（电机与电器专业论文）燃料电池用dcac变换器主电路及其emc研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t t h i st h e s i si sf o c u s e do nt h er e s e a r c ho fad c a ci n v e f l e rf o ras m a l ls t a t i o n a r y f u e lc e l lp o w e rs y s t e m n ec o n t e n t si n c l u d et h em a i nc i r c u i tt o p o l o g y , s e l e c t i o no f c o m p o n e n tp a r a m e t e r s ，e m c ( e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y ) s t r a t e g i e s a tf i r s t ，t h ef u n d a m e n t a l sa n do u t p u tv o l t a g e c u r r e n tc h a r a c t e r i s t i c so fp e m f c ( p r o t o ne x c h a n g em e m b r a n ef u e lc e l l ) a r ei n t r o d u c e d t h em o d e l i n go ft h ef u e lc e l l s t a c kw i t hf r e q u e n c yr e s p o n s ea n a l y s i st e c h n i q u ei sp r e s e n t e da n da ne q u i v a l e n t c i r c u i tm o d e lo ft h ef u e lc e i ls t a c ki se s t a b l i s h e d b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h eo u t p u tv o l t a g ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ef u e lc e l ls t a c k , t h et o p o l o g yo fas m a l ls t a t i o n a r yf u e lc e l lp o w e rs y s t e mi si n t r o d u c e d b yt h e o r e t i c a l a n a l y s i sa n dm o d e ls i m u l a t i o n ，t h ee f f e c to fc o m p o n e n tp a r a m e t e r s ，m o d u l a t i o n s t r a t e g i e sa n ds w i t c h i n gf r e q u e n c i e so nt h ed c ，a ci n v e a e rp e r f o r m a n c ei se x p l o r e d a c c o r d i n gt ot h ec a p a c i t yo ft h ed s pd i 【g i t a lc o n t r o l l e r , ak i n do fs i n g l e p h a s e s p w m ( s i n u s o i d a l p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) s t r a t e g y , w h i c hi sd e r i v e df r o m t h r e e p h a s es v p w m ( s p a c ev e c t o rp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) ，i sp r o p o s e db a s e do ni t t h ei n n e rr e l a t i o n s h i pa m o n gs p a c ev e c t o rs p w m ，c o n v e n t i o n a lb i p o l a rs p w ma n d u n i p o l a rs p w mi se x p o s e d w i t hr e s p e c t i v ec o m p a r i s o n so ft h eo u t p u tv o l t a g e h a r m o n i e s ，t h ei n p u tc u r r e n th a r m o n i c sa n dt h ee f f e c