质子交换膜燃料电池(PEMFC),作为最受瞩目的氢能发展方向之一,具备产物无污染,能量转换效率高等优点,已广泛应用于混合动力车辆、移动便携设备、无人机等领域。燃料电池系统建模对于其性能分析、优化设计与控制策略开发等具有重要意义。依据面向对象不同,燃料电池系统建模方法主要分为两种,分别是面向系统设计分析的建模与面向控制器设计的建模。面向系统设计分析的建模一般是基于偏微分方程的分布参数模型,然而这种模型由于其复杂性往往不适用于控制器的设计。面向控制器设计的建模一般是基于常微分方程的集总参数模型,然而大多数集总参数模型都无法满足系统设计分析的精度需求。为探索兼顾控制器设计与系统分析的建模方法,本文建立了一个含气液两相流的质子交换膜燃料电池系统常微分方程动态分段模型,该模型可以扩展(增加小分块数量)从而适应系统分析设计精度需求,也可简化(减少小分块数量)从而适应控制器设计。基于该模型,对燃料电池系统控制方面进行研究,开发自适应热管理控制策略。最后进一步扩展模型,加入锂电池模块、DC-DC变换器模块等,构成燃料电池-锂电池混合动力系统模型,并设计了一种基于状态的能量分配管理策略。本文主要贡献与创新点如下:·考虑多域物理子系统耦合特性,基于燃料电池反应机理,建立了一个含气液两相流的质子交换膜燃料电池系统集总参数动态模型。模型包括气源、比例阀、燃料电池、电子负载等模块,其中燃料电池模块同时涵盖电压子系统、温度管理子系统、气路子系统以及阴极气液两相流子系统。上述物理模块之间通过物理端口连接,端口两端的气压、流量、温度等物理变量依据物理原理自动平衡,不需要人为设定大量的边界条件。同时,针对阴极流道中水的气液两相流问题,提出了一种数值计算方法。此外,仿真与实验对比结果表明该模型有效,能较好地贴近物理现实。·在上述模型基础上,建立了一个可扩展的质子交换膜燃料电池系统常微分方程动态分段模型,用于模拟电池内电流密度、温度、气压和水的气液两相流分布。将燃料电池单池分割为若干个相互连接的小分块,小分块间通过比例阀,依据流道形状连接。每个小分块都是基于理想气体定律,质量和能量守恒定律建立的集总参数模型。该方法与现有的燃料电池数学模型相比,所需的边界条件更少。本模型最大的亮点在于模型的可重构性(改变小分块间连接方式,从而改变燃料电池流道形状)和可扩展性(增加或减少小分块数量,从而加深或降低扩展程度),这两点使得本模型可以适用于控制器的设计,同时可以满足系统分析精度的需求。换句话说,为兼顾控制器设计和系统分析的双重需求,本文给出了一种一体化的建模方法。此方法适用但不仅限于含燃料电池系统在内的一般偏微分系统的控制问题。仿真结果表明,该模型能够模拟燃料电池系统在稳态、动态工况下工作的电流密度、温度、气液两相流等关键参数的分布情况,两相流数值计算方法有效。此外,不同流道设计的模型对比与不同扩展程度的模型(3 × 3分块模型与6× 6分块模型)对比仿真验证了模型的可重构性与可扩展性。·开展基于燃料电池模型的控制研究,针对燃料电池系统在频繁变化工况下的温度控制问题,提出了一种基于上述水冷燃料电池系统模型的自适应热管理控制策略。首先,为了解决机理模型中的部分参数不可测(流道中单气体摩尔流量)问题,设计自适应参数估计算法,并且确保估计误差有界。然后,引入障碍李雅普诺夫函数(Barrier Lyapunov Function),确保燃料电池温度在动态工况下始终被控制在目标范围内。此外,引入了一个基于奇异摄动方法的动态反演算法解决模型的非仿射输入问题。最后,基于李雅普诺夫方法分析证明了闭环系统的稳定性和收敛性。仿真结果表明,在启动场景与动态负载变化场景下,该自适应热管理控制策略可满足所有控制目标,并且和传统PI控制算法相比,控制效果更优。·进一步拓展模型,基于上述燃料电池系统建模方法进行燃料电池混合动力系统平台开发,构建DC-DC变换器模块、锂电池模块和电子负载模块等,构成燃料电池-锂电池混合动力系统模型。各物理模块间由电气物理端口相连,电压、电流依据电路原理在物理端口间传输并且达到动态平衡。基于此混合动力系统模型,提出了一种基于锂电池SOC等状态的能量分配策略,仿真结果表明该能量分配策略在标准动态工况下的电流分配满足所有控制目标。