基于兩階段控制的鋁-空氣燃料電池最大功率點(diǎn)跟蹤方法

張金明, 蔡艷平, 李愛(ài)華, 李文豪

(火箭軍工程大學(xué)軍隊(duì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710025)

隨著石油、煤炭等能源的日漸匱乏以及環(huán)境污染的日益加重，發(fā)展高效清潔能源勢(shì)在必行。金屬空氣電池作為一種特殊的燃料電池，理論性能優(yōu)越、能量密度更高、產(chǎn)能過(guò)程無(wú)污染，逐漸成為科研和商業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域關(guān)注的重點(diǎn)[1-3]。相比其他類型的金屬燃料電池，鋁-空氣燃料電池(aluminum-air fuel cell，AAFC)具有比能量高、安全靜默、高效環(huán)保等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于軍用應(yīng)急能源保障、微電網(wǎng)黑啟動(dòng)和企業(yè)臨時(shí)供配電等場(chǎng)合。目前對(duì)AAFC的研究多集中在短期、中期、長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)模型的構(gòu)建和分析上，包括能量管理優(yōu)化和控制策略研究等[4-5]。囿于理論和技術(shù)原因，AAFC投資成本和維護(hù)費(fèi)用較高,壽命有限，輸出功率尚處于較低水平，而且致力于提高AAFC輸出功率、降低發(fā)電成本的研究較少。因此利用和改進(jìn)現(xiàn)有方法提高AAFC利用率、降低發(fā)電成本，對(duì)推動(dòng)AAFC研究和工程應(yīng)用具有重要意義。

最大功率點(diǎn)跟蹤(maximum power point tracking，MPPT)技術(shù)在光伏發(fā)電系統(tǒng)中的研究較為深入，不少學(xué)者將光伏系統(tǒng)的MPPT方法應(yīng)用于燃料電池的研究，主要可以分為兩類：①控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制精度較低的傳統(tǒng)方法，如寄生電容法、電阻增量法、擾動(dòng)觀察法、滯環(huán)比較法等。文獻(xiàn)[6]將注入紋波方法自適應(yīng)跟蹤燃料電池最大功率點(diǎn)(maximum power point，MPP)，但是低頻交流紋波會(huì)增大交換膜的機(jī)械壓力，高頻交流紋波和低頻交流紋波的電導(dǎo)不一致[7]，會(huì)降低燃料電池的壽命；文獻(xiàn)[8-9]將擾動(dòng)觀察法應(yīng)用于燃料電池 MPPT，但是外部環(huán)境變化時(shí)，擾動(dòng)觀測(cè)法不能快速跟蹤MPP，而且系統(tǒng)工作在MPP附近來(lái)回振蕩，容易出現(xiàn)誤判現(xiàn)象[10]，同時(shí)降低燃料電池壽命。②控制精度高、控制結(jié)構(gòu)復(fù)雜的人工智能方法，如徑向基函數(shù)(RBF)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、智能控制法、RBF滑模控制法等。文獻(xiàn)[11]采用智能控制對(duì)燃料電池進(jìn)行 MPPT，但該類方法對(duì)硬件要求高，控制復(fù)雜，在當(dāng)前階段工程應(yīng)用價(jià)值不大。燃料電池與光伏發(fā)電系統(tǒng)的最大區(qū)別在于存在反映電池本身和環(huán)境特點(diǎn)的分段內(nèi)阻特性[12]，AAFC除具有普通燃料電池的一般特性外，也存在其獨(dú)特性：①歐姆極化區(qū)占比大，電池進(jìn)入反應(yīng)時(shí)間快,能量利用率高；②單體輸出電壓小，容量較小時(shí)不易控制；③自反應(yīng)溫度敏感性弱，溫差變化小等。

基于以上分析，首先對(duì)AAFC特性進(jìn)行研究，通過(guò)電池測(cè)試儀對(duì)放電性能進(jìn)行試驗(yàn)，在此基礎(chǔ)上，提出一種新的MPPT兩階段控制方法。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)表明提高了MPP的跟蹤速度和精度，減小了輸出震蕩，為AAFC系統(tǒng)控制提供了有力依據(jù)，也有助于對(duì)其進(jìn)行故障分析和診斷，具有較強(qiáng)的工程應(yīng)用價(jià)值。

