5kW质子交换膜燃料电池的动态模拟与控制效果分析

为了模拟，我们用Simulink中的一个计时器来产生负载曲线。负载曲线的详细情况如图5-15所示。

燃料电池电压控制如图5-16所示。燃料电池电压随着负载曲线的变化而变化。因为燃料电池系统不能补偿快速的功率需求（例如加速和减速，或燃料电池汽车其他快速负载变化）所以我们需要使用辅助电源（例如电池或超级电容）。

根据负载变化，电流从6.5A变到160A。燃料电池系统可以产生最高4.6kW的功率。

对于电压（图5-16）、电流（图5-17）和功率（图5-18），非线性控制和线性控制的区别不是很明显。这是因为响应时间很快，据文献[5]报道，小于几个毫秒。

在图5-19和图5-20中，氢气流率在0～5L/min之间变化，氧气流率在0～14L/min之间变化。我们可以看到，氧气流率比氢气流率变化大得多。这是因为氧气流率比氢气流率对负载变化更敏感。

根据图5-21和图5-22，燃料电池系统的非线性和线性压力控制器都跟随三个大气压参考值变化。在本书所附的光碟中，可以找到这些模拟文件。通过改变负载曲线，可以得到不同的结果。

图5-14 使用反馈线性化的非线性控制器模块

图5-15 负载变化曲线

图5-16 负载变化时的燃料电池电压

(www.xing528.com)

图5-17 负载变化时的燃料电池电流

图5-18 负载变化时的燃料电池功率

图5-19 氢气流率的变化

图5-20 氧气流率的变化

图5-21 氢气压力的变化

图5-22 氧气压力的变化

在本节中，我们用MATLAB/Simulink建立了一个5kW质子交换膜燃料电池的动态模型，分析讨论了它的线性和非线性控制器及模拟结果。从图5-16中可以看到，燃料电池系统应该与辅助电源系统协调工作，以避免负载变化引起的电压降。为了能把燃料电池系统与辅助电源系统整合到一起，需要使用电力电子设备和电器元件，如电容、电阻和电抗器等。因为开关装置会使模拟变慢，而我们又使用了1kHz以上的高开关频率，所以很容易得到转换误差。举例说，为了模拟一个30s的时间段，我们需要5～6h的时间才能完成模拟。本书并不涉及混合动力燃料电池系统的模拟。