鳳 林，岳應(yīng)娟，蔡艷平，王 旭，何美瑩

(火箭軍工程大學(xué)， 西安 710025)

1 引言

隨著能源危機(jī)與環(huán)境污染的日益加劇，發(fā)展可再生清潔能源已成為世界各國(guó)的研究熱點(diǎn)。金屬燃料電池以其資源豐富、生產(chǎn)成本低、容易儲(chǔ)存、安全環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，獲得了科學(xué)家們的廣泛關(guān)注。其中鋁空氣燃料電池以鋁為負(fù)極、空氣中免費(fèi)的氧氣為正極，以常見(jiàn)的氫氧化鉀或氫氧化鈉為電解質(zhì)，鋁和空氣中的氧氣發(fā)生氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生電能。鋁空氣燃料電池以其鋁資源豐富低價(jià)、能量密度高、無(wú)毒無(wú)污染、安全可回收性好等優(yōu)點(diǎn)，在新能源、應(yīng)急電源和備用電源等領(lǐng)域具有廣闊的發(fā)展前景。然而鋁空氣燃料電池的輸出功率受電解液濃度、溫度、流速、空氣量和鋁電極純度等因素影響呈非線性變化，且存在能量轉(zhuǎn)換效率低的缺點(diǎn)，需要采用適當(dāng)?shù)目刂品椒▽?duì)其進(jìn)行MPPT，提高鋁空氣燃料電池的放電能力和放電效率，實(shí)現(xiàn)在不同的工作條件下仍能保持最大功率的輸出，以滿足實(shí)際工程的電力需求。

近些年來(lái)，MPPT技術(shù)在光伏發(fā)電領(lǐng)域發(fā)展得較為深入，其方法主要包括恒定電壓法、擾動(dòng)觀察法、電導(dǎo)增量法以及人工智能法，對(duì)此大量學(xué)者將其方法應(yīng)用到燃料電池的MPPT中。文獻(xiàn)[4]將改進(jìn)型擾動(dòng)觀察法應(yīng)用到微生物燃料電池的MPPT中，通過(guò)Boost變換器不斷調(diào)整占空比，實(shí)現(xiàn)微生物燃料電池的MPPT，提高了微生物燃料電池的輸出功率并減小了功率振蕩。文獻(xiàn)[5]針對(duì)質(zhì)子交換膜燃料電池的MPPT，提出了一種將粒子群優(yōu)化和PID控制相結(jié)合的策略，仿真結(jié)果表明：該策略較好地提高了燃料電池MPP的跟蹤速度和精度。文獻(xiàn)[6]提出了一種基于模糊規(guī)則和粒子群優(yōu)化的燃料電池組MPPT方法，提高了MPPT的響應(yīng)速度。文獻(xiàn)[7]針對(duì)燃料電池電動(dòng)汽車高效率低成本電池充電器的設(shè)計(jì)需求，提出了一種新型的自調(diào)諧2型模糊MPPT控制器，該控制器可以實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜變化條件下燃料電池的MPPT，同時(shí)提出了一種改進(jìn)型入侵雜草優(yōu)化算法，提高了控制器的輸出效率。但是該控制方法復(fù)雜，硬件要求高，在實(shí)際的工程應(yīng)用中具有一定的局限性。

以上研究從燃料電池的不同特點(diǎn)出發(fā)，提出了不同的MPPT方法，具有一定的實(shí)用價(jià)值，但在兼顧MPPT的跟蹤速度和搜索精度、功率振蕩，特別是當(dāng)工作環(huán)境變化時(shí)，快速準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)MPPT，還需要進(jìn)一步深入研究。近些年來(lái)，以模糊控制技術(shù)為代表的智能控制技術(shù)，因其在處理復(fù)雜非線性系統(tǒng)的突出優(yōu)勢(shì)，受到了廣大學(xué)者的青睞，也成為燃料電池MPPT的研究熱點(diǎn)。

在上述研究的基礎(chǔ)上，提出結(jié)合擾動(dòng)觀察法控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、收斂速度快和模糊控制法搜索精度高、抑制振蕩以及工作環(huán)境變化時(shí)響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，并對(duì)相應(yīng)的控制算法做出了進(jìn)一步的改進(jìn)，提出了基于改進(jìn)型復(fù)合算法的鋁空氣燃料電池MPPT方法，在分析鋁空氣燃料電池的輸出特性和MPPT工作原理的基礎(chǔ)上，最后通過(guò)Matlab/Simulink建模仿真及實(shí)測(cè)平臺(tái)，驗(yàn)證了該方法在穩(wěn)態(tài)狀態(tài)和工作環(huán)境變化時(shí)的控制效果。

2 鋁空氣燃料電池的輸出特性

鋁空氣燃料電池主要由鋁陽(yáng)極、電解液和空氣陰極3部分組成，其工作原理為：鋁陽(yáng)極與電解液中的氫氧根離子發(fā)生反應(yīng)并不斷釋放出電子，電子經(jīng)過(guò)外部電路及負(fù)載到達(dá)空氣陰極，并與空氣陰極中的氧氣和水發(fā)生還原反應(yīng)，生成氫氧根離子，隨著電子的定向移動(dòng)生成電流而產(chǎn)生電能。