1 AAFC特性研究

鋁-空氣電池由鋁合金電極、空氣電極和電解液構(gòu)成，其工作機(jī)理是：鋁合金電極作為陽(yáng)極不斷與電解液中的氫氧根離子反應(yīng)并釋放出電子，電子經(jīng)外電路負(fù)載到達(dá)空氣電極，并參與到陰極的氧氣與水的還原反應(yīng)中，反應(yīng)生成氫氧根離子，隨著電化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，電子的定向移動(dòng)形成電流而發(fā)電[1,10]。其反應(yīng)原理如圖1所示。

圖1 AAFC反應(yīng)原理

在對(duì)燃料電池研究過(guò)程中,通常采用極化曲線來(lái)評(píng)價(jià)其輸出特性。AAFC具有普通燃料電池的三段式結(jié)構(gòu)，但其歐姆極化區(qū)部分相對(duì)活化極化區(qū)部分和濃度極化區(qū)部分線性更明顯，如圖2所示。

圖2 AAFC極化曲線

由于不可逆電勢(shì)損失的存在，使得鋁-空氣燃料電池的輸出電壓小于理想無(wú)損電勢(shì)，它們隨著電流密度、溫度、反應(yīng)物、生成物傳送與電子流移動(dòng)等因素而變化[12-13]。

其輸出電壓可以表示為

(1)

式(1)中：ENernst為熱力學(xué)電動(dòng)勢(shì)；a為常數(shù)系數(shù)；Ifc為AAFC的電流密度，A/cm2；I0為電極間物質(zhì)交換電流密度，A/cm2；Rionic為阻礙OH-在兩級(jí)間遷移時(shí)的穿越阻抗，Ω·cm2；Relec為阻礙電荷通過(guò)負(fù)載移動(dòng)至陰極的阻抗，Ω·cm2；Imax為極限電流密度，A/cm2。

通過(guò)利用電池測(cè)試儀對(duì)AAFC單體進(jìn)行持續(xù)放電實(shí)驗(yàn)，電子負(fù)載為新威BTS-3008-5電池測(cè)試儀，可通過(guò)上位機(jī)中的軟件平臺(tái)對(duì)其工作模式、測(cè)試時(shí)間等進(jìn)行設(shè)置，并對(duì)電池電壓、輸出電流以及電解液溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集并存儲(chǔ)于上位機(jī)中。

可通過(guò)設(shè)置電池測(cè)試儀的工步條件，使其工作于恒流負(fù)載、恒功率負(fù)載或者恒阻負(fù)載條件下，也可設(shè)置負(fù)載隨時(shí)間進(jìn)行變化。圖3所示為工步設(shè)置界面。

電池測(cè)試儀能夠?qū)崟r(shí)對(duì)電池情況進(jìn)行測(cè)試并記錄顯示于軟件平臺(tái)的界面上，便于進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，數(shù)據(jù)采集界面如圖4所示。

圖3 工步設(shè)置界面

圖4 數(shù)據(jù)采集界面

按一定的時(shí)間間隔不斷地增加負(fù)載電流，并記錄電池單體的放電時(shí)間及對(duì)應(yīng)的輸出電壓、電流及功率，直至電池單體輸出電壓小于0.2 V時(shí)停止放電，如圖5所示。

圖5 AAFC電壓及功率特性曲線

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得到：①AAFC在歐姆極化區(qū)部分輸出特性比較穩(wěn)定，易于實(shí)現(xiàn)MPPT控制；②AAFC在歐姆極化區(qū)部分存在MPP。

2 AAFC的MPPT原理

AAFC的MPPT控制系統(tǒng)由電池和負(fù)載之間加入的電力電子裝置構(gòu)成。采用單向DC-DC控制器對(duì)AAFC發(fā)電單元進(jìn)行控制，可在實(shí)現(xiàn)MPPT的同時(shí)，使其輸出平穩(wěn)的直流電流[14]。AAFC發(fā)電單元結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖6所示。其中，DC-DC控制器采用Boost升壓電路進(jìn)行控制。

