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| 編輯推薦： |
以专业视角，解析燃料电池系统建模与控制，开启绿色能源新征程
1.内容全面：涵盖不同类型燃料电池工作特性，重点聚焦质子交换膜燃料电池（PEMFC），从性能优势、应用前景，到物理结构与运行机理，进行全方位介绍。
2.技术深入：基于电化学、流体力学、热力学建立 PEMFC 电堆多物理域模型，并做参数敏感性分析；构建含多种辅助外围设备的系统模型，设计多输入/多输出控制方法。
3.健康管理研究：在PEMFC老化预测、故障诊断以及容错控制等健康管理方面开展深入研究，明晰老化与故障机理，提出高精度预测方法与故障诊断方案。
4.应用导向明确：以车/航空用PEMFC混合动力系统能量管理为背景，制定执行不同能量管理策略，对系统输出特性和运行差异进行对比。
5.受众针对性强：精准面向研究PEMFC单体、电堆、系统、应用等方面的工程技术人员，极具参考价值。
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| 內容簡介： |
随着人类环保意识的增强，燃料电池这一新型绿色发电装置受到了越来越广泛的关注。本书介绍了不同类型燃料电池的工作特性，阐述了质子交换膜燃料电池（PEMFC）的性能优势与应用前景；分析了PEMFC的物理结构与“气-水-热-电”运行机理；建立了以电化学、流体力学、热力学为基础的PEMFC电堆多物理域模型，对模型进行了参数敏感性分析；构建了包含空气供应、氢气供应、水热管理、电能变换等辅助外围设备的PEMFC系统模型，设计了系统多输入/多输出控制方法，对PEMFC的不同系统进行管理控制并进行了相关试验验证；开展了PEMFC老化预测、故障诊断以及容错控制等健康管理方面的研究，明晰了老化与故障机理并提取相关影响因子，提出了高精度的老化预测方法，完成了故障类型的在线识别及诊断，针对不同的健康状态进行容错控制，基于系统台架对健康性能进行测试评估；以车/航空用PEMFC混合动力系统的能量管理为背景，以系统运行安全、寿命提升、效率优化、能耗最小等为研究对象，制定并执行了不同类型的能量管理策略，并对比了不同策略下的系统输出特性和运行差异。
本书可供研究PEMFC单体、电堆、系统、应用等方面的有关工程技术人员学习参考。
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| 關於作者： |
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马睿，西北工业大学自动化学院副教授、院长助理，陕西省高层次人才、IEEE高级会员、工业电子学会ITeN期刊副主编。长期围绕新能源系统领域开展研究，近五年发表高水平期刊、国际会议论文30余篇，主持国家级、省部级项目多项，获陕西省高校科学技术进步二等奖1项。
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| 目錄：
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前 言
第 1 章 燃料电池技术基础1
1.1 燃料电池技术概述1
1.2 燃料电池分类2
1.2.1 质子交换膜燃料电池2
1.2.2 碱性燃料电池3
1.2.3 磷酸燃料电池5
1.2.4 熔融碳酸盐燃料电池5
1.2.5 固体氧化物燃料电池7
1.2.6 燃料电池比较总结8
1.3 燃料电池应用现状9
第 2 章 燃料电池结构与性质12
2.1 质子交换膜燃料电池物理结构12
2.1.1 端板13
2.1.2 双极板14
2.1.3 阴阳极流道15
2.1.4 催化层16
2.1.5 质子交换膜17
2.1.6 气体扩散层17
2.1.7 膜电极结构及功能18
2.2 质子交换膜燃料电池工作原理18
2.2.1 燃料电池热力学18
2.2.2 燃料电池电化学24
2.2.3 燃料电池电荷传输27
2.2.4 燃料电池质量传输31
2.2.5 燃料电池热传输34
第 3 章 质子交换膜燃料电池堆建模38
3.1 电堆建模常用方法概述38
3.1.1 机理模型38
3.1.2 半经验模型41
3.1.3 经验模型41
3.1.4 数据驱动模型42
3.2 多物理域建模43
3.2.1 电化学模型43
3.2.2 流体力学模型46
3.2.3 热力学模型54
3.3 燃料电池堆仿真实例69
3.3.1 电堆集总模型构建69
3.3.2 参数敏感性分析73
第 4 章 质子交换膜燃料电池系统建模78
4.1 质子交换膜燃料电池系统模型分类78
4.2 质子交换膜燃料电池系统建模80
4.2.1 电堆建模80
4.2.2 空气供应系统建模80
4.2.3 氢气供应系统建模89
4.2.4 热管理系统建模95
4.2.5 电能变换系统建模101
4.3 燃料电池系统仿真实例103
第 5 章 质子交换膜燃料电池系统控制107
5.1 燃料电池系统控制方法107
5.1.1 PID控制108
5.1.2 模型预测控制109
5.1.3 模糊控制109
5.1.4 神经网络控制109
5.2 燃料电池空气供应系统控制109
5.2.1 空气供气参数解耦设计109
5.2.2 基于带参数优化算法的分数阶PID控制114
5.3 燃料电池的氢气供应系统控制119
5.4 燃料电池的水管理控制121
5.4.1 燃料电池堆的湿度控制模型122
5.4.2 控制系统的网络结构124
5.4.3 控制系统的模糊逻辑设计124
