基于有限元方法的电池组电流分布检测分析研究

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质子交换膜燃料电池（PEMFC）在近年来作为新生能源在许多方面得到应用，其中最主要的就是为燃料电池电动汽车提供主要动力。作为动力源，要保证PEMFC在工作过程中的稳定性是极为重要的。由于燃料电池自身因素及燃料供应各方面影响，在工作过程中会出现各种非正常状况，最显著的结果即导致燃料电池局部电流密度分布不均。为了改善这种情况，需要对燃料电池内部电流分布进行监测，从而有针对性地对其工作状态进行调整以使燃料电池系统在最佳状态下运行。到目前为止，国内外在该方面的研究已经取得一定成果，但大部分检测手段仍受限于接触测量。为了解决这一问题，本文提出了电池内部电流分布的非接触监测方法。主要的研究内容及研究成果如下：
　　介绍了电池的工作原理以及建模状况，然后建立了电池的磁场、机理等模型，在 MATLAB/SIMULINK平台仿真并分析了 KW级电堆的机理模型，结果表明对于该模型，在 PID控制的情况下电池的输出功率响应速度比较快，同时具有较好的抗干扰性，基本满足要求。基于该模型，利用硬件平台进行了电流与电压之间关系的仿真分析，结果符合要求。
　　对建立的PEMFC单池磁场模型，利用ANSOFT MAXWELL2D软件进行了外部磁场仿真分析。仿真情况包括所建模型的边缘子单元至中心子单元的局部缺氧情况，以及PEMFC的正常工作情况，并针对各种仿真情况进行了分析。仿真结果表明，PEMFC外部磁场分布与其内部电流分布有密切联系，内部电流分布可以由外部磁场分布强度及形状基本反映出来。然后介绍了利用电池外部磁感应强度值对电池内部电流分布进行反推计算的算法，以MATLAB软件为媒介实现。由此算法针对之前仿真情况分别进行了计算验证，并对计算结果逐一进行了分析。计算结果表明，该算法对PEMFC内部电流分布计算所得结果有一定的参考性。当缺氧局处于电池边缘时，计算结果误差处于可以接受范围；当缺氧区向电池中心移动时，计算结果误差增大，但有一定参考性。同时从电池外部磁场分布可以简单判断缺氧区所处位置。
　　利用实验室现有设备对PEMFC内部电流均匀分布以及51子单元局部电流密度过低两种情况进行了实验验证及分析，结果表明实验结果有一定可依赖性，误差主要来自检测手段及装置。
　　最后利用ECLIPSE网页开发平台设计了PEMFC内部电流分布监测系统的人机交互界面，采用了手动输入与文件提取参数值两种手段。显示方法采用了表格与图形，以便更直观更清晰地观察结果。经测试，该系统可以较好地满足需求。

著录项

作者
王冰雪;
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作者单位

河南科技大学;

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授予单位河南科技大学;
学科机械电子工程
授予学位硕士
导师姓名仲志丹;
年度 2014
页码
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原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类燃料电池;
关键词
质子交换膜; 燃料电池; 有限元法; 电流分布; 非接触监测;

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