to fd e a dt i m eo ft h ed c | a c i n v e r t e ru n d e rt h et h r e ed i f f e r e n tm o d u l a t i o ns t r a t e g i e sm e n t i o n e da b o v e ，t h e a d v a n t a g e so fs p a c ev e c t o rs p w m a r ee x p o u n d e d b yf r e q u e n c yd o m a i na n a l y s i so f e r r o rp u l s e sc a u s e db yt h ed e a dt i m e am a t h e m a t i c a la p p r o a c hi s p r e s e n t e dt o o p t i m i z i n gt h es w i t c h i n gf r e q u e n c yo ft h ed c | ci n v e r t e dt h ev o l t a g ea n dc u r r e n t c h a r a c t e r i s t i c so ft h et w od cl i n k si nt h ep o w e rs y s t e ma r ea n a l y z e d ，a n dt h ef i l t e r i n g s t r a t e g yt os u p p r e s st h er i p p i ec u r r e n ti sp r o p o s e d t h es o u r c e ，t r a n s m i s s i o n p a t h a n d s u s c e p t o ro fe m i ( e l e c t r o m a g n e t i c i n t e r f e r e n c e ) i nt h ed c a ci n v e a e ra r ea n a l y z e da n de m cs t r a t e g i e sa r ed i s c u s s e d m o d e ls i m u l a t i o nd e m o n s t r a t e st h a tt h eo u t p u tc u r r e n tr i p p l ef a c t o ro ft h ef u e lc e l li s l e s st h a n4 ac r i t i c a lu p p e rl i m i tf o r t h ef u e lc e l l a b s t r a c t a p r o t o t y p eo fd c a ci n v e r t e rh a sb e e nb u i l ta n di t se x p e r i m e n t a lr e s u l t sh a v e d e m o n s t r a t e dt h a tt h ep e r f o r m a n c eh a sm e tt h ed e s i g nt a r g e t ：2 2 0 v a c5 0 h zo u t p u t v o l t a g ew i t ht h df r o t “h a r m o n i cd i s t o r t i o n ) l e s st h a n3 k e yw o r d s ：d c a ci n v e f t e r ，e m c ，e m i ，s v p w m ，f u e lc e l l ，r i p p l ec u r r e n t i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 久9 了年f 月；口日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月 日年 月日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 虢啼伸 了年月；- 日 第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 d c a c 变换器是应用电力电子( p o w e r e l e c t r o n i c s ) ：b - 器r 件，将直流电能变换为恒 压、恒频交流电能的一种静止变流装置，供交流负载用电或与交流电网并网发 电【1 捌。 尽管d o ，a c 变换是一门发展比较成熟的技术，早已在生产实践中得到广泛 应用。但是，随着新的电力电子器件出现、新的电路拓扑的发展、新的调制方 法的研究应用、控制计算机性能的提高和应用领域的扩展，d c a c 变换技术也 呈现出高频化、数字化、智能化、高电压大电流化等新的发展趋势f 3 , 4 1 。