5.4.4 控制系统的学习算法126
5.5 燃料电池的热管理控制127
5.5.1 基于增量式PID的控制方法设计及试验分析128
5.5.2 基于二阶ADRC的控制方法设计及试验分析130
5.5.3 基于改进ADRC的控制方法设计及试验分析135
5.5.4 热管理控制算法结果对比分析138
5.6 燃料电池的变换器控制140
5.6.1 两相交错并联Boost变换器控制140
5.6.2 四相交错并联Boost变换器控制155
第 6 章 燃料电池系统健康管理182
6.1 燃料电池系统健康管理框架182
6.2 燃料电池老化预测183
6.2.1 燃料电池老化机理183
6.2.2 燃料电池老化模型188
6.2.3 燃料电池老化预测方法189
6.2.4 燃料电池老化预测实例197
6.3 燃料电池系统故障诊断217
6.3.1 燃料电池系统故障分类217
6.3.2 燃料电池系统故障诊断方法224
6.4 燃料电池系统容错控制254
6.4.1 自抗扰控制254
6.4.2 容错控制方案及参数选择260
6.4.3 控制重构261
6.5 燃料电池系统台架及测试265
6.5.1 燃料电池系统测试平台基本架构265
6.5.2 燃料电池堆耐久性测试266
第 7 章 燃料电池混合动力系统能量管理273
7.1 燃料电池混合动力系统能量管理策略概述273
7.2 燃料电池混合动力系统总成拓扑276
7.2.1 燃料电池混合单储能装置276
7.2.2 燃料电池混合多储能装置277
7.3 能量管理策略介绍281
7.3.1 有限状态机能量管理策略283
7.3.2 模糊逻辑控制能量管理策略284
7.3.3 动态规划能量管理策略286
7.3.4 等效氢耗最小能量管理策略287
7.3.5 极小值原理能量管理策略290
7.3.6 机器学习策略291
7.4 实时仿真系统测试293
7.4.1 dSPACE293
7.4.2 RT-LAB296
7.4.3 快速控制原型及硬件在环仿真298
7.5 车用燃料电池系统能量管理模型301
7.5.1 汽车系统模型搭建301
7.5.2 车用驾驶测试工况304
7.5.3 能量管理策略对比分析306
7.6 航空燃料电池系统能量管理模型310
7.6.1 飞机系统模型搭建310
7.6.2 飞行测试工况313
7.6.3 能量管理策略对比分析316
参考文献 362
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| 內容試閱：
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氢能作为21世纪最具潜力的清洁能源，是支撑我国能源系统结构向绿色低碳转型的关键二次能源之一，具有巨大的市场应用潜力。在氢能产业全面布局的背景下，燃料电池相关技术的研究和应用也迎来了快速发展的新时期，其作为一种绿色低碳、运行平稳、工作高效的新型发电系统，是未来交通电气化发展的重要推动力。而在众多种类的燃料电池中，质子交换膜燃料电池（PEMFC）凭借其启动速度快、运行温度低、功率密度高等优势，在交通运载以及移动式发电等领域具有良好的持续发展空间和广阔的应用前景。
本书共分7章，是在总结作者及团队多年研究成果的基础上，经过进一步理论化、系统化、规范化、实用化后编写的。全书以PEMFC为研究对象，分别针对结构性质、工作原理、系统建模、系统控制、健康管理、混合动力系统能量管理等方面的研究工作进行了总结。
第1章分别对质子交换膜燃料电池（PEMFC）、碱性燃料电池（AFC）、磷酸燃料电池（PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）这5种燃料电池进行特性对比分析，总结了各类燃料电池的优缺点和应用现状，突出PEMFC优异的性能与广阔的发展前景。第2章首先描述了PEMFC的物理结构，包括端板、双极板、阴阳极流道、催化层、质子交换膜、气体扩散层、膜电极等组件，随后分析了PEMFC的工作原理，涉及热力学、电化学、电荷传输等多学科知识交叉。第3章开展了PEMFC电堆建模，根据多个参数变化描述了电堆本体特性，构建了计算边界条件的精确单电池模型，考虑多物理场参数耦合规律及各系统变量与输出特性的内在关系建立了电堆结构参数、运行参数等与电堆输出性能参数的耦合关系，构建“单电池-电堆-推进系统”的多层级模型。第4章进行了PEMFC的系统建模，包括空气供应系统、氢气供应系统、热管理系统以及电能变换系统，在仿真模型的基础上进行了测试。第5章针对PEMFC系统的多输入/多输出耦合特性，对电堆及各个系统分别设计了最优控制方法，实现对电堆湿度、流量、电压等参数的精确控制。第6章主要研究了PEMFC健康管理中3个较为重要的环节：老化预测、故障诊断以及容错控制，深入分析了老化与故障机理，依据老化模型设计老化预测融合算法；研究故障发生的原因并提取故障因子，提出故障诊断方法在线识别系统健康状态；针对不同健康状态进行容错控制，通过仿真和试验相结合的方式验证诊断和容错控制方法的准确性以及可靠性。第7章基于车/航空用PEMFC混合动力系统，制定能量管理策略解决多能量源之间的功率协调分配、能量源优化管理、系统整体效率优化等问题，在车用驾驶工况和飞行测试工况的基础上，提出了诸多算法实例为混合动力系统的能量优化控制提供参考。
由于编者水平有限，书中难免存在一些不足和疏漏之处，欢迎广大读者批评指正。
编 者
2024年12月
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