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燃料電池系統設計、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：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
燃料電池系統設計、集成與控制技術 本書特色
《節能與新能源汽車關鍵技術研究叢書》聚焦國家節能減排和發展戰略性新興產業的需求，瞄準國際前沿科技，服務汽車產業轉型升級和國家經濟建設。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，原創性強、學術水平高、體現自主知識產權。具有較高的學術價值、出版價值和產業應用價值。
燃料電池系統設計、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，建立了電堆的穩態及動態電壓模型，解析了面向動力系統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的運行控制方法。此外，探索了燃料電池的閉環水管理技術，基于交流阻抗的在線測量技術實現了電堆內部水狀態的快速辨識，設計了基于阻抗信息的水故障診斷及閉環管理策略。*后，從整車應用的角度介紹了氫電混合動力系統的功率管理技術。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或相關專業的本科生教材，也可作為致力于燃料電池系統設計的工程師、以燃料電池及動力系統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。
燃料電池系統設計、集成與控制技術燃料電池系統設計、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點，而且在電力、交通、工業等領域具有廣闊的應用前景。本書旨在全面系統地介紹燃料電池系統的基本原理、設計方法、集成技術以及控制策略，通過對燃料電池系統的深入剖析，幫助讀者了解燃料電池的工作原理、系統構成及性能特點，掌握燃料電池系統的設計與集成方法，熟悉燃料電池系統的控制技術與優化策略。本書是作者團隊多年來在燃料電池動力系統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的各個關鍵方面，依托當前廣受關注的車用動力系統應用場景，從系統運行的角度探討了燃料電池系統的設計、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的組成及各子系統的運行需求。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，建立了燃料電池堆的穩態及動態電壓模型。在此基礎上，討論了燃料電池動力系統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運行管理思路。第3章介紹了燃料電池動力系統的空氣管理技術，從工作點規劃和控制實施兩個層面介紹了燃料電池空氣管理子系統的具體實施方案。在工作點規劃層面，研究了一種基于過氧比和壓比二維優化的系統效率優化方法；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的氫氣管理技術，以目前*常用的氫循環方案為例，在建立部件及回路特性數學模型的基礎上，介紹了燃料電池陽極入堆壓力控制和氫氣循環的調控策略。第5章介紹了燃料電池動力系統的熱管理技術，分析了燃料電池動力系統熱管理的設計需求、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的水管理技術，包括水狀態辨識及其閉環管理技術，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水管理方面的應用效果。第7章介紹了燃料電池動力系統的功率管理技術，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教材，供高等院校能源、電力、化工等相關專業師生使用，也可作為燃料電池研發、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的相關知識，提升燃料電池系統的設計與應用能力，從而為推動我國燃料電池技術的發展做出貢獻。在本書撰寫過程中，我們力求做到內容準確、數據翔實、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驗。然而，由于燃料電池技術發展迅速，新的研究成果和應用案例不斷涌現，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展和應用推廣貢獻一份力量。作者2024年5月
燃料電池系統設計、集成與控制技術 目錄
第1章燃料電池技術概述11.1燃料電池技術的發展背景11.1.1我國的能源消費與碳排放現狀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的設計271.3.2氫燃料電池動力系統的運行需求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燃料電池堆穩態電壓模型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電堆穩態電壓模型492.3燃料電池堆動態電壓模型502.3.1燃料電池的動態電效應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燃料電池動力系統開環運行管理方法632.4.3燃料電池系統閉環運行管理方法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空氣管理子系統的設計需求753.1.2空氣管理子系統的典型回路及部件763.1.3空氣管理子系統的調控技術843.2燃料電池空氣管理子系統部件建模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回流管道和節氣門模型963.3面向系統效率優化的工作點規劃973.3.1空壓機的功耗模型973.3.2燃料電池堆的發電模型993.3.3面向效率優化的工作點匹配1033.4空氣管理子系統的耦合特性分析1093.4.1開環響應特性測試1103.4.2激