d c a c 变换技术高频化、高电压大电流化的发展，加剧了d c ，a c 变换器的e m i ( e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ) 问题，如何利用数字化控制器快速、精确的计算 功能，以及如何应用新的调制技术降低d c a c 变换器e m i 水平、提高系统的电 磁兼容性( e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y , e m c ) 成为新的函待解决的问题。 通常d c a c 变换技术应用于将直流发电机、蓄电池或电网交流电整流成的 直流电能变换为交流电能。随着光伏发电、风能发电、燃料电池发电等新的发 电技术的快速发展，d c “c 变换器的应用领域也得到进一步的拓展。配合新的 发电装置使用并不能把原有的逆变技术做简单的移植。新的发电装置有各自独 特的工作特性，为适合这些特性，建立d c a c 变换器与新的供电装置的兼容性， 需要在原有的d c a c 变换技术基础上做出新的研究。 在新的发电技术中，燃料电池发电技术被认为是有希望继水力、火力、核 能之后成为第四代发电装置和替代内燃机的动力装置。特别是近年来，随着人 们对能源的需求r 益提高、传统化石能源日益枯竭、环境恶化等世界性问题同 益突出，作为一种清洁、高效的替代能源装置，燃料电池发电技术日益成为研 究的热点1 5 , 6 , 7 , s 1 。 燃料电池能够直接把燃料的化学能转化为电能，与传统的火力发电相比， 燃料电池具有：能量转换效率高、环境兼容性好、设备可靠性高等显著的优点。 燃料电池是一种电化学装置。与传统的电池如铅酸电池、锌镍电池一样， 第1 章绪论 燃科电池输出的是直流电能。因为生产、生活中的大多数用电设备使用的是交 流电能，公共电网的电能传输也大多采用交流电的形式，所以，无论是并网发 电或是直接给设备供电，燃料电池输出的直流电能均需要转换为交流电能。 本研究课题的重点就是在深入了解燃料电池的工作特点的基础上，应用d s p t m s 3 2 0 删7 数字控制器的性能特点，研究不同s p w m 调制方式下d c 俄c 变换器的主电路的工作特性和e m i 特点，探讨空间矢量调制技术在单相正弦 d c a c 变换器中的应用，解决燃料电池用d c a c 变换器的兼容性阀题。 1 2 本课题研究的目的与意义 目前，燃料电池发电及其应用技术还处于发展阶段。但是，据国际能源界 预测，燃料电池是2 1 世纪最有吸引力的发电方法之一。美国预计：到2 0 1 7 年， 美国国内3 0 的电能将由燃料电池提供。 美国、日本、加拿大等世界主要发达国家把发展高效、清洁的燃料电池发 电技术视为具有保证能源和电力安全重要战略意义的国家安全关键技术之一， 竞植投入巨资研究开发。 我国是人均能源资源相对贫乏的发展中国家，石油储量是世界的2 ，消费 量是世界第二，进口依赖度近4 0 ，二氧化硫和二氧化碳的排放量则分居世界 第一和第二位。因此，我国发展能源的多元化、可持续性、环境兼容性，降低 能源的进口依赖度，发展更可靠的备用发电装置具有现实的和深远的战略意义。 燃料电池发电及其应用技术是重要的解决方法之一。 小型固定式燃料电池电源系统( 又称为家用燃料电池电源系统) 的研究是 燃料电池应用技术的一个重要方面。小型固定式燃料电池电源系统可广泛应用 于住居建筑、医院、宾馆、户外独立的电信设施。如图1 - 1 所示，白1 9 9 7 年以 来，小型固定式燃料电池电源系统从无到有，累计数量逐年增加，目前有数千 台小型固定式燃料电池电源系统运行于世界各地1 9 t 。 最近几年，国内研究机构也相继开展了燃料电池应用技术的研究开发，并 且在燃料电池动力汽车等方面取得了显著的成绩。但是，我国对小型固定式燃 料电池电源系统的研究尚处于萌芽阶段，与发达国家相比，还存在较大的距离。 图1 - 2 所示的是2 0 0 3 年统计的小型燃料电池电源系统在世界上的区域分布。从 图中可看出美国、同本和欧洲的几乎占居了全部的拥有量一1 。 2 第1 章绪论 图1 - 1 小型固定式燃料电池电源系统的累计值 图1 - 2 小型固定式燃料电池电源系统的区域分布 我国在小型燃料电池电源系统研究的落后局面固然有燃料电池价格昂贵和 我国经济、技术条件落后等制约因素的影响。但是，随着燃料电池发电技术的 研究的深入和发展，燃料电池的成本正逐步向商业化价格逼近，将在未来的十 数年内成为新的产业化和经济增长点。所以，从长远的角度看，我国必须大力 发展包括小型燃料电池电源系统在内的燃料电池应用技术研究，缩小与发达国 家的差距，掌握未来能源利用的核心技术，促进我国的可持续发展战略。燃料 电池应用技术的产业化、商品化研究对技术创新、形成高新技术产业、实现跨 越式发、提高国际竞争能力都具有非常重要的意义。 3 第1 章绪论 1 3 本课题主要研究内容和关键技术 本课题通过一个小型燃料电池电源系统的研制和样机实验过程，对下列三 个方面的问题进行研究： 1 燃料电池的特性及仿真模型。主要包括：燃料电池的静态特性和动态特 性、建立燃料电池的等效电路模型的实验方法、燃料电池模型的计算机仿真。 2 燃料电池用d c a c 变换器的主电路研究。