張文泰 姚遠(yuǎn)

摘要：燃料電池是一種利用電化學(xué)反應(yīng)的新能源發(fā)電裝置，因具有節(jié)能環(huán)保的特性而得到廣泛研究。但其外特性很軟，隨負(fù)載變化較大，難以維持額定輸出狀態(tài)。文章探討了燃料電池的工作特性，使用單向DC/DC變換器建立穩(wěn)壓系統(tǒng)，并利用模糊PID控制算法改善其輸出穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：燃料電池;DC/DC變換器;模糊PID

中圖分類號(hào)：TM911.4? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 引言

隨著人類工業(yè)化進(jìn)程的不斷完成，對(duì)能源的需求日益增加。傳統(tǒng)的化石能源因其不可再生性和對(duì)環(huán)境的污染，在全球減排溫室氣體的趨勢(shì)下愈發(fā)式微，因此對(duì)新能源的研究利用備受各發(fā)達(dá)國(guó)家重視。氫能作為一種儲(chǔ)量大、無(wú)污染的綠色能源，逐漸得到更多的應(yīng)用。燃料電池作為氫能利用的重要研究方向，其發(fā)展前景和商業(yè)價(jià)值已經(jīng)得到體現(xiàn)，尤其是在電動(dòng)汽車的設(shè)計(jì)研究中得到了廣泛的應(yīng)用。

傳統(tǒng)的燃料發(fā)電機(jī)是使用燃料燃燒帶來(lái)的熱能產(chǎn)生水蒸氣，從而驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，在發(fā)電過(guò)程中效率較低，能源損耗較大。燃料電池則是將氫氣燃料與氧化劑通過(guò)電堆中的電化學(xué)反應(yīng)直接發(fā)出電能，其能源利用率大幅提高，并且排出物只有水蒸氣，對(duì)環(huán)境沒(méi)有污染。不過(guò)燃料電池的輸出受內(nèi)部材料活性與外部負(fù)載變化的影響較大，從而導(dǎo)致輸出范圍較寬。同時(shí)由于電化學(xué)反應(yīng)需要作用時(shí)間，因此燃料電池的動(dòng)態(tài)響應(yīng)較慢。而其自身又不具備儲(chǔ)能能力，無(wú)法根據(jù)負(fù)載變化調(diào)節(jié)電能供應(yīng)。因此，需要為其構(gòu)建外圍穩(wěn)壓電路，以正常供應(yīng)電能。[1-3]

2 燃料電池

本文使用的燃料電池為100 W質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC），其性能參數(shù)如表1所示。

PEMFC系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。作為燃料的氫氣由穩(wěn)壓閥送入電堆，與被風(fēng)扇帶入的氧氣產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)，從而發(fā)出電能并排除無(wú)用的水蒸氣。

由于燃料電池的外特性較軟，其輸出電壓并沒(méi)有達(dá)到12 V的額定電壓，而是介于6～10 V之間，且隨著負(fù)載增大輸出電壓逐漸下降。為此，需要為其搭建穩(wěn)壓系統(tǒng)，使其輸出電壓達(dá)到額定值。

3 DC/DC變換器

因?yàn)槿剂想姵氐妮敵鲭妷簳?huì)在較寬范圍內(nèi)變化，考慮到負(fù)載端的穩(wěn)壓供電以及電壓可調(diào)，需要在燃料電池輸出端增加單向DC/DC變換器。在本文中需要將6～10 V之間的輸出電壓提高到12 V的額定電壓，故使用升壓變換器。并且由于系統(tǒng)中電壓變比較小，DC/DC變換器不需要加電氣隔離，因此使用圖2所示的非隔離式Boost變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[4]。

DC/DC變換器的臨界電感值為：

而實(shí)際選用值一般為臨界值的1.2倍，因此電感值選用15 μH。

電容的選取大小為：

場(chǎng)效應(yīng)管選用的是N溝道MOSFET：IRFZ14。

4 模糊PID控制策略

由于燃料電池系統(tǒng)具有非線性特點(diǎn)，其隨時(shí)間變化的輸出特性使得手動(dòng)整定PID參數(shù)無(wú)法滿足系統(tǒng)需要。為了增加參數(shù)自整定能力，可將模糊控制策略與PID控制算法結(jié)合起來(lái)，在線調(diào)節(jié)PID控制參數(shù)。使用模糊控制器分析偏差e和偏差變化率ec，來(lái)確定比例、積分、微分環(huán)節(jié)的調(diào)節(jié)量，以在線整定PID參數(shù)，優(yōu)化被控對(duì)象的調(diào)節(jié)，如圖3所示。[5]

PID比例、積分、微分系數(shù)的調(diào)整分別由三個(gè)模糊控制器FC1、FC2、FC3來(lái)控制，其參數(shù)選取如表2所示。

設(shè)計(jì)FC1的輸入變量e為8個(gè)，其他輸入和輸出變量均設(shè)為7個(gè)。隸屬度函數(shù)以梯形為主，結(jié)合Z形和S形，并使用Matlab建立曲面視圖分別如圖4至圖6所示。

在以上規(guī)則的基礎(chǔ)上，利用Simulink工具箱建立模糊PID控制系統(tǒng)的仿真模型，各子模塊如圖7至圖9所示。

在建立各子模塊后，即可建立模糊PID控制的Boost電路控制模型，同時(shí)建立傳統(tǒng)PID控制模型用于比較，如圖10、圖11所示。在仿真中設(shè)置給定值為12 V電壓，以對(duì)比模糊PID算法與傳統(tǒng)PID算法的調(diào)節(jié)效果，其結(jié)果如圖12所示?？梢缘贸鼋Y(jié)論，傳統(tǒng)PID控制系統(tǒng)具有較大的超調(diào)量，而模糊PID基本沒(méi)有超調(diào)量，系統(tǒng)更加穩(wěn)定。

實(shí)際系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果如圖13所示，在燃料電池輸出電壓隨負(fù)載增大而降低的條件下，穩(wěn)壓系統(tǒng)的輸出電壓可以保持在額定值12 V。不過(guò)輸出電壓的紋波較大，仍需改進(jìn)硬件電路與控制算法。

5 總結(jié)

本文依據(jù)PEMFC較軟的輸出特性，進(jìn)行單向Boost變換器穩(wěn)壓供電系統(tǒng)的研究，并使用模糊PID控制算法進(jìn)行了電壓輸出控制，但輸出電壓紋波較大，還需要進(jìn)一步改進(jìn)。

（責(zé)任編輯：陳之曦）

參考文獻(xiàn)：

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