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系統識別號 U0026-1908201518292000
論文名稱(中文) 模擬自主式水下載具於負載切換對質子交換膜燃料電池端與零電壓切換轉換器端之影響
論文名稱(英文) Simulation of the Effect of Load Change on the Output Terminals of Proton Exchange Membrane Fuel Cell and Zero-Voltage-Switching Power Converters for an Autonomous Underwater Vehicle
校院名稱 成功大學
系所名稱(中) 系統及船舶機電工程學系
系所名稱(英) Department of Systems and Naval Mechatronic Engineering
學年度 103
學期 2
出版年 104
研究生(中文) 楊育瑋
研究生(英文) Yu-Wei Yang
學號 p16011240
學位類別 碩士
語文別 中文
論文頁數 97頁
口試委員 指導教授-李建興
口試委員-王耀諄
口試委員-王醴
口試委員-卓明遠
中文關鍵字 質子交換膜燃料電池  自主式水下載具  推挽式零電壓切換轉換器  半橋式零電壓切換轉換器 
英文關鍵字 Autonomous underwater vehicle  proton exchange membrane fuel cell  zero voltage switching push-pull converter  zero voltage switching half-bridge converter 
學科別分類
中文摘要 本論文利用Matlab/Simulink軟體模擬Ballard Mark V質子交換膜燃料電池以提供自主式水下載具電力,並探討自主式水下載具之負載切換對燃料電池端與零電壓切換轉換器端電壓及電流之影響。然而,因燃料電池之輸出電壓易受負載變動與極化損失的影響,故於質子交換膜燃料電池輸出端串接電壓模式控制之直流/直流電源轉換器,並以控制理論來自動調節穩定燃料電池之輸出電壓,進而提供自主式水下載具裝置設備所需之直流5V、12V、24V與48V等四種電壓等級。本論文所使用之直流/直流電源轉換器包含推挽式與半橋式零電壓切換轉換器,其適合高功率密度的燃料電池,可提供較好的動態響應與減少功率損耗等優點。
英文摘要 This thesis investigates the effect of load change on the voltage and current at the output terminals of Ballard Mark V PEMFC (proton exchange membrane fuel cell) and zero-voltage-switching converters used as the power source of autonomous underwater vehicles (AUVs) based on Matlab/Simulink. Since the PEMFC produces dc output voltage that is easily affected by a load change and polarization losses, the PEMFC output terminals are connected to dc–dc converters for converting the unregulated voltage into desired voltage levels including 5V, 12V, 24V and 48V in order to supply the AUVs’ loads. Moreover, the effect of load change between light load and full load on the voltages and currents at the PEMFC terminal and load terminals is analyzed in this study. In addition, dc-dc power converters used in this thesis include zero voltage switching (ZVS) push-pull converters and ZVS half-bridge converters since they have advantages of better dynamic response and reducing switching losses which is suitable for a high power density of PEMFC.
論文目次 摘要 i
SUMMARY ii
誌謝 xi
目錄 xii
圖目錄 xv
表目錄 xix
符號說明 xx
第一章 緒論 1
1.1 研究動機 1
1.2 水下載具簡介 2
1.2.1 自主式水下載具子系統概述 3
1.2.2 自主式水下載具發展的回顧 5
1.2.3 自主式水下載具的動力源 7
1.3 自主式水下載具電力供應架構 8
1.4 相關文獻回顧 9
1.5 本論文之貢獻 11
1.6 論文研究架構 11
第二章 質子交換膜燃料電池系統介紹 13
2.1 燃料電池概述 13
2.1.1 燃料電池發展史回顧 13
2.1.2 質子交換膜燃料電池之特點 14
2.1.3 質子交換膜燃料電池構造與工作原理 16
2.2 質子交換膜燃料電池堆模型研究 17
2.2.1 質子交換膜燃料電池電化學數學模型 18
2.2.2 質子交換膜燃料電池之效率 23
2.2.3 Ballard質子交換膜燃料電池Mark V之穩態特性 23
2.3 操作條件對質子交換膜燃料電池性能的影響 24
2.3.1 操作溫度對燃料電池性能的影響 25
2.3.2 反應氣體工作壓力對燃料電池性能的影響 26
2.4 模擬值與實驗值之比對 27
第三章 柔性切換直流/直流電源轉換器介紹 31
3.1 電源轉換器簡介 31
3.2 柔性切換技術發展回顧 34
3.2.1 半共振式電源轉換器 34
3.2.2 ZVS/ZCS-PWM電源轉換器 39
3.2.3 ZVT/ZCT電源轉換器 40
3.2.4 ZCZVT電源轉換器 40
3.3 推挽式零電壓切換轉換器 41
3.3.1 推挽式零電壓切換轉換器之動作分析 42
3.3.2 推挽式零電壓切換轉換器之共振狀態軌跡圖 55
3.3.3 推挽式零電壓切換式轉換器之設計 56
3.4 半橋式零電壓切換式轉換器 61
3.5 自主式水下載具電力轉換系統設計 63
3.5.1 電源轉換器之補償器設計步驟與準則 64
3.5.2 電源轉換器之補償器選擇 64
3.5.3 電源轉換器之電路規格 65
第四章 質子交換膜燃料電池應用於自主式水下載具之模擬 68
4.1 自主式水下載具之電源供應系統 68
4.1.1 質子交換膜燃料電池之Simulink模型 69
4.1.2 零電壓切換電源轉換器之Simulink模型 72
4.1.3 零電壓切換式電源轉換器之PSIM模擬 75
4.1.4 單輸入單輸出設計工具 77
4.2 於負載變動時對自主式水下載具電源之影響模擬 77
4.2.1 質子交換膜燃料電池系統之模擬 78
4.2.2 電源轉換系統的模擬 82
第五章 結論與未來展望 88
5.1 結論 88
5.2 未來展望 88
參考文獻 90
附錄A 95
附錄B 96
附錄C 97

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