圖6 AAFC發(fā)電單元結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

Boost升壓電路中，當(dāng)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，電源E給電感L充電儲(chǔ)能，由電感C放電為負(fù)載R供電，設(shè)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間為ton，則此階段電感L上積蓄能量為EiLton；當(dāng)開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)，電源E與電感L共同為負(fù)載R供電，同時(shí)為電容充電[15]。設(shè)開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)間為toff，在此階段中電感L釋放的能量可表示為(u0-E)iLtoff。Boost變換器開(kāi)關(guān)管等效電路如圖7所示。

圖7 Boost變換器開(kāi)關(guān)管等效電路

當(dāng)電路處于穩(wěn)定工作狀態(tài)時(shí)，一個(gè)周期T(T=ton+toff)內(nèi)電感L積蓄的能量與釋放的能量一致，即

EiLton=(u0-E)iLtoff

(2)

化簡(jiǎn)得到:

(3)

式中：T>toff,因此輸出電壓高于電源電壓，T/toff為升壓比，可通過(guò)調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)管占空比調(diào)節(jié)其大小，進(jìn)而改變輸出電壓u0的大小，設(shè)其開(kāi)關(guān)管占空比D=ton/T(D<1)，則有如下關(guān)系：

ton=(1-D)T=T-toff

(4)

忽略電路中可能存在的損耗，根據(jù)能量守恒定律可得，電源E輸出功率等于負(fù)載功率：

EiL=u0i0

(5)

根據(jù)式(5)分析可得Boost變換器輸出電流i0與電感電流iL關(guān)系為

(6)

AAFC簡(jiǎn)化動(dòng)態(tài)模型如圖8所示。

Rconc、Ract、Rohm分別代表濃差極化區(qū)、活化極化區(qū)以及歐姆極化區(qū)的等效電阻；C為雙電荷層的等效電容；E為電化學(xué)電動(dòng)勢(shì)；Ufc、Ifc分別是燃料電池的輸出電壓和電流[16]

負(fù)載功率為

(7)

將式(7)對(duì)RL進(jìn)行求導(dǎo)，式中Ufc、Rfc都是常數(shù)，可得：

(8)

通過(guò)控制Boost變換器工作于不同的輸出電流I1、I2，可檢測(cè)到對(duì)應(yīng)的輸出電壓為U1、U2，可得到如下表達(dá)式：

(9)

可通過(guò)式(9)解得：

(10)

當(dāng)電池內(nèi)阻與等效外阻相等時(shí)(其中等效外阻RL=Udc/Idc)可得：

(11)

則MPP參考占空比為

(12)

3 AAFC的MPPT設(shè)計(jì)

結(jié)合擾動(dòng)觀察法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、跟蹤效率高和模糊控制法跟蹤精確、穩(wěn)態(tài)后平穩(wěn)的特點(diǎn)，分階段進(jìn)行跟蹤。第一階段基于電阻匹配的最大功率傳輸理論，通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)燃料電池輸出端口電流，對(duì)其施加增量擾動(dòng)尋優(yōu)，以較大步長(zhǎng)接近MPP閾值；第二階段基于模糊控制理論，通過(guò)設(shè)置功率變化和占空比步長(zhǎng)變化的隸屬度函數(shù)，進(jìn)一步逼近MPP并實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定控制。

3.1 擾動(dòng)觀察階段

單向DC-DC控制器在每個(gè)控制周期用一定的較小步長(zhǎng)改變鋁-空氣電源的輸出，通過(guò)比較干擾周期前后鋁-空氣電源的輸出功率。若ΔP>0，則可以繼續(xù)按原來(lái)的方向擾動(dòng)；若ΔP<0，則需改變擾動(dòng)的方向[16]。當(dāng)給定參考電壓增大時(shí)，若輸出功率也增大，則需繼續(xù)增大參考電壓，若輸出功率減小，則需要減小參考電壓。當(dāng)給定參考電壓減小時(shí)，若輸出功率也減小，則需增大參考電壓,若輸出功率增大，則需繼續(xù)減小參考電壓[17]。這樣，AAFC的實(shí)際工作點(diǎn)就能逐漸接近當(dāng)前MPP。普通擾動(dòng)觀察法MPPT流程如圖9所示。

