包邮燃料电池系统设计、集成与控制技术

本书特色

《节能与新能源汽车关键技术研究丛书》聚焦国家节能减排和发展战略性新兴产业的需求，瞄准国际前沿科技，服务汽车产业转型升级和国家经济建设。丛书由清华大学欧阳明高院士担任主编；作者由包含国家杰青、*在内的国内外一流学者亲自领衔执笔，他们是国内外新能源汽车研究领域*高水平的代表，具有较高的权威性。著作内容为作者承担国家重点研究项目成果的结晶，原创性强、学术水平高、体现自主知识产权。具有较高的学术价值、出版价值和产业应用价值。

内容简介

本书阐述了质子交换膜燃料电池设计、集成与控制技术。首先介绍质子交换膜燃料电池的电压性能相关的设计及运行参数，建立了电堆的稳态及动态电压模型，解析了面向动力系统应用的运行控制及管理需求。其次，分别介绍了空气管理、氢气管理、热管理的设计需求、典型回路及控制目标，通过具体应用的实例化，阐述了相应管理子系统的运行控制方法。此外，探索了燃料电池的闭环水管理技术，基于交流阻抗的在线测量技术实现了电堆内部水状态的快速辨识，设计了基于阻抗信息的水故障诊断及闭环管理策略。*后，从整车应用的角度介绍了氢电混合动力系统的功率管理技术。本书从运行的视角，阐述了质子交换膜燃料电池设计、集成与控制技术的基本方法，本书的基础性很强，同时参考当前的燃料电池科学研究成果，具有一定的前沿性。本书可作为高等院校燃料电池专业或相关专业的本科生教材，也可作为致力于燃料电池系统设计的工程师、以燃料电池及动力系统为研究方向的在校研究生和教师的入门及进阶读物，还可以作为对质子交换膜燃料电池感兴趣的设计人员的参考书籍。