主要包括：d c ，a c 变换器的 主电路拓扑、主电路元件参数设计、主电路工作参数设定、调制方法研究。 3 燃料电池用d c a c 变换器的主电路e m c 研究。主要包括：d c a c 变 换器的电磁干扰源、电磁干扰的传播途径、燃料电池电源系统的敏感设备、 d c a c 变换器主电路的e m c 措旌。 通过以上三个方面的研究探讨改进d c a c 变换器的工作性能的技术，实现 d o ，a c 变换器与燃料电池的电磁兼容。 4 第2 章燃料电池的特性及仿真模型 第2 章燃料电池的特性及仿真模型 2 1 燃料电池发展历史、现状及展望 氢氧燃料电池的原理源于英国业余科学家w i l l i a mg r o v e ( 1 8 11 9 6 ) 的一次偶 然发现。1 8 3 9 年他制作出世界上第一台氢氧燃料电池。1 8 8 9 年m o o d 和l a n g e r 首次采用了燃料电池( f u e lc c l l ，简称f c ) 这一名称，并获得2 0 0 m a m 2 电流密 度。由于发电机和电极过程动力学研究的滞后，直到2 0 世纪5 0 年代燃料电池 的研究才有了实质性的进展，英国剑桥大学的b a c o n 用高压氢氧制成了具有实 用功率水平的燃料电池。6 0 年代，这种电池成功地应用于阿波罗( a p o u o ) 登月飞 船。从6 0 年代开始，氢氧燃料电池广泛应用于宇航领域，同时，兆瓦级的磷酸 燃料电池也研制成功。从8 0 年代开始，各种小功率电池在宇航、军事、交通等 各个领域中得到应用。 与传统的火力发电不同，燃料电池的发电效率几乎不受规模大小的影响， 并且燃料电池具有高效率、低排放、低噪声等优异特性。燃料电池有望成为新 一代发电装置，在固定发电装置、分布电站、电动汽车以及航天飞行器或其它 封闭环境供电等领域有现实的和潜在的巨大需求。随着燃料电池技术的发展成 熟，生产成本的下降，燃料电池的应用将会得到进一步推广，其影响将波及小 至人们的日常生活大至国家能源战略。 2 2 燃料电池的工作原理及特点 燃料电池是一种电化学装置，其结构与一般电池相似。单个燃料电池也是 由阳极( 氧化剂电极) 、阴极( 燃料电极) 以及夹在两电极间的电解质组成。 所不同的是一般电池是电能存储装置，其电能容量是由电池本身存储的反应物 的总量决定的。当电池内部的反应物耗尽时，电池就停止输出电能。而燃料电 池只是把化学能转化为电能的能量转换机器，当燃料电池工作时，燃料和氧化 剂是由外部供给并在电极进行反应产生电能的。原理上，只要反应物不断输入， 反应产物不断排出，燃料电池就能持续地发电。这罩以氢氧燃料电池为例来说 明燃料电池的基本工作原理1 5 j 。如图2 1 所示： 5 第2 章燃料电池的特性及仿真模型 图2 - 1 氢氧燃料电池工作原理 燃料电池产生电能的化学反应是电解水的逆过程。 阳极反应： h ，+ 2 0 h 一一2 h ，o + 2 e 一 1 阴极反应：妄0 2 + h 2 0 + 2 e 一一2 0 h 二 1 整个电池反应：h 2 + 去0 2 一h 2 0 二 图2 1 表示的是单个氢氧燃料电池的工作原理。由于单个燃料电池输出的电 压( 仅为1 伏特左右) 和功率有限，实际应用中总是采用多个燃料电池串联组 成的燃料电池组来实现具有一定输出电压和功率的电源装置，见表2 - 1 。为避免 混淆，下文中所提及燃料电池，如无特殊说明均指燃料电池组。 表2 - 1 三种型号的燃料电池的电气参数 燃料电池型号空载电压满载电压满载电流最人功率电池个数 ( v ) ( v ) ( a )( w ) s r 1 2 4 0 62 8 91 7 3 5 0 04 8 n c x a4 2 22 6 24 51 2 0 04 8 b c s1 9 21 22 53 0 02 0 6 第2 章燃料电池的特性及仿真模型 事实上，由于电极退化、侵蚀以及其它部件的功能退化，燃料电池的实际 使用寿命是有限的。另外，只有燃料电池本体还不能工作，必须有一套相应的 辅助系统，包括反应剂供给系统、排热系统、排水系统、电能控制系统及安全 装置等。 由于燃料电池直接将燃料的化学能转化为电能，没有燃料的燃烧过程，也 没有发电机等旋转部件。所以，燃料电池发电具有许多优于传统火力发电的特 点： 首先，燃料电池属于能量直接转换的装置，效率很高。理论上，燃料电池 发电的平均效率在9 0 以上，应用中因电解质的电阻以及阴阳电极的化学反应 阻力，实际效率也均在4 0 以上。如果进一步将化学反应中产生的热能加以利 用，燃料电池的总效率可达到8 0 以上。 其次，燃料电池的环境兼容性好。由于整个能量转换过程中没有燃烧过程， c 0 2 的排放量比常规火电减少加一6 0 ，s o x 和n o x 的排放量更低，比火电减少 9 0 以上。同时，能量转换的主要装置无运动部件，因此噪音极小。据测试，在 己建燃料电池电厂外9 米处的噪音仅为6 0 d b 。 再次，燃料电池的设备可靠性高，对负荷的适应能力强，可以无人操作。 燃料电池能承受过载运行或欠载运行而保持效率基本不变，对负荷变化响应速 度很快。可以直接建在终端用户附近，节省庞大的输配电网络，提高供电可靠 性的同时节约大量的输配电设备费用。