在鋁空氣燃料電池的研究中，一般以燃料電池的極化曲線(如圖1所示)研究其輸出特性。由圖1可以看出，鋁空氣燃料電池的電壓與電流以及輸出功率與電流都成非線性關(guān)系，其中電壓與電流的特性曲線可分為3部分，分別為：活化極化區(qū)、歐姆極化區(qū)和濃差極化區(qū)。在活化極化區(qū)，鋁空氣燃料電池以小電流放電，此階段電池內(nèi)阻較大，電池端電壓出現(xiàn)了陡降；隨著輸出電流的不斷增大，電池越過(guò)了活化極化區(qū)，進(jìn)入到歐姆極化區(qū)，此階段特性曲線基本呈線性關(guān)系，近似遵循歐姆定律；當(dāng)電池輸出電流增大到接近極限輸出電流時(shí)，此時(shí)進(jìn)入到濃差極化區(qū)，由于濃差極化對(duì)電池電壓的影響占主導(dǎo)作用，使得電壓急速下降，內(nèi)阻快速增加。

圖1 鋁空氣燃料電池極化曲線Fig.1 Aluminum-air fuel cell polarization curve

通過(guò)對(duì)鋁空氣燃料電池極化曲線的分析，鋁空氣燃料電池的輸出電壓可表示為

=---

(1)

式(1)中:為熱力學(xué)電動(dòng)勢(shì)；為活化電壓降；為歐姆電壓降；為濃度差電壓降。分析圖1中功率與電流的曲線可知，鋁空氣燃料電池在歐姆極化區(qū)存在最大輸出功率，最大輸出功率點(diǎn)為，當(dāng)鋁空氣燃料電池工作在MPP左側(cè)時(shí)，系統(tǒng)輸出功率隨著電池放電電流的增大而增大；當(dāng)電池工作在MPP右側(cè)時(shí)，系統(tǒng)輸出功率隨著電池放電電流的增大而減小。當(dāng)電池的工作環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，MPP也必然會(huì)發(fā)生偏移，如果系統(tǒng)不進(jìn)行最大功率跟蹤控制，仍按照變化前的MPP工作，必然會(huì)損失部分能量，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，因而研究鋁空氣燃料電池的MPPT控制方法，使系統(tǒng)在環(huán)境條件變化時(shí)仍能工作在MPP附近，保證系統(tǒng)穩(wěn)定高效地輸出電能，具有重要的研究意義。

3 鋁空氣燃料電池MPPT工作原理

3.1 鋁空氣燃料電池動(dòng)態(tài)模型

鋁空氣燃料電池在化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中，存在“雙電荷層”現(xiàn)象。這是由于電化學(xué)裝置內(nèi)電極上的電子和電解液中離子相互反應(yīng)，并在外部電壓的共同作用下，在電解液和電極的界面之間產(chǎn)生“雙電荷層”，類似于電容器，用來(lái)存儲(chǔ)電荷及能量。當(dāng)電化學(xué)裝置的工作環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，電化學(xué)極化過(guò)電壓與濃度極化過(guò)電壓會(huì)隨之變化，而歐姆極化區(qū)的電壓會(huì)瞬時(shí)響應(yīng)電路的變化。鋁空氣燃料電池電路的動(dòng)態(tài)模型如圖2所示，圖中、、分別為活化極化區(qū)、濃差極化區(qū)以及歐姆極化區(qū)的等效電阻，為雙電荷層的等效電容，為電化學(xué)電動(dòng)勢(shì)，、分別為燃料電池的輸出電壓和電流。

圖2 鋁空氣燃料電池電路的動(dòng)態(tài)模型Fig.2 Dynamic modeling of aluminum-air fuel cell

當(dāng)鋁空氣燃料電池工作在不同的階段時(shí)，分別由此階段的等效電阻、或起主導(dǎo)作用。為了維持系統(tǒng)輸出的穩(wěn)定安全，通?？刂其X空氣燃料電池工作在歐姆極化區(qū)，此時(shí)電池內(nèi)阻為=++，由于此階段等效電阻起主導(dǎo)作用，且和阻值相當(dāng)小，因此歐姆極化區(qū)的內(nèi)阻可簡(jiǎn)化為≈，則鋁空氣燃料電池的動(dòng)態(tài)模型可簡(jiǎn)化為直流電壓源與內(nèi)阻的串聯(lián)電路，其輸出電壓為

=-

3.2 基于阻抗匹配的鋁空氣燃料電池MPPT工作原理

為了實(shí)現(xiàn)鋁空氣燃料電池的MPPT，通常在電池和負(fù)載之間加入Boost變換器實(shí)現(xiàn)電路的控制。Boost變換器也稱為升壓變換器，其主要功能是通過(guò)調(diào)節(jié)開關(guān)管的導(dǎo)通比使輸入電壓升高到，Boost變換器電路如圖3所示。

圖3 Boost變換器電路Fig.3 Boost converter circuit structure

根據(jù)Boost變換器的基本工作原理可知：當(dāng)電路穩(wěn)定工作時(shí)，在一個(gè)時(shí)間(=+)周期內(nèi)，電感獲得和釋放的能量相等，即

