电气专业中文翻译

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1、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

2、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

3、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

4、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

5、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

6、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

7、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

8、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

9、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，C

10、BC 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、 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

12、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

13、，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，

14、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

15、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

16、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