燃料电池是一种高效、低噪音的洁净能源,是新型能源发展的一个重要方向。研究和开发新型的燃料电池监控系统是燃料电池实用化的一个重要方面。在燃料电池电堆运行的过程中,监控系统能够根据电池的实际运行状态提供所需的原料和合适的反应环境,以保证燃料电池能够可靠高效地运行。本课题开发了10KW级的燃料电池测试平台,利用测试平台来研究燃料电池堆的机理,并在此基础上设计了一个嵌入式控制系统。本课题主要完成以下的工作:(1)搭建了一个10KW级的质子交换膜燃料电池测试平台。该平台以工控机为核心,采用LabVIEW进行软件设计,利用该平台可以测试10KW及以下的燃料电池堆的性能和运行状态,全面监测各种参数与电池堆性能之间的关系,为大功率燃料电池堆机理的研究和开发提供了基础。(2)设计了一个基于AT91RM9200的燃料电池嵌入式控制系统。移植了Linux 2.4操作系统,设计了相关的硬件电路,驱动程序和应用程序,实现燃料电池的稳定高效控制,该系统接口丰富,扩展性强,软件配置灵活,便于各种控制算法的实现。(3)提出了一种基于GPC预测控制的温度控制算法。在对燃料电池堆温度模型特点分析的基础上,提出了燃料电池温度控制的GPC算法,用Matlab进行了仿真,由仿真结果看出该算法显著的改善了系统的性能。此燃料电池监控系统已经成功应用于上海交大燃料电池所和无锡日新电机有限公司,取得了良好的效果。
第1章 绪论 9-14
1.1 概述 9-10
1.2 燃料电池简介 10-12
1.2.1 燃料电池原理及分类 10-11
1.2.2 燃料电池的优点 11-12
1.3 本文纲要和论文结构安排 12-13
1.4 本章小结 13-14
第2章 质子交换膜燃料电池 14-20
2.1 质子交换膜燃料电池简介 14-16
2.1.1 质子交换膜燃料电池原理 14-15
2.1.2 质子交换膜燃料电池的优点 15-16
2.1.3 质子交换膜燃料电池的主要技术问题 16
2.2 燃料电池系统的研究现状 16-18
2.3 燃料电池监控系统研究现状 18-19
2.4 本章小结 19-20
第3章 燃料电池测试平台的开发 20-38
3.1 燃料电池测试平台的意义 20
3.2 燃料电池测试平台的总体设计 20-24
3.2.1 测试平台的总体结构 20-22
3.2.2 空气供应子系统 22
3.2.3 氢气供应子系统 22
3.2.4 冷却子系统 22-23
3.2.5 电能转换子系统 23
3.2.6 负载子系统 23
3.2.7 测试平台的工作过程 23-24
3.3 测试平台的监控系统的硬件设计 24-29
3.3.1 监控系统的总体结构 24-25
3.3.2 数据采集模块 25
3.3.3 控制器模块 25-26
3.3.4 执行器模块 26
3.3.5 通讯模块 26-29
3.4 测试平台的软件设计 29-37
3.4.1 软件系统的总体结构 29-32
3.4.2 LabVIEW 简介 32
3.4.3 用户管理模块 32
3.4.4 主控模块 32-34
3.4.5 系统管理模块 34-35
3.4.6 动画演示模块 35-36
3.4.7 软件狗模块 36-37
3.5 本章小结 37-38
第4章 嵌入式控制系统的开发 38-63
4.1 嵌入式控制系统的意义 38
4.2 嵌入式控制系统的总体结构 38-41
4.3 嵌入式系统的硬件设计 41-48
4.3.1 控制器总体框架和功能 41
4.3.2 嵌入式系统核心模块 41-43
4.3.3 嵌入式系统扩展板 43-45
4.3.4 各个模块的实现 45-48
4.4 嵌入式系统软件设计 48-62
4.4.1 嵌入式系统简介 48-50
4.4.2 驱动程序的设计 50-61
4.4.3 应用层软件的开发 61-62
4.5 本章小结 62-63
第5章 燃料电池温度控制算法的研究 63-73
5.1 温度控制系统模型分析 63-66
5.1.1 温度控制的重要性 63-65
5.1.2 温度控制系统的工作原理 65-66
5.2 温度控制系统控制算法的设计 66-72
5.2.1 预测控制基本原理 66-67
5.2.2 GPC 算法的设计方法 67-69
5.2.3 GPC 参数的选取 69-70
5.2.4 温度控制系统GPC 控制器的设计 70-72
5.3 本章小结 72-73
第6章 总结与展望 73-75
6.1 本课题的总结 73-74
6.2 后续工作的展望 74-75
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