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满足脉冲功率需求的主动控制燃料电池/混合动力车 高利君，江振华，罗杰答杜格尔 美国 南卡罗来纳州，哥伦比亚大学，电机工程学系摘要 本文介绍了一种主动控制燃料电池/电池混合动力源的拓扑结构的实验结果，可广泛用于多种应用，如便携式电子设备，通讯设备，航天器电源系统，电动车，其中电力需求是变量，而不是常量。通过降压直流/直流功率转换器，编入主动控制之间的燃料电池和电池可以同时实现高功率，高能量密度，高功率流。结果表明，混合动力源可以实现更大的比功率和比燃料电池功率密度单。本文首先证明了一个具有35W以氢气为燃料的聚合物电解质膜燃料电池和6单元锂离子电池组主动控制混合产生峰值功率为100W，大约只要三倍燃料电池便可以供应，整个系统的重量增加十分有限（10）。在此之后，另一个源混合使用不同的电池阵列（八个单元）进行了研究，以进一步验证了控制策略，并表现出灵活性和混合动力源设计的普遍性。实验数据表明，混合源使用8芯电池供电的135W峰值功率是该燃料电池的4倍，。最后，三个动力源包括单个燃料电池和两个混合动力的研究，比较特殊的电源，功率密度，体积，重量等方面的设计，这里还可以扩展为多种应用到更大或更小的发电量。 2003埃尔塞维尔BV公司保留所有权利。 关键词：混合动力源;锂离子电池，聚合物电解质膜燃料电池，电源转换器 1。简介 很多应用，如便携式电子设备，通讯设备，航天器电源系统，电动车，在他们的负荷曲线上有一个共同的特点。那就是，他们有很高的峰值功率比平均功率。燃料电池（如质子交换膜燃料电池）被认为是下一代能源设备中最有前途的替代品，由于其高能量密度和清洁能源1,2。然而，由于它们的特性，限制要求，燃料电池还有很长的启动时间（通常几分钟）的现象时，瞬时功率需求。与燃料电池相比，锂离子充电电池有没有快速的瞬态响应热烈向上或启动时，它们的特定功率也大大高于燃料电池。结合燃料电池产生电池混合动力源，使每一个独立设备的优势，尽其用，可满足上述两方面的高功率和高能量密度应用的要求3,4。在这种混合燃料电池/电池电源，燃料电池是通过控制以满足长期的平均负载功率的要求;电池另一方面，用来满足于低间隔高脉冲功率的要求，负载时均功率应小于或等于额定功率的燃料电池的能力，否则电池最终将用尽。 本文主要介绍了主动控制的燃料电池/混合动力混合动力试电池混合动力的试验研究。相对于被动控制的混合动力车，燃料电池是与电池并行连接直接，一个主动的混合动力有几个潜在的优势。考虑在图所示的有源混合结构。 1，直流/直流电源转换器之间的结合燃料电池和电池，使电力流可以被主动管理。在这种配置中，燃料电池是通过隔离电源转换器脉冲负载，而电池则不是。通过控制功率转换器，燃料电池的输出电流，电池电流和电池电压都可以进行调节。 有一段时期：混合动力源是本研究重点原则说明如下 ：为满足低功率的需求，燃料电池将被控制在产生一个平均能量值以满足负载，并在同一时间对电池充电;在高功率需求期间，燃料电池将产生额定功率和电池会在任何范围内放电（至安全极限）以满足高功率要求。 我们对两种混合动力源的配置进行了测试研究。这两种配置使用相同的燃料电池，功率变换器及控制算法，它们之间唯一的区别是电池阵列的大小。研究结果表明，这种燃料电池/电池混合动力源取得比单独元有更大的燃料电池比功率。第一个混合动力源的研究，它使用了六芯电池，表现出了100W的峰值功率的能量，这是三倍于单个燃料电池的量。第二个混合动力源的研究，我们利用了一个八芯电池，实现了更高的峰值功率135W。除了提供更高的功率比的优势，主动控制混合动力拥有了更多的优势，更好地调节输出电压，更小的燃料电池压力，更轻的重量和体积较小的系统（一个固定的峰值功率），以及在电力需求逐步改变中有更快的启动和更快的反应过程。 在下面的部分，介绍了该系统详细的实验装置。第3节再介绍两个主动控制混合动力的配置的实验测试，并比较了混合动力源的燃料电池，注重具体的功率，功率密度和电源的体积和重量。