障数据集建立231
7.2.2基于混合深度学习的燃料电池内部故障识别236
7.2.3燃料电池内部故障识别结果245
7.3燃料电池老化预测249
7.3.1燃料电池健康状态指标249
7.3.2基于模态分解和深度学习的短时衰减预测251
7.3.3燃料电池短时衰减预测结果255
7.4本章小结261
第8章燃料电池控制系统设计262
8.1控制系统的一般软件架构263
8.2输入输出模块265
8.3模式管理模块265
8.3.1系统上电状态控制266
8.3.2系统预备状态控制266
8.3.3系统启动状态控制266
8.3.4系统运行状态控制270
8.3.5系统关机状态控制270
8.4子系统控制模块272
8.5状态识别及故障诊断模块274
8.6本章小结275
第9章燃料电池系统控制的发展趋势276
9.1优选智能传感技术提升管控的信息维度及空间尺度277
9.2数据驱动的智能技术提升管控的性能及时间尺度279
9.3本章小结281
参考文献282