并且燃料电池中无运动部件，所以无机 械磨损，减少损耗。 2 3 燃料电池的分类 目前，燃料电池的种类繁多并各自处于不同的发展阶段。燃料电池可以采 用多种不同的分类方法：燃料与氧化剂的组合比例、燃料改良地点( 内部或外 部) 、电解质的类型、工作温度等。最常采用的是按电解质的类型进行分类的 方法。根据电解质的不同，燃料电池可分为下面5 类【9 l = l 、a f c ( 碱性燃料电池) ：采用的电解质为高浓度( 8 5 w t ) 氢氧化钾( 工 作温度约为2 5 0 0 c ) 或低浓度( 3 5 5 0 w t ) 氢氧化钾( 工作温度小于1 2 0 0 c ) 。 a f c 只能以纯氢作为燃料。a f c 造价昂贵，其应用仅局限于宇航领域。 2 、p e m f c ( 质子交换膜燃料电池) ：采用一种叫质子交换膜的质子良导体 7 第2 章燃料电池的特性及仿真模型 塑料薄膜作为其电解质。因为交换膜必须是充水的，水的蒸发速度不能快于反 应产生水的速度。通常电解质的温度不大于1 2 0 d c 。交换模中的水平衡问题要求 电池的燃料是富h 2 的。通常以p t 作为催化物质。因为c o 对催化物质具有毒化 作用，燃料中不能含有c o 。 3 、p 蟠c ( 磷酸燃料电池) ：采用浓度为1 0 0 的磷酸作为其电解质，工作 温度为1 5 矿c 一2 o c 高温下的。普遍采用碳化硅网片来锁存磷酸。阴阳电极都 采用p t 作催化剂。p a l c 是第一种达到商业化应用水平的燃料电池。p a f c 电源 系统庞大、笨重、昂贵。 4 、m c f c ( 熔融碳酸燃料电池) ：采用锁存在一种叫i j 舢0 2 的陶瓷网片中 的碳酸作为电解质，工作温度为6 0 0 7 0 0 0 c 。由于工作温度高，不需要贵重金属 做催化剂。高工作温度也意味着启动缓慢。一般应用于大型的电源系统( 可至2 兆瓦) 。 5 、s o f c ( 固态氧燃料电池) ：采用固态非多孔的金属氧化物作为电解质， 性能很好。电池的工作温度为6 0 0 一1 0 0 0 0 c 。s o f c 的启动也较慢。一般应用于 2 5 k w 至1 0 0 k w 的固定电源系统。 上述五类燃料电池各有优缺点，适用的范围也不同。相比与其它燃料电池， p e m f c 的运行温度较低；启动时间很短，在几分钟内可达到满负荷；对输出电 能的变化要求反应快。与p a f c 相比，电流密度和功率都较高，发电效率也较 高( 4 5 一5 0 ) ，对c o 的容许值较高( 1 0 p p m ) 。与p a f c 和m c f c 等液体电解 质燃料电池相比，它具有寿命长，运行可靠的特点。p e m f c 被认为是便携式电 源、电动汽车电源、家用电源( 通常指功率为l o k w 以下的小型固定电源) 、小 型商用电源的理想选择之一。 图2 - 2 各种燃料电池住家川电源领域所一i 比例的对比 8 第2 章燃料电池的特性及仿真模型 从国内外燃料电池发展现状来看，p e m f c 的生产和研究都处于较领先的地 位嘲。根据如图2 2 中所示的市场调查结果，p e m f c 在家用电源领域所占的比 例是有绝对优势的。我们关于燃料电池d c a c 变换器的研究也以p e m f c 作为 研究对象。以下文中所提及燃料电池如无特殊说明均指p e m f c 。 2 4 燃料电池的工作特性 燃料电池是一个比较复杂的电化学装置，影响燃料电池工作特性的因素很 多，诸如温度、湿度、气体压力、气体的成分及纯度、反应物的利用率都会对 燃料的电池的工作造成影响【9 】。但是这些因素的研究超出了本专业的研究范围， 我们这里所要研究燃料电池的工作特性是指燃料电池的电气特性。 2 4 1 燃料电池的静态特性 根据电化学理论，标准条件下，单个氢氧燃料电池的理想电压输出为1 2 3 v ( 反应成物为液态水) 或1 1 8 v ( 反应成物为气态水) 【9 1 。事实上，由于燃料屯 池内部的极化作用，燃料电池的输出电压表现出软的特性。在不同的电流密度 下，燃料电池的输出电压并不是恒定的。 影响燃料电池输出电压的极化作用可分为三种： 活化极化( a c t i v a t i o np o l a r i z a t i o n ) ：活化极化与电极的化学活化有关， 是由电极的滞化作用产生的。活化极化在低电流密度时起主导作用。 欧姆极化( o h m i cp o l a r i z a t i o n ) ：欧姆极化是当带正电的离子流过电解 质和带负电的电子流过电极时，由电解质和电极的电阻产生的。欧姆极 化遵循欧姆定理。欧姆极化在燃料电池的正常工作区域起主导作用。 浓度极化( c o n c e n t r a t i o np o l a r i z a t i o n ) ：当反应物在电极发生化学反应 并被消耗时，外围反应物向电极扩散，会在电极周围形成反应物的浓度 梯度。浓度极化是受以下几个过程的影响造成的：气体缓慢渗入电极孔 洞的过程，反应物溶入电解质并扩散到反应地点的过程，反应成物扩散 出反应地点并从电解质中释放出的过程。浓度极化在高电流密度时起主 导作用。 