最后，给出的结论是在第4节。 在主动控制燃料电池/混合动力实验系统/电池，以上图所示1，是采用氢为燃料的聚合物电解质膜燃料电池 由H -电源制造的额定功率为35W的24V的标称容量和开路电压，并与索尼US18650标称容量的每节1400毫安时的锂离子电池。降压直流/直流功率转换器，构建了使用同步整流器。如图所示2，两个MOSFET均采用这种结构，并同步操作和互补。采用被动式二极管，而不是一个主动的开关大大降低了传导损耗，从而提高转换效率，因此，这种结构越来越普遍在低电压电源上应用。 实时数字控制器（dSPACE的DC1103PPC控制器板）用于控制直流/直流转换器。在实验中，控制算法最早是在Matlab / Simulink建立，然后编译并下载到dSPACE的硬件。电池的电流，电压和燃料电池的电流通过dSPACE控制器板的A / D转换器的输入口进行了监测。实时控制器为电源转换器提供开关控制作用。 图3，显示了混合动力系统的照片。请注意，电源转换器，显示了一般的测试目的，它的体积可在工业生产中显著减小。一个可编程电子负载（未在图所示）是用来产生一个脉冲电流负载。实验系统的一些规格见表1。通过对两种不同的电池组研究：一个有六个电池三个系列的两个并联组以及另外使用八个电池四个种类的两个串联组。 通过调整电源转换器的占空比，燃料电池的输出电流，电池电流和电压可调节。对于这样一个系统，主要是考虑下面的因素：电池电压的规定值，以防止过度充电或过度放电,电池充电电流应限制在较安全范围的最大值，以及燃料电池电流应调整以提供适当的电力给负载或充电电池。因此，这三个参数，包括燃料电池电流，电池电压和电池电流进行采样和制程指数所用。作为三个系统所定义的监管模式是：电池持续电压（CVB），电池恒电流（CBC）和燃料电池恒电流（CFCC）。如果电池电压超过规定电压，这可能对应于空载载或轻载充电状态，CBV状态适用。在这种模式下，输出的燃料电池和电池的充电电流电流应低于额定电流。如果电池电压低于参考电压，它可能对应的重载或轻载充电状态，。在这种状态可根据负载的条件，如果当前的需求大于额定输出燃料电池，电池的充电电流可能需要加以规范，以保证电池电流低，CBC模式适用。在这种情况下，燃料电池电流是无被规范的，但始终低于额定电流。如果当前的需求非常高，CFCC模式适用。在这种情况下，电池可解除或在低功率下充电。 该控制方法在Matlab / Simulink环境下的脉冲电流负载条件下测试。在实验中，该控制算法Simulink的代码编译并下载到dSPACE的平台，以控制实际的硬件。在控制设计和实施更多的细节描述在5。 3。实验结果与讨论 3.1。有源混合动力的能量增强 下面的实验研究证明了燃料电池相比单独主动控制混合动力有能量的增强。 在这个实验中，主动控制混合动力源采用了六芯锂离子电池系列及三种电池两个并联组。电池组电压为11.5V和初始充电电流被限制在考虑电池的安全性的2.0A（大约为每一个细胞1C充电率）。电池组的最大放电电流，主要是由电池内部结构决定的，定为8.0A，相应的每个电池4.0A。一个脉冲电流负载被指定与图4中显示的电流对比。负载时间为20秒的含有3个12A的高脉冲电流及17s的低点为0.5 A.的低电流，当前需求的燃料电池的额定功率为35瓦，相当于值2.0A与端电压约17.5V燃料电池。 在实验中，在低功率需求期间，燃料电池控制在平均产生能量，是足以满足负荷时，同时给电池充电，在高功率需求期间，燃料电池被控制产生的额定功率和电池出院满足额外的功率要求，超过了燃料电池的供电能力。 如图（1）描述了混合动力系统的电能特性：由燃料电池产生净功率等于电池充电/放电加负载的负载能力。在VFC和IFC是燃料电池端电压和输出电流，功率转换器Conv是效率，估计为一恒定值的92，这里为了简化分析，vBatt和iBatt是电池组的端电压和输入电流，ILOAD的是负载电流。 当脉冲负载要求较低（0.2A）项，满足负载和电池的充电式中估计总功率的要求。如图（2），其中负载功率约为2.4W，电池充电功率为24W。