燃料电池建模技术：用于电力系统仿真与控制

近年来，人们就汽车排放对环境的影响表现了极大关注。这些关注及燃料电池的进步为燃料电池提供了极大的应用空间^［4］。人们正考虑将燃料电池应用于混合动力汽车、便携式装置以及其他排放需要维持在一个较低水平的某些领域。

质子交换膜（PEM）燃料电池有潜力成为HEVs的主要电源。然而，这种燃料电池系统较为庞大并且复杂，因此需要准确的模型以仿真应用于HEV时所要求的辅助电力系统。本节将会重点介绍燃料电池建模技术，以避免制造庞大且昂贵的样机。图10-3展示了燃料电池/蓄电池混合动力电力系统工作流程。图10-3的蓄电池组用来弥补燃料电池处理器较慢的起动和瞬态响应等劣势^［4］。同时蓄电池可以用来HEV的回馈制动。

图10-3 燃料电池/蓄电池混合电力系统的框图

由于燃料电池比较庞大、复杂，因此设计和制造新型样机十分困难^［5，6］。因此一个可行的替代方法就是对系统建模，然后进行仿真。燃料电池系统包括转换器、燃料电池组和DC/DC（Buck/Boost）或DC/AC转换器。电力电子转换器的终端输出是将燃料电池组的低压输出转化后为DC电压或AC电压。这里将讨论燃料电池系统的电气等效模型，这个模型可以很容易通过计算机软件进行仿真。

在燃料电池的等效电气模型中，一阶时间延迟电路中较长的时间常数代表燃料转换器。类似，燃料电池组同样使用一阶时间延迟电路表示，但是时间常数较小^［5］。因此，转换器和燃料电池组的数学模型可以表示如下：

式中，RrCr=τr是转换器的时间常数，RsCs=τs是燃料电池组的时间常数^［5］。等效电路如图10-4所示。

通过仿真图10-4的等效电路，可以研究系统运行特性。为了得到一个快速的系统响应，DC/DC或DC/AC转换器可以利用其较短的时间常数达到控制的目的。但是，即使时间延迟较长，最终必须对燃料电池进行控制^［5］。燃料电池化学模型的输入包括空气（O₂）和氢气（H₂）、冷却水、一定湿度的氧气和氢气以及负载电阻。化学模型的输出包括燃料电池的温度、功率损耗、内部电阻、输出热量、效率、电压和总功率输出^［6］。氢气供应过量时，为了避免浪费，一般都会使气体循环流动。

图10-4 燃料电池系统的等效电路模型