圖9 普通擾動(dòng)觀察法MPPT流程圖

上述擾動(dòng)觀察法由于算法單一，存在著功率振蕩、功率擾動(dòng)搜索時(shí)間長(zhǎng)的缺點(diǎn)，對(duì)此很多學(xué)者提出了改進(jìn)型的MPPT控制算法，如文獻(xiàn)[18]在擾動(dòng)功率法的基礎(chǔ)上，根據(jù)P-I特性曲線，增加擾動(dòng)過(guò)程中對(duì)dPpv/dIpv符號(hào)的檢測(cè)，或根據(jù)P-U特性曲線，通過(guò)判斷dPpv/dUpv的符號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)電壓向MPP附近移動(dòng)。這兩種方法都可有效減少功率擾動(dòng)搜索時(shí)間，但都不可避免地在MPP附近存在功率振蕩，同樣會(huì)造成功率損耗[19-20]。

本階段針對(duì)AAFC的MPPT實(shí)現(xiàn)與穩(wěn)定性問(wèn)題，綜合MPPT尋優(yōu)速度和精度提出一種基于電流增量尋優(yōu)的MPPT算法，其流程如圖10所示。

圖10 基于電流增量尋優(yōu)的MPPT流程圖

3.2 模糊控制階段

當(dāng)擾動(dòng)觀察控制的功率到達(dá)一定閾值時(shí)，采用模糊控制逼近AAFC的MPP。根據(jù)功率值的變化量與前一時(shí)刻的占空比調(diào)整步長(zhǎng)，來(lái)決定本時(shí)刻的占空比調(diào)整步長(zhǎng)。這里目標(biāo)函數(shù)設(shè)為AAFC的輸出功率P，控制變量設(shè)為占空比D，模糊控制器第n時(shí)刻的輸入量為系統(tǒng)第n時(shí)刻功率的變化量ΔP(n)和第n時(shí)刻的占空比步長(zhǎng)變化量ΔD(n)，第n時(shí)刻的輸出量為第n時(shí)刻的占空比步長(zhǎng)D(n)[21]。

這里選定 5 個(gè)模糊子集 NB (負(fù)大)、NS(負(fù)小)、ZZ(零)、PS(正小)、PB(正大)[21,22]，用于涵蓋模糊論域ΔP(n)∈[-5，5]；選定 3 個(gè)模糊子集N(負(fù))、Z(零)、P(正)，用于涵蓋模糊論域 ΔD(n)∈[-4，4](表1)。

模糊子集選取三角形隸屬函數(shù)，如圖11所示。為了提高跟蹤精度，平衡點(diǎn)附近的斜率大于其他范圍的斜率[22]。

表1 模糊規(guī)則表

圖11 隸屬度函數(shù)

4 仿真驗(yàn)證

4.1 仿真階段

為驗(yàn)證所提方法的有效性，在實(shí)時(shí)數(shù)字仿真(RTDS)平臺(tái)上搭建AAFC系統(tǒng)，通過(guò)設(shè)置仿真參數(shù)，模擬AAFC在穩(wěn)定條件、負(fù)載增大和內(nèi)阻減小時(shí)的工作情況，并與文獻(xiàn)[6]中的紋波自適應(yīng)方法進(jìn)行對(duì)比。這里Boost變換器參數(shù)設(shè)置為：L=4 mh，C=0.002 F，開(kāi)關(guān)頻率為10 kHz，燃料電池內(nèi)阻Rin=4 Ω，RL=5 Ω。

圖12所示為穩(wěn)定條件下MPPT情況，可以看出，兩階段控制法初始跟蹤時(shí)間約為0.01 s, 隨后處于最大功率水平平穩(wěn)運(yùn)行；紋波自適應(yīng)法初始跟蹤時(shí)間約為0.05 s。

