基于模糊PID的燃料电池稳压系统研究

张文泰 姚远

摘要：燃料电池是一种利用电化学反应的新能源发电装置，因具有节能环保的特性而得到广泛研究。但其外特性很软，随负载变化较大，难以维持额定输出状态。文章探讨了燃料电池的工作特性，使用单向DC/DC变换器建立稳压系统，并利用模糊PID控制算法改善其输出稳定性。

关键词：燃料电池;DC/DC变换器;模糊PID

中图分类号：TM911.4        文献标识码：A

1 引言

随着人类工业化进程的不断完成，对能源的需求日益增加。传统的化石能源因其不可再生性和对环境的污染，在全球减排温室气体的趋势下愈发式微，因此对新能源的研究利用备受各发达国家重视。氢能作为一种储量大、无污染的绿色能源，逐渐得到更多的应用。燃料电池作为氢能利用的重要研究方向，其发展前景和商业价值已经得到体现，尤其是在电动汽车的设计研究中得到了广泛的应用。

传统的燃料发电机是使用燃料燃烧带来的热能产生水蒸气，从而驱动发电机运转，在发电过程中效率较低，能源损耗较大。燃料电池则是将氢气燃料与氧化剂通过电堆中的电化学反应直接发出电能，其能源利用率大幅提高，并且排出物只有水蒸气，对环境没有污染。不过燃料电池的输出受内部材料活性与外部负载变化的影响较大，从而导致输出范围较宽。同时由于电化学反应需要作用时间，因此燃料电池的动态响应较慢。而其自身又不具备储能能力，无法根据负载变化调节电能供应。因此，需要为其构建外围稳压电路，以正常供应电能。[1-3]

2 燃料电池

本文使用的燃料电池为100 W质子交换膜燃料电池（PEMFC），其性能参数如表1所示。

PEMFC系统组成框图如图1所示。作为燃料的氢气由稳压阀送入电堆，与被风扇带入的氧气产生电化学反应，从而发出电能并排除无用的水蒸气。

由于燃料电池的外特性较软，其输出电压并没有达到12 V的额定电压，而是介于6～10 V之间，且随着负载增大输出电压逐渐下降。为此，需要为其搭建稳压系统，使其输出电压达到额定值。

3 DC/DC变换器

因为燃料电池的输出电压会在较宽范围内变化，考虑到负载端的稳压供电以及电压可调，需要在燃料电池输出端增加单向DC/DC变换器。在本文中需要将6～10 V之间的输出电压提高到12 V的额定电压，故使用升压变换器。并且由于系统中电压变比较小，DC/DC变换器不需要加电气隔离，因此使用图2所示的非隔离式Boost变换器拓扑结构[4]。

DC/DC变换器的临界电感值为：

而实际选用值一般为临界值的1.2倍，因此电感值选用15 μH。

电容的选取大小为：

场效应管选用的是N沟道MOSFET：IRFZ14。

4 模糊PID控制策略

由于燃料电池系统具有非线性特点，其随时间变化的输出特性使得手动整定PID参数无法满足系统需要。为了增加参数自整定能力，可将模糊控制策略与PID控制算法结合起来，在线调节PID控制参数。使用模糊控制器分析偏差e和偏差变化率ec，来确定比例、积分、微分环节的调节量，以在线整定PID参数，优化被控对象的调节，如图3所示。[5]

PID比例、积分、微分系数的调整分别由三个模糊控制器FC1、FC2、FC3来控制，其参数选取如表2所示。

设计FC1的输入变量e为8个，其他输入和输出变量均设为7个。隶属度函数以梯形为主，结合Z形和S形，并使用Matlab建立曲面视图分别如图4至图6所示。

在以上规则的基础上，利用Simulink工具箱建立模糊PID控制系统的仿真模型，各子模块如图7至图9所示。

在建立各子模块后，即可建立模糊PID控制的Boost电路控制模型，同时建立传统PID控制模型用于比较，如图10、图11所示。在仿真中设置给定值为12 V电压，以对比模糊PID算法与传统PID算法的调节效果，其结果如图12所示。可以得出结论，传统PID控制系统具有较大的超调量，而模糊PID基本没有超调量，系统更加稳定。

实际系统测试结果如图13所示，在燃料电池输出电压随负载增大而降低的条件下，稳压系统的输出电压可以保持在额定值12 V。不过输出电压的纹波较大，仍需改进硬件电路与控制算法。

5 总结

本文依据PEMFC较软的输出特性，进行单向Boost变换器稳压供电系统的研究，并使用模糊PID控制算法进行了电压输出控制，但输出电压纹波较大，还需要进一步改进。

（责任编辑：陈之曦）

参考文献：

[1]金科，阮新波，杨孟雄，等.复合式燃料电池供电系统[J].电工技术学报，2008，23（3）：92-98.

[2]肖铎，戚伟， 汪秋婷，等.100 W质子膜燃料电池应急供电系统[J].电子技术應用，2012，38（3）：75-77.

[3]姜志玲，陈维荣，刘小强，等.燃料电池发电系统的能量管理控制[J].电源技术，2010（9）：911-914.

[4]陆治国，马召鼎，邓文东，等.一种适用于燃料电池系统的DC/DC变换器[J].电力电子技术，2010，44（9）：14-15.

[5]王静，康龙云，李鹰.基于模糊自适应PID控制的铅酸蓄电池充电系统仿真[J].低压电器，2012（2）：31-34.