最大净功率可以由燃料电池和电源转换器提供对计算式图（3）中，它有更大的负载与电池的总功率需求。因此，混合动力系统将在CBC模式运行。 其中Plow间的负荷曲线的总功率低于需求的水平，PMFC是燃料电池和电源转换器的最大净功率。 当脉冲负载要求高（12A），明确规定的燃料电池较的负载功率比额定功率高，因此，燃料电池控制供应额定功率和电池，然后提供额外的电源需求。此时，电池组放电电流非常高，电池端电压下降严重。在这段时间内，混合动力系统将在CFCC模式运行。 图5和图6显示电流和电压波形和燃料电池在300s的实验。从图5，可以看出，当负载为低功率，燃料电池电流约为1.55A，提供给负载电流0.2A电流，并在同一时间以2.0 A的电流充电，因此，在混合动力系统工作于CBC模式。当连接到更高能量的电源时燃料电池电流提高到2.0A，相当于其额定输出功率。在同一时间电池放电电流跃升至约8.2 A。在高功率需求高峰期，在CFCC模式工作。在图6，燃料电池电压在低功率需求期间约18.8V，在高功率需求降低至18.0V。负载轻时电池组电压为12V，高负荷时降低到约9V。 从实验结果可以看出，所设计的控制算法行之有效，这种混合动力源，使用35W的质子交换膜燃料电池和6芯索尼US18650锂离子电池，产生的峰值功率为100W，约是单个燃料电池供电量的三倍。 3.2。设计的灵活性和控制的普遍性 在这一部分，另一混合源使用8芯锂离子电池进行了测试，进一步验证了系统的控制，并表现出灵活性和混合动力源设计的普遍性。 一个装有燃料电池和电池组电源转换器的重要优点是电池组的电压可以从由燃料电池的电压不同而不同，因此，它有更宽的输出范围。 电压和电源为设计提供了更多的灵活性。在上一节混合使用六个电池的电源研究中，我们将相同的燃料电池增加到了八个，使用相同的电源转换器，相同的控制方式进行了反复的脉冲电流测试。脉冲电流还通过了以前的配置指定的方式，除了最高电流需求值改变到了10.5A，使电池放电在最大放电电流。 实验结果显示在了图7和图8。为方便起见，我们使用六芯电池混合动力电池组一号，我使用个八芯电池混合动力电池组二号。图 7说明了这两个杂种电流波形。可以看出，燃料电池混合电池组二号电流始终保持在2.0A，相应的燃料电池在额定范围发电，我展示了目前的燃料电池混合动力在高功率方波周期的变化，达到2.0A的需求。在低功率需求期间，混合动力电池组二号放电，电流1.8 A，这比参考值（2.0 A）低。这是因为负载的需求加上电池充电电源一号，可以使电池充电电流达到最大总要求值。当负载功率需求很高时，混合动力组二号放电并具有高放电电流约8.1A：图8显示了燃料电池和电池电压波形。这种燃料电池混合动力二端电压除了小负荷时的电力需求变化的瞬态尖峰以外，保持在恒定值约18.1V。电池电压为16.1V左右时，负荷轻，约12.8V时，负荷重。 可以看出，混合动力电池组二号只工作在CFCC模式，混合动力电池组一号则可在CFCC模式和CBC模式切换。负载大约135W（12.8V10.5A）在高功率需求期间，可以提供四倍于单个电池所提供的功率，也比混合动力电池组一号的峰值功率高，因为混合动力电池组二号比混合动力电池组一号多用了两个电池。3.3。源对比 三电源包括单个燃料电池和两个混合动力电池，主要研究比较它们具体的功率，功率密度，体积和重量。虽然电池组和转换器增加了其质量和数量，但由于它的高功率容量，主动控制系统的功率和功率密度仍然大大增加了。总结在表2中与单个燃料电池相比，在以前指定的脉冲电流负载条件下（20 S周期和15变化范围）。可以看出，利用八个主动控制混合动力电池比使用六个主动控制混合动力电池功率高1.2倍，比单个燃料电池高3.4倍。 功率密度的比较得出了了类似的结论。请注意，混合动力源的燃料电池在电池没电和电池转换器插入时的情况与单个单个燃料电池相似。很显然，主动控制系统在功率和功率密度方面总是有优势。主动控制的燃料电池/混合动力电池源比单个燃料电池的重量仅增加9.7/12.6，在体积比较中也可以发现类似的结果。 4。结