基于模糊PID的燃料電池穩壓系統研究

張文泰 姚遠

摘要：燃料電池是一種利用電化學反應的新能源發電裝置，因具有節能環保的特性而得到廣泛研究。但其外特性很軟，隨負載變化較大，難以維持額定輸出狀態。文章探討了燃料電池的工作特性，使用單向DC/DC變換器建立穩壓系統，并利用模糊PID控制算法改善其輸出穩定性。

關鍵詞：燃料電池;DC/DC變換器;模糊PID

中圖分類號：TM911.4? ? ? ? 文獻標識碼：A

1 引言

隨著人類工業化進程的不斷完成，對能源的需求日益增加。傳統的化石能源因其不可再生性和對環境的污染，在全球減排溫室氣體的趨勢下愈發式微，因此對新能源的研究利用備受各發達國家重視。氫能作為一種儲量大、無污染的綠色能源，逐漸得到更多的應用。燃料電池作為氫能利用的重要研究方向，其發展前景和商業價值已經得到體現，尤其是在電動汽車的設計研究中得到了廣泛的應用。

傳統的燃料發電機是使用燃料燃燒帶來的熱能產生水蒸氣，從而驅動發電機運轉，在發電過程中效率較低，能源損耗較大。燃料電池則是將氫氣燃料與氧化劑通過電堆中的電化學反應直接發出電能，其能源利用率大幅提高，并且排出物只有水蒸氣，對環境沒有污染。不過燃料電池的輸出受內部材料活性與外部負載變化的影響較大，從而導致輸出范圍較寬。同時由于電化學反應需要作用時間，因此燃料電池的動態響應較慢。而其自身又不具備儲能能力，無法根據負載變化調節電能供應。因此，需要為其構建外圍穩壓電路，以正常供應電能。[1-3]

2 燃料電池

本文使用的燃料電池為100 W質子交換膜燃料電池（PEMFC），其性能參數如表1所示。

PEMFC系統組成框圖如圖1所示。作為燃料的氫氣由穩壓閥送入電堆，與被風扇帶入的氧氣產生電化學反應，從而發出電能并排除無用的水蒸氣。

由于燃料電池的外特性較軟，其輸出電壓并沒有達到12 V的額定電壓，而是介于6～10 V之間，且隨著負載增大輸出電壓逐漸下降。為此，需要為其搭建穩壓系統，使其輸出電壓達到額定值。

3 DC/DC變換器

因為燃料電池的輸出電壓會在較寬范圍內變化，考慮到負載端的穩壓供電以及電壓可調，需要在燃料電池輸出端增加單向DC/DC變換器。在本文中需要將6～10 V之間的輸出電壓提高到12 V的額定電壓，故使用升壓變換器。并且由于系統中電壓變比較小，DC/DC變換器不需要加電氣隔離，因此使用圖2所示的非隔離式Boost變換器拓撲結構[4]。

DC/DC變換器的臨界電感值為：

而實際選用值一般為臨界值的1.2倍，因此電感值選用15 μH。

電容的選取大小為：

場效應管選用的是N溝道MOSFET：IRFZ14。

4 模糊PID控制策略

由于燃料電池系統具有非線性特點，其隨時間變化的輸出特性使得手動整定PID參數無法滿足系統需要。為了增加參數自整定能力，可將模糊控制策略與PID控制算法結合起來，在線調節PID控制參數。使用模糊控制器分析偏差e和偏差變化率ec，來確定比例、積分、微分環節的調節量，以在線整定PID參數，優化被控對象的調節，如圖3所示。[5]

PID比例、積分、微分系數的調整分別由三個模糊控制器FC1、FC2、FC3來控制，其參數選取如表2所示。

設計FC1的輸入變量e為8個，其他輸入和輸出變量均設為7個。隸屬度函數以梯形為主，結合Z形和S形，并使用Matlab建立曲面視圖分別如圖4至圖6所示。

在以上規則的基礎上，利用Simulink工具箱建立模糊PID控制系統的仿真模型，各子模塊如圖7至圖9所示。

在建立各子模塊后，即可建立模糊PID控制的Boost電路控制模型，同時建立傳統PID控制模型用于比較，如圖10、圖11所示。在仿真中設置給定值為12 V電壓，以對比模糊PID算法與傳統PID算法的調節效果，其結果如圖12所示。可以得出結論，傳統PID控制系統具有較大的超調量，而模糊PID基本沒有超調量，系統更加穩定。

實際系統測試結果如圖13所示，在燃料電池輸出電壓隨負載增大而降低的條件下，穩壓系統的輸出電壓可以保持在額定值12 V。不過輸出電壓的紋波較大，仍需改進硬件電路與控制算法。

5 總結

本文依據PEMFC較軟的輸出特性，進行單向Boost變換器穩壓供電系統的研究，并使用模糊PID控制算法進行了電壓輸出控制，但輸出電壓紋波較大，還需要進一步改進。

（責任編輯：陳之曦）

參考文獻：

[1]金科，阮新波，楊孟雄，等.復合式燃料電池供電系統[J].電工技術學報，2008，23（3）：92-98.

[2]肖鐸，戚偉， 汪秋婷，等.100 W質子膜燃料電池應急供電系統[J].電子技術應用，2012，38（3）：75-77.

[3]姜志玲，陳維榮，劉小強，等.燃料電池發電系統的能量管理控制[J].電源技術，2010（9）：911-914.

[4]陸治國，馬召鼎，鄧文東，等.一種適用于燃料電池系統的DC/DC變換器[J].電力電子技術，2010，44（9）：14-15.

[5]王靜，康龍云，李鷹.基于模糊自適應PID控制的鉛酸蓄電池充電系統仿真[J].低壓電器，2012（2）：31-34.