由于极化作用的影响，燃料电池的电压输出随电流密度的增大而降低。三 9 第2 章燃料电池的特性及仿真模型 种极化作用大小和电流密度的大小有关，使得燃料电池的电压一电流密度心线 呈现如图2 - 3 所示的非线性特性。 v1 0 b 皇 删 捌 御 囊0 5 电流密度( r i d c m 2 ) 图2 - 3 燃料电池电压一电流密度曲线 综合以上分析，燃料电池具有以下静态特性： 输出电压特性较软。高电流密度时，燃料电池的压降较大。满负荷时， 压降可达开路电压的1 3 。 在活化极化区及浓度极化区，输出电压与电流密度的非线性关系特征明 显。 只能输出正向电流，即电流的内部流动方向是从负极到正极。 2 4 2 燃料电池的动态特性 燃料电池的动态特性主要有下面两点： 曲电容效应 由于j 下电离子在电解质中和电子在电极中的扩散作用，在燃料电池的电极 与电解质界面会形成“双充电层”现象，其作用相当于电容【9 l o “双充电层”的 建立和消散都需要时间过程。当燃料电池输出电流发生突然变化时，燃料电池 电压需要一段时间的变化爿能达到新的平衡点。 b 1 纹波电流对燃料电池的影响 燃料电池在工作中消耗氢、氧气体产生电能，氢、氧气体的电化学反应是 在燃料电池的两个电极完成的。气体消耗的速度与外电路的电流需求有关。当 1 0 第2 章燃料电池的特性及仿真模型 外电路的电流发生变化时，气体的消耗也随之发生变化，燃料电池的燃料气体 供应平衡被打破。气体是通过气体扩散的方式到达反应地点的，外围气体扩散 到电极并达到新的平衡需要一定的过程。当外电路需求电流含有纹波时，由于 气体扩散作用电极处的气体浓度也周期性地发生波动。为使燃料电池平稳工作， 燃料电池的气体供应需要保持一定的冗余量，冗余量必须保证波动的气体浓度 不低于燃料电池所要求的下限值，否则会造成燃料电池停机或电极氧化等内部 损害，过大的气体冗余值降低了燃料电池的效率【1 0 ，1 1 1 。因此，燃料电池电源系统 的设计应保证燃料电池电极处的气体浓度无明显的波动。氢气的扩散速度要远 大于氧气的扩散速度，因此，燃料电池阴极的氧气浓度波动系数成为纹波电流 的限制条件。氧气浓度波动的程度和外电路纹波电流的频率、纹波系数以及燃 料电池的静态工作点( 电流密度) 有关系。由图2 _ 4 所示的实验结果可知，当纹 波电流的频率低于1 2 0 h z 时，若使燃料电池阴极的氧气浓度在任何工作点均无 明显波动，需要电流纹波系数小于4 。 闰2 - 4 燃料电池阴极氧气浓度波动外界条件的变化 ( 纹波电流频率：a 为3 0 h z ，b 为6 0 h z ，c 为1 2 0 h z ，d 为1 2 5 0 h z ) 第2 章燃料电池的特性及仿真模型 燃料电池的静态、动态特性会影响整个燃料电池电源系统的特性，另一方 面，系统其他部分的工作特性也会对燃料电池造成影响。设计时，应根据燃料 电池的静态、动态特性，在主电路拓扑结构上、电磁兼容上以及控制策略上做 细致的研究，使系统内各子系统的具有良好的兼容性，使整机具有良好的工作 性能。 2 5 燃料电池的仿真建模 2 5 1 概述 燃料电池输出的是直流电能并且输出电压特性较软，因此，燃料电池直接 连接负载的使用场合很少。往往是通过d c d c 或d c a c 变换器把燃料电池输 出的直流电能变换为符合负载使用电压等级要求的直流电或交流电。为满足这 一要求的电能变换器称为电能调理装置1 1 2 , 1 3 , 1 4 1 。 电能调理装置是由电力电子器件、电感、电容等电力器件组成的，与燃料 电池相连接，组成一个电源系统。电能调理装置和燃料电池的工作特性是相互 影响的，并且受负载的线性、阻容性等特性的影响。为使整个系统的达到良好 的动静态特性，并且使燃料电池与电能调理装置之间做到电磁兼容( e m c ) ， 需要在设计阶段对整个系统进行计算机仿真以辅助设计。通过计算机仿真，研 究燃料电池与电能调理装置相互作用的特点，为电能调理装置的拓扑结构、元 件参数选择、控制策略提供指导。 计算机仿真辅助设计阶段，为了保证系统级别上的仿真j 下确性，燃料电池 组的模型应该准确地反映燃料电池的特性。并且，模型应该能够很容易地和其 它组件如i g b t 、电力二极管等电力电子器件以及电容、电感等电能存储设备的 计算机模型连接，以便于整个系统的仿真。 通常燃料电池模型可分为两种，分别是：稳念模型和动念模型。稳态模型 反映燃料电池的v i 关系，而动念模型反映燃料电池突加负载或卸负载时瞬态的 变化1 1 ”。燃料电池模型的建立可采用两种方法：分析法和实验法。分析模型利 用电化学方程建模【1 6 , 1 7 , 1 8 , 1 9 j ，需要燃料电池参数诸如传递系数、内部湿度、催化 层厚度等，往往这些知识是电气工程师所不具备的。分析模型模拟的是燃料电 池在大范围运行条件下的性能。但是复杂的计算和电化学专业知识背景的要求， 1 2 第2 章燃料电池的特性及仿真模型 使得这些模型对许多电气工程师来说难以理解和掌握。实验模型是利用实验数 据，采用数据拟合方法得到模型参数的建模方法i 儿】。模型参数获得的方法决定 了实验模型只在小范围运行内是精确的。