勵信號的選取與設計1113.4.3傳遞函數的辨識1133.4.4系統辨識結果及耦合特性分析1143.5空氣管理子系統調控策略設計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氫氣管理子系統的設計需求1324.1.2氫氣管理子系統的典型回路及部件1344.1.3氫氣管理子系統的調控技術1404.2燃料電池氫氣管理子系統部件建模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熱管理子系統的設計需求1785.1.2熱管理子系統的典型回路及部件1805.1.3熱管理子系統的調控技術1885.2燃料電池熱管理子系統部件及回路建模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水泵與電子節溫器模型2005.2.6系統散熱回路總體模型驗證2025.3燃料電池動力系統的熱管理策略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水管理系統的設計需求2346.1.2水管理技術的研究現狀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燃料電池閉環水管理策略設計及應用驗證2806.4.1燃料電池閉環水管理策略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的功率管理3067.1燃料電池動力系統的功率管理概述3067.1.1功率管理子系統的設計需求3067.1.2功率管理子系統的典型回路及部件3137.1.3功率管理技術的研究現狀3157.2燃料電池動力系統的功率管理思路3187.2.1氫電混合動力系統的負載特性分析3187.2.2氫電混合動力系統的綜合運行評價3217.2.3功率管理的總體思路3257.3燃料電池動力系統的功率協調控制3267.3.1基于荷電狀態的功率協調控制策略研究3267.3.2基于實時小波分頻的功率協調控制策略研究3287.3.3基于粒子群算法的功率協調控制策略研究3357.3.4功率協調控制策略對比分析3427.4氫電混合動力系統的容量配置優化3527.4.1基于粒子群算法的容量配置優化方法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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燃料電池系統設計、集成與控制技術 作者簡介
李凱從事新能源發電/儲能系統集成與控制相關的產品開發與基礎研究13年，取得如下成果：1）新能源發電系統集成控制：2019年研發了65kW燃料電池發動機，產品的功率等級和系統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，搭載該型發動機的燃料電池客車已經在蘇州市實現商業化運營。2009年研發的2MW風力發電控制系統，通過企業實現了產業化，已裝備數十個風電場，創造經濟價值數億元，所研發的《風力發電有功功率控制系統》獲2012年四川省科技進步三等獎。2）多功能智能化測試系統：2017年至今研發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、附屬部件和發動機系統。研發的3kW及30kW燃料電池電堆測試平臺成為華昌能源的主打產品，并實現市場銷售。2010研發的某系列型號空壓機測控系統已穩定運行10年，為國家新型飛行器動力系統的研發與測試持續服務。3）多能源集成功率控制與能量管理：2015年研發的10kW燃料電池多能互補備用電源系統，在四川德陽已穩定運行五年。2009-2014年研發的200kW電動汽車直流充電系統、戶用風光儲一體化供電系統、100kW儲能逆變器等產品在大型中央企業實現了產品化，創造了良好的經濟效益。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，包括國家重點研發計劃《MW 級固體聚合物電解質電解水制氫技術》和《高環境適應性的公路客車燃料電池動力系統和整車集成技術》、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研發》、省科技支撐計劃《車用高性能燃料電池技術開發》等項目，累計承擔科研項目超過2000萬元。發表SCI/EI收錄學術論文30多篇，獲得國家發明專利30多項。
李凱從事新能源發電/儲能系統集成與控制相關的產品開發與基礎研究13年，取得如下成果：1）新能源發電系統集成控制：2019年研發了65kW燃料電池發動機，產品的功率等級和系統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，搭載該型發動機的燃料電池客車已經在蘇州市實現商業化運營。2009年研發的2MW風力發電控制系統，通過企業實現了產業化，已裝備數十個風電場，創造經濟價值數億元，所研發的《風力發電有功功率控制系統》獲2012年四川省科技進步三等獎。2）多功能智能化測試系統：2017年至今研發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、附屬部件和發動機系統。研發的3kW及30kW燃料電池電堆測試平臺成為華昌能源的主打產品，并實現市場銷售。2010研發的某系列型號空壓機測控系統已穩定運行10年，為國家新型飛行器動力系統的研發與測試持續服務。3）多能源集成功率控制與能量管理：2015年研發的10kW燃料電池多能互補備用電源系統，在四川德陽已穩定運行五年。2009-2014年研發的200kW電動汽車直流充電系統、戶用風光儲一體化供電系統、100kW儲能逆變器等產品在大型中央企業實現了產品化，創造了良好的經濟效益。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，包括國家重點研發計劃《MW 級固體聚合物電解質電解水制氫技術》和《高環境適應性的公路客車燃料電池動力系統和整車集成技術》、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研發》、省科技支撐計劃《車用高性能燃料電池技術開發》等項目，累計承擔科研項目超過2000萬元。發表SCI/EI收錄學術論文30多篇，獲得國家發明專利30多項。
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