前言

在当今全球能源危机不断深化、环境保护需求日益迫切的时代背景下，燃料电池作为一种高效、清洁、可持续的能源转换技术，正逐渐成为新能源领域的研究热点。燃料电池不仅具有能量密度高、排放物清洁、运行噪声低等诸多优点，而且在电力、交通、工业等领域具有广阔的应用前景。本书旨在全面系统地介绍燃料电池系统的基本原理、设计方法、集成技术以及控制策略，通过对燃料电池系统的深入剖析，帮助读者了解燃料电池的工作原理、系统构成及性能特点，掌握燃料电池系统的设计与集成方法，熟悉燃料电池系统的控制技术与优化策略。本书是作者团队多年来在燃料电池动力系统及测试装备方面的科研与实践工作的总结，内容涵盖了燃料电池系统的各个关键方面，依托当前广受关注的车用动力系统应用场景，从系统运行的角度探讨了燃料电池系统的设计、集成与控制技术。第1章从我国能源消费和碳排放的现状入手，阐述了氢能与燃料电池在未来低碳能源体系中的重要地位，介绍了质子交换膜燃料电池堆的基本组成及结构，简述了与燃料电池堆设计相关的重点问题，并重点阐述了燃料电池系统的组成及各子系统的运行需求。第2章探讨了燃料电池的运行原理，全面梳理了与燃料电池堆的输出电压特性相关的设计及运行参数，建立了燃料电池堆的稳态及动态电压模型。在此基础上，讨论了燃料电池动力系统的运行控制及管理的要点，介绍了一种基于阻抗信息反馈的闭环运行管理思路。第3章介绍了燃料电池动力系统的空气管理技术，从工作点规划和控制实施两个层面介绍了燃料电池空气管理子系统的具体实施方案。在工作点规划层面，研究了一种基于过氧比和压比二维优化的系统效率优化方法；在控制实施层面，分步骤详细介绍了空气流量和阴极压力的解耦控制方法。第4章介绍了燃料电池动力系统的氢气管理技术，以目前*常用的氢循环方案为例，在建立部件及回路特性数学模型的基础上，介绍了燃料电池阳极入堆压力控制和氢气循环的调控策略。第5章介绍了燃料电池动力系统的热管理技术，分析了燃料电池动力系统热管理的设计需求、典型回路及部件特性，针对启动和运行过程中温度控制上的难点及不足，考虑温度的滞后特性，主要研究了基于预测的温度控制策略。第6章介绍了燃料电池动力系统的水管理技术，包括水状态辨识及其闭环管理技术，重点介绍了基于单频点阻抗相位角反馈的燃料电池含水量辨识方法，讨论了该方法在水淹、膜干故障的提前诊断和闭环水管理方面的应用效果。第7章介绍了燃料电池动力系统的功率管理技术，以城市公交车为例，讨论了氢电混合动力系统容量配置和功率分配策略。本书既可作为燃料电池领域的专业教材，供高等院校能源、电力、化工等相关专业师生使用，也可作为燃料电池研发、生产、应用等领域工程技术人员的参考书。通过本书的学习，读者将全面了解燃料电池系统的相关知识，提升燃料电池系统的设计与应用能力，从而为推动我国燃料电池技术的发展做出贡献。在本书撰写过程中，我们力求做到内容准确、数据翔实、条理清晰、通俗易懂。同时，我们也参考了大量国内外相关文献和资料，汲取了众多专家的智慧和经验。然而，由于燃料电池技术发展迅速，新的研究成果和应用案例不断涌现，也限于作者水平，书中难免存在疏漏和不足之处，我们真诚地希望广大读者能够提出宝贵的意见和建议，以便我们不断完善和更新本书内容。在本书撰写过程中，电子科技大学自动化工程学院系统工程与智能装备团队的同事们对相关工作给予了大力支持。田维、吴智才、刘汝杰、廖真颉、邓乐、周炳杰、吴林鸿、赵安、徐新杰、葛兴毅、李靖、李瑞、韩成杰、高翔等研究生参与了本书相关资料的整理和撰写工作，在此一并表示衷心的感谢。本书的研究工作得到了2021YFB2500500、2020YFB1506000、2018YFB 1502700等国家重点研发计划项目的大力支持。在这些项目资金的有力保障下，氢燃料电池的研究工作得以稳步推进、顺利开展。*后，感谢所有为本书编写及出版提供支持和帮助的同仁们，也感谢广大读者的厚爱与支持。愿本书能够为燃料电池技术的发展和应用推广贡献一份力量。作者2024年5月<p>在当今全球能源危机不断深化、环境保护需求日益迫切的时代背景下，燃料电池作为一种高效、清洁、可持续的能源转换技术，正逐渐成为新能源领域的研究热点。燃料电池不仅具有能量密度高、排放物清洁、运行噪声低等诸多优点，而且在电力、交通、工业等领域具有广阔的应用前景。本书旨在全面系统地介绍燃料电池系统的基本原理、设计方法、集成技术以及控制策略，通过对燃料电池系统的深入剖析，帮助读者了解燃料电池的工作原理、系统构成及性能特点，掌握燃料电池系统的设计与集成方法，熟悉燃料电池系统的控制技术与优化策略。本书是作者团队多年来在燃料电池动力系统及测试装备方面的科研与实践工作的总结，内容涵盖了燃料电池系统的各个关键方面，依托当前广受关注的车用动力系统应用场景，从系统运行的角度探讨了燃料电池系统的设计、集成与控制技术。第1章从我国能源消费和碳排放的现状入手，阐述了氢能与燃料电池在未来低碳能源体系中的重要地位，介绍了质子交换膜燃料电池堆的基本组成及结构，简述了与燃料电池堆设计相关的重点问题，并重点阐述了燃料电池系统的组成及各子系统的运行需求。第2章探讨了燃料电池的运行原理，全面梳理了与燃料电池堆的输出电压特性相关的设计及运行参数，建立了燃料电池堆的稳态及动态电压模型。在此基础上，讨论了燃料电池动力系统的运行控制及管理的要点，介绍了一种基于阻抗信息反馈的闭环运行管理思路。第3章介绍了燃料电池动力系统的空气管理技术，从工作点规划和控制实施两个层面介绍了燃料电池空气管理子系统的具体实施方案。在工作点规划层面，研究了一种基于过氧比和压比二维优化的系统效率优化方法；在控制实施层面，分步骤详细介绍了空气流量和阴极压力的解耦控制方法。第4章介绍了燃料电池动力系统的氢气管理技术，以目前*常用的氢循环方案为例，在建立部件及回路特性数学模型的基础上，介绍了燃料电池阳极入堆压力控制和氢气循环的调控策略。第5章介绍了燃料电池动力系统的热管理技术，分析了燃料电池动力系统热管理的设计需求、典型回路及部件特性，针对启动和运行过程中温度控制上的难点及不足，考虑温度的滞后特性，主要研究了基于预测的温度控制策略。第6章介绍了燃料电池动力系统的水管理技术，包括水状态辨识及其闭环管理技术，重点介绍了基于单频点阻抗相位角反馈的燃料电池含水量辨识方法，讨论了该方法在水淹、膜干故障的提前诊断和闭环水管理方面的应用效果。第7章介绍了燃料电池动力系统的功率管理技术，以城市公交车为例，讨论了氢电混合动力系统容量配置和功率分配策略。本书既可作为燃料电池领域的专业教材，供高等院校能源、电力、化工等相关专业师生使用，也可作为燃料电池研发、生产、应用等领域工程技术人员的参考书。通过本书的学习，读者将全面了解燃料电池系统的相关知识，提升燃料电池系统的设计与应用能力，从而为推动我国燃料电池技术的发展做出贡献。在本书撰写过程中，我们力求做到内容准确、数据翔实、条理清晰、通俗易懂。同时，我们也参考了大量国内外相关文献和资料，汲取了众多专家的智慧和经验。然而，由于燃料电池技术发展迅速，新的研究成果和应用案例不断涌现，也限于作者水平，书中难免存在疏漏和不足之处，我们真诚地希望广大读者能够提出宝贵的意见和建议，以便我们不断完善和更新本书内容。在本书撰写过程中，电子科技大学自动化工程学院系统工程与智能装备团队的同事们对相关工作给予了大力支持。田维、吴智才、刘汝杰、廖真颉、邓乐、周炳杰、吴林鸿、赵安、徐新杰、葛兴毅、李靖、李瑞、韩成杰、高翔等研究生参与了本书相关资料的整理和撰写工作，在此一并表示衷心的感谢。本书的研究工作得到了2021YFB2500500、2020YFB1506000、2018YFB 1502700等国家重点研发计划项目的大力支持。在这些项目资金的有力保障下，氢燃料电池的研究工作得以稳步推进、顺利开展。*后，感谢所有为本书编写及出版提供支持和帮助的同仁们，也感谢广大读者的厚爱与支持。愿本书能够为燃料电池技术的发展和应用推广贡献一份力量。作者2024年5月</p>