与分析模型相比，实验模型的建立比 较简单，无需燃料电池的电化学专业知识也无需燃料电池的具体工艺参数，这 一点对电气专业人员是最具吸引力的。 另外，为便于燃料电池的模型与其它电气元件连接，最适宜的方法是用燃 料电池的等效电路来构建其模型。 2 5 2 燃料电池的静态电路模型 燃料电池的静态电路模型又称为燃料电池的直流电路模型。采用实验方法 构建燃料电池的静态模型的方法是：燃料电池接直流负载，从零到满负荷逐次 改变燃料电池负荷的大小。每次负荷发生变化，使燃料电池工作足够长的时间， 以保证燃料电池的工作达到稳态。燃料电池工作达到稳态后，记录该工作点燃 料电池的端电压和输出电流的大小。根据实验数据，就可以绘制出燃料电池的 v i 极化曲线。如图2 5 所示，图中的三条曲线就是根据实验数据绘制出的三种 不同型号的v i 极化曲线【1 1 1 。 图2 - 5 三种型号燃料电池的极化曲线 燃料电池的极化曲线在低电流时表现出较明显的非线性，当电流大于2 5 满载电流时，极化曲线线性度较好，可近似为线性的。如果忽略低电流时的非 线性部分，燃料电泡的静念模型可简化为一个等效电阻r p 和一个电压源的串联 电路，如图2 - 6 所示。电压源的电压等于燃料电池的开路电压v o n ol o a d ，等效电 第2 章燃料电池的特性及仿真模型 阻r p 的值为： r ，- 气兰一 其中，u 。j 0 a d 为燃料电池空载时的端电压( 开路电压) ， 电池满载时的端电压，i o 咖l u o a d 为燃料电池满载时的输出电流。 r ， + v o ( 2 1 ) v q 舢为燃料 图2 - 6 燃料电池的静态等效电路 从图2 5 还可以看出，不同型号的燃料电池的极化曲线虽具有大致相同的变 化趋势，但具体参数是各不相同的。 2 5 3 燃料电池的动态电路模型 燃料电池的动态电路模型又称为燃料电池的交流电路模型。采用实验方法 构建燃料电池的动态模型相对于静态模型的构建要繁琐许多。首先应该说明的 是，燃料电池的动态模型反应的是燃料电池某一工作点附近小范围内的工作特 性。对某一特定的燃料电池，不同工作点的动态模型虽具有相同的等效电路结 构，但电路元件参数是不同的。 使燃料电池工作于v i 曲线某一直流工作点，并叠加上一个一定频率的小幅 正弦交流电流，检测燃料电池两端的电流和相应的电压，计算出燃料电池的阻 抗。从0 到1 0 k h z 改变正弦交流电的频率，并重复上述的步骤，就可以计算出 燃料电池内阻的频率响应。图2 7 所示的即是根据上述实验方法计算并绘制出的 一种燃料电池( 型号为s r 1 2 ) 在某一直流工作点( 直流电流为1 8 a ，叠加j 下弦 交流电流为1 a ) 时内阻的幅相频率响应，即波特( b o d e ) 图。 改变燃料电池的直流工作点，并重复上述实验，可以得到燃料电池不同工 作点的频率响应。为便f 数据分析，可采用另一种反映燃料电池频率特性的表 达形式，即燃料电池的n y q u i s t 阻抗图。n y q u i s t 阻抗图的横向坐标表示阻抗的 1 4 第2 章燃料电池的特性及仿真模型 实部，纵向坐标表示阻抗的虚部。n y q u i s t 阻抗图又称为c o l e c o l e 图或复数阻 抗平面图。n y q u i s t 阻抗图可以比较直观地显示出阻抗的特性：n y q u i s t 阻抗曲线 的每一个半园表示阻抗的一个r c 时间常数，相应于半圆顶点的频率即是特征频 率f t v z 嬲c ，半园的半径表示电阻值r 。图2 8 所示的是两种型号燃料电池的 n y q u i s t 阻抗图。仔细观察图2 - 8 ，可以看出燃料电池的n y q u i s t 阻抗曲线有三个 半圆，即说明燃料电池的电路模型具有三个r c 时间常数。结合曲线拟合的技巧 就可以得到燃料电池某一工作点的动态特性电路模型以及电路的参数。图2 - 9 所 示的是根据上述实验方法和数据分析方法得到的两种型号燃料电池的电路模 型。表2 3 是两种型号燃料电池的模型参数。 图2 - 7s r 1 2 燃料电池幅相频率响应的实验数据及拟合曲线 墨 盏 置 霎 n y q n i b t m 执实帮 图2 - 8 as r 1 2 燃料电池不同i ：作点的n y q u i s t 阻抗曲线 第2 章燃料电池的特性及仿真模型 薯 薹 堇 量 n y q u i s t n 抗安部 图2 - 8 bn e x a 燃料电池不同工作点的n y q u i s t 阻抗曲线 图2 - 9 燃料电池动态电路模型( j = 作点：4 5 a ) 表2 - 3 燃料电池( 满载。i j 作点) 动态屯路模型的参数 燃料r 1r 2 r 3 r 4 r 5r 6 c 1c 2 ( 2 3 l 1 电池 ( o )( o ) ( o )( q )( q )( m q )( m f )( m f )( m f )( p d 啦号 s r l 20 4 10 0 1 1 50 1 70 1 50 0 8 5o 0 78 092 52 n e x ao 1 5 0 0 1 1 5 o 1 50 1 50 0 6 50 0 77 0 7 55 54 8 燃料电池的电路模型及模型参数一旦确定，就可以利用计算机仿真软件对 燃料电池建模及仿真。