圖12 穩(wěn)定條件下MPPT情況

仿真過(guò)程中在t=0.3 s時(shí)使負(fù)載電阻增大至8 Ω，當(dāng)外阻發(fā)生變化而內(nèi)阻保持不變時(shí)，Boost變換器通過(guò)調(diào)整占空比改變等效外阻，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，輸出最大功率，由于內(nèi)阻不變，輸出功率經(jīng)短時(shí)波動(dòng)后穩(wěn)定于原最大輸出功率，如圖13所示。可以看出，兩階段控制法波動(dòng)時(shí)間僅約為0.001 s, 隨后處于最大功率水平平穩(wěn)運(yùn)行；而紋波自適應(yīng)法波動(dòng)時(shí)間約為0.05 s。

圖13 負(fù)載增大時(shí)MPPT情況

圖14 內(nèi)阻減小時(shí)MPPT情況

如圖14所示，為驗(yàn)證內(nèi)阻對(duì)AAFC的MPPT的影響，在t=0.3 s時(shí)使內(nèi)阻減小至3 Ω，MPP發(fā)生偏移，為實(shí)現(xiàn)MPPT，占空比迅速變化后趨于穩(wěn)定，此時(shí)電池最大輸出功率隨內(nèi)阻減小而增大。可以看出，兩階段控制法經(jīng)0.005 s調(diào)整后趨于穩(wěn)定, 隨后處于最大功率水平平穩(wěn)運(yùn)行；而紋波自適應(yīng)法調(diào)整時(shí)間約為0.015 s。仿真結(jié)果驗(yàn)證了控制策略的準(zhǔn)確性。不同方法的MPPT時(shí)間對(duì)比見(jiàn)表2。

表2 不同方法的MPPT時(shí)間對(duì)比

通過(guò)表2對(duì)比可以看出，基于兩階段控制的AAFC的MPPT初始跟蹤時(shí)間短，且內(nèi)阻或負(fù)載變化時(shí)可以快速有效調(diào)整，在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到新的MPP。

4.2 實(shí)驗(yàn)階段

為進(jìn)一步驗(yàn)證所提方法的有效性，利用電子負(fù)載及上位機(jī)搭建AAFC實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)，其實(shí)體結(jié)構(gòu)如圖15所示，包括電子負(fù)載、燃料電池、上位機(jī)及附屬排線。

對(duì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行突減負(fù)載實(shí)驗(yàn)，可得其電壓和功率變化情況如圖16所示，在圖中當(dāng)負(fù)載在突卸時(shí)，電壓和功率幾乎不存在波動(dòng)，具備良好的穩(wěn)定性能，表明其動(dòng)態(tài)響應(yīng)較好。

對(duì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行突加負(fù)載實(shí)驗(yàn)，可得其電壓和功率變化情況如圖17所示。從圖17可以看出,電壓和功率在突加負(fù)載過(guò)程中波動(dòng)較小，這說(shuō)明在負(fù)載突加時(shí)AAFC系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行。

圖15 AAFC實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)

圖16 突減負(fù)載時(shí)電壓和功率變化情況

圖17 突減負(fù)載時(shí)電壓和功率變化情況

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)燃料電池與AAFC的對(duì)比，分析了AAFC的基本結(jié)構(gòu)，利用電池測(cè)試儀對(duì)其放電性能進(jìn)行了測(cè)試，通過(guò)對(duì)Boost電路的研究,分析了其控制原理，提出了一種兩階段控制的AAFC的MPPT方法，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)得出以下結(jié)論。

(1)AAFC的放電特性遵從極化曲線，在單體電壓、溫度敏感性等方面也有其獨(dú)特性。

(2)AAFC在歐姆極化區(qū)部分輸出特性比較穩(wěn)定，其MPP存在于歐姆極化區(qū)。

(3)所提基于兩階段控制的MPPT方法能夠在負(fù)載和內(nèi)阻變化時(shí)有效跟蹤AAFC的MPP，減小了輸出震蕩，提高了跟蹤精度，具有一定的實(shí)用價(jià)值。