作者简介

李凯从事新能源发电/储能系统集成与控制相关的产品开发与基础研究13年，取得如下成果：1）新能源发电系统集成控制：2019年研发了65kW燃料电池发动机，产品的功率等级和系统综合效率达到国内领先，目前已通过上海机动车检测中心的认证，搭载该型发动机的燃料电池客车已经在苏州市实现商业化运营。2009年研发的2MW风力发电控制系统，通过企业实现了产业化，已装备数十个风电场，创造经济价值数亿元，所研发的《风力发电有功功率控制系统》获2012年四川省科技进步三等奖。2）多功能智能化测试系统：2017年至今研发了多款燃料电池测试平台，功率等级覆盖0.1kW~150kW，测试对象覆盖电堆、附属部件和发动机系统。研发的3kW及30kW燃料电池电堆测试平台成为华昌能源的主打产品，并实现市场销售。2010研发的某系列型号空压机测控系统已稳定运行10年，为国家新型飞行器动力系统的研发与测试持续服务。3）多能源集成功率控制与能量管理：2015年研发的10kW燃料电池多能互补备用电源系统，在四川德阳已稳定运行五年。2009-2014年研发的200kW电动汽车直流充电系统、户用风光储一体化供电系统、100kW储能逆变器等产品在大型中央企业实现了产品化，创造了良好的经济效益。4）基础研究与应用方面：作为负责人/科研骨干先后承担了20余项科研项目，包括国家重点研发计划《MW 级固体聚合物电解质电解水制氢技术》和《高环境适应性的公路客车燃料电池动力系统和整车集成技术》、国家自然科学基金《基于阻抗无源性重塑的变流器与电网交互谐振抑制理论与方法研究》、国家863计划《长寿命交流燃料电池备用电源电堆及系统研发》、省科技支撑计划《车用高性能燃料电池技术开发》等项目，累计承担科研项目超过2000万元。发表SCI/EI收录学术论文30多篇，获得国家发明专利30多项。

李凯从事新能源发电/储能系统集成与控制相关的产品开发与基础研究13年，取得如下成果：1）新能源发电系统集成控制：2019年研发了65kW燃料电池发动机，产品的功率等级和系统综合效率达到国内领先，目前已通过上海机动车检测中心的认证，搭载该型发动机的燃料电池客车已经在苏州市实现商业化运营。2009年研发的2MW风力发电控制系统，通过企业实现了产业化，已装备数十个风电场，创造经济价值数亿元，所研发的《风力发电有功功率控制系统》获2012年四川省科技进步三等奖。2）多功能智能化测试系统：2017年至今研发了多款燃料电池测试平台，功率等级覆盖0.1kW~150kW，测试对象覆盖电堆、附属部件和发动机系统。研发的3kW及30kW燃料电池电堆测试平台成为华昌能源的主打产品，并实现市场销售。2010研发的某系列型号空压机测控系统已稳定运行10年，为国家新型飞行器动力系统的研发与测试持续服务。3）多能源集成功率控制与能量管理：2015年研发的10kW燃料电池多能互补备用电源系统，在四川德阳已稳定运行五年。2009-2014年研发的200kW电动汽车直流充电系统、户用风光储一体化供电系统、100kW储能逆变器等产品在大型中央企业实现了产品化，创造了良好的经济效益。4）基础研究与应用方面：作为负责人/科研骨干先后承担了20余项科研项目，包括国家重点研发计划《MW 级固体聚合物电解质电解水制氢技术》和《高环境适应性的公路客车燃料电池动力系统和整车集成技术》、国家自然科学基金《基于阻抗无源性重塑的变流器与电网交互谐振抑制理论与方法研究》、国家863计划《长寿命交流燃料电池备用电源电堆及系统研发》、省科技支撑计划《车用高性能燃料电池技术开发》等项目，累计承担科研项目超过2000万元。发表SCI/EI收录学术论文30多篇，获得国家发明专利30多项。