常用的仿真软件有p s p i c e 和m a t l a bs i m u l i n k 等软件。 相比较来说，m a t l a bs i m u l i n k 是一种移植性较强的软件。因此，我们采用m a t l a b s i m u l i n k 软件搭建燃料电池的仿真模型。图2 1 0 所示的是采用m a t l a bs i m u l i n k 中s i m p o w e r s y s t e m s 模块搭建的燃料电池的模型。s i m p o w e r s y s t e m s 模块匀l 中还 1 6 第2 章燃料电池的特性及仿真模犁 有诸如i g b t 、m o s f e t 、电力二极管等的电力电子器件的仿真模块。因此采用 s i m p o w e r s y s t e m s 模块搭建的燃料电池的模型可以很方便地和其它电力器件的 仿真模块连接组成一个完整的系统模型。这种模型具有直观性强，构建简单方 便的特点。便于观察分析电力电子器件的暂态过程，适用于系统的开环仿真。 c 3 r 0 r 5 l 1 图2 - 1 0 燃料电池动态电路模型的模块形式 系统闭环仿真时，为提高仿真的速度，往往忽略电力电子器件的暂态过程， 而把其视为理想的开关器件。这时，整个系统包括燃料电池的模型可以采用传 递函数的形式。图2 - 1 1 所示的是燃料电池的采用m a t l a bs i m u l i n k 搭建的传递函 数模型。燃料电池及整个系统传递函数模型的搭建相对比较复杂，直观性不强。 并且由于忽略电力电子器件的暂态过程，仿真结果的准确性也会受到一定程度 的影响。但是采用传递函数模型可以使仿真速度得到数量级上的提高。因此， 在系统的闭环仿真时，往往采用传递函数模型。 燃料电池的动态电路模型是一个比较复杂的三阶电路。研究特定频率下燃 料电池的动态反应时，燃料电池的动态电路模型可做简化处理。特定频率下模 型中的动态元件阻抗值是固定的，可以经过串联电路、并联电路简化计算得到 燃料电池在特定频率下只含有一个动态元件的电路模型。例如，在交流频率为 l o o h z 时，经过简化计算燃料电池的动态模型可化简为如图2 1 1 所示的电路。 图中r mm0 1 3 3 4 q ，c m - 4 6 3 6 m f 分别表示交流1 0 0 h z 下，燃料电池等效 内阻抗的纯阻性部分和容性部分。 1 7 第2 章燃料电池的特性及仿真模型 图2 - 1 1 燃料电池动态电路模型的传递函数形式 + k 图2 - 1 2 交流1 0 0 h z 时燃料电池动态电路模型 2 5 4 虚拟燃料电池模型 目前，燃料电池还是比较昂贵的装置，对国内的大多数研究机构来说，燃 料电池的实物实验费用难以承受。并且作为研究工作束说，不会仅限于一种型 号、规格的燃料电池的应用研究。如果均采取实物实验的研究方法，其费用支 出将是不切实际的。在这种情况下，我们可以建立虚拟规格的燃料电池的模型。 建立的虚拟规格燃料电池模型必须尽可能地接近于实物燃料电池模型。 可以看出上文提到的两种型号燃料电池实验模型的结构是相同的。另外， 从模型的物理意义分析，模型中的电容和燃料电池的“双充电层”现象有关。 1 8 第2 章燃料电池的特性及仿真模型 电极的有效作用面积越大，“双充电层”现象越严重，等效的电容值与电极的 有效作用面积成正比。模型中的电阻和燃料电池中的极化作用有关，在正常的 工作范围内，燃料电池的工作点处于欧姆极化区域，而欧姆极化作用是与电极 的有效作用面积成反比的。不同型号燃料电池输出满载电流时，其电极的电流 密度是基本一致的。这就意味着燃料电池输出的最大电流和电极的有效作用面 积成正比例关系。相同最大输出电压的情况下，电容值与最大电流成反比，电 阻值与最大电流成正比，而燃料电池的感抗与电极的引线长度有关，电极面积 增大对其影响不大。另一方面，燃料电池的最大电压( 满载电压) 与单个燃料 电池串联的个数成正比例关系。燃料电池的串联对电路模型参数的变化有着不 同的影响：等效电容值与燃料电池串联的数量成反比；等效电阻值与燃料电池 串联的数量成正比；等效电感值与燃料电池串联的数量成正比。 如果我们已知a 规格燃料电池的电路模型参数( r l a , - 6 a ，c l a - 3 a ，l l a ) ， 并且知道b 规格燃料电池的满载电流和最大电压( 满载电压) 分别是a 规格的 m 倍和n 倍，根据以上的分析我们可以得到b 规格燃料电池的电路模型参数的 推算公式： r x b 。旦i 渤，c y b 。竺 a ，l l b 。玎l l a ( 2 3 ) m n 其中x 一】，z 3 ，4 ，5 ，6y = 1 , 2 , 3 。 通过以上公式推算出的b 规格燃料电池的模型参数虽会与实际有误差，但 在没有实物燃料电池的情况下，构建虚拟规格的燃料电池的模型不失为一种有 效的研究办法。表2 - 4 为两种虚拟规格的燃料电池以及n e x a 的电气参数，表2 - 5 是根据公式( 2 3 ) 并依n e x a 的电路模型参数为基准推算出的两种虚拟规格燃料 电池满载工作点时动态电路模