=(-)

可化簡(jiǎn)為

式中:>1，則輸出電壓大于電源電壓;為升壓比，設(shè)開關(guān)管占空比為=(0<<1)，則可通過(guò)控制開關(guān)管調(diào)節(jié)占空比大小，進(jìn)而調(diào)節(jié)輸出電壓的大小，則可表示為

(2)

忽略Boost電路中的損耗，根據(jù)能量守恒定律可知，電源輸出功率等于負(fù)載功率，即：

=

結(jié)合式(2)可得：

=(1-)

(3)

由式(2)、式(3)可得Boost變換器與外部負(fù)載組成的等效可變外阻為

=(1-)

(4)

鋁空氣燃料電池的輸出是非線性的，Boost變換器也是非線性元件，在短時(shí)間內(nèi)可將電路系統(tǒng)視為線性電路，則等效外阻功率為

(5)

式中為等效開路電壓，將式(5)對(duì)進(jìn)行求導(dǎo)，可得：

(6)

由式(6)分析可得，當(dāng)=時(shí)，發(fā)電系統(tǒng)有最大輸出功率，因此鋁空氣燃料電池MPPT的實(shí)質(zhì)就是實(shí)時(shí)檢測(cè)發(fā)電系統(tǒng)的工作狀態(tài)，通過(guò)控制電能變換器調(diào)節(jié)占空比大小，使電池內(nèi)阻與等效外阻動(dòng)態(tài)匹配，實(shí)現(xiàn)發(fā)電單元的MPPT。

由以上研究可得鋁空氣燃料電池電路等效模型，如圖4所示。歐姆極化區(qū)是鋁空氣燃料電池的理想工作區(qū)域，存在MPP，歐姆極化區(qū)內(nèi)電壓與電流近似成線性關(guān)系，可通過(guò)“兩點(diǎn)法”確定直線的斜率，進(jìn)而得到電池的近似內(nèi)阻。

圖4 鋁空氣燃料電池電路等效模型Fig.4 Aluminum-air fuel cell equivalent model

通過(guò)Boost變換器控制電路系統(tǒng)工作在不同的、，同時(shí)檢測(cè)其輸出電壓、，可得到如下表達(dá)式：

解得：

結(jié)合式(4)，當(dāng)電池內(nèi)阻與等效外阻相等時(shí)，可得：

ESP師資培養(yǎng)是一項(xiàng)大工程，需要考慮各種運(yùn)行機(jī)制，還需要相關(guān)部門政策傾斜。有研究特別指出在培訓(xùn)ESP教師時(shí)，要減免老師原有工作量，給予ESP課程老師充足時(shí)間進(jìn)行專業(yè)知識(shí)學(xué)習(xí)和積累(蔡基剛,2012)。發(fā)展師資的過(guò)程不可能一朝一夕完成，教師的培訓(xùn)培養(yǎng)成熟是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程，需要各方長(zhǎng)期共同努力。

則MPP的參考占空比為

4 基于改進(jìn)型復(fù)合算法的MPPT控制原理

當(dāng)工作環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，鋁空氣燃料電池的MPP也會(huì)發(fā)生偏移，傳統(tǒng)的擾動(dòng)觀察法不能快速準(zhǔn)確地跟蹤偏移的MPP，會(huì)產(chǎn)生誤判問(wèn)題，同時(shí)在MPP附近容易發(fā)生振蕩，降低鋁空氣燃料電池的壽命，傳統(tǒng)單一的方法很難解決好這些問(wèn)題。本文提出了一種基于改進(jìn)型復(fù)合算法的鋁空氣燃料電池MPPT方法，前期以占空比為控制量，以功率變化趨勢(shì)為擾動(dòng)增量尋優(yōu)，在遠(yuǎn)離MPP時(shí)以較大步長(zhǎng)快速跟蹤，靠近MPP時(shí)以較小步長(zhǎng)逼近；而后以占空比步長(zhǎng)變化量和功率變化量建立隸屬度函數(shù)，同時(shí)在傳統(tǒng)模糊控制規(guī)則基礎(chǔ)上引入權(quán)重系數(shù)，提升工作環(huán)境變化時(shí)MPPT效果，提升動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，提高系統(tǒng)輸出的穩(wěn)定性。

4.1 基于改進(jìn)型自適應(yīng)占空比擾動(dòng)觀察法

傳統(tǒng)的擾動(dòng)觀察法多以電池的電壓或電流為擾動(dòng)增量，比較擾動(dòng)前后系統(tǒng)的輸出功率，進(jìn)而確定下一步的擾動(dòng)方向，若Δ>0，則按照原方向繼續(xù)擾動(dòng)；若Δ<0，則反方向擾動(dòng)，以此周期性擾動(dòng)，直至找尋到系統(tǒng)的MPP，此類方法對(duì)擾動(dòng)初值和擾動(dòng)步長(zhǎng)要求比較高，容易在MPP附近發(fā)生振蕩，造成功率損失。因此，本文提出了基于改進(jìn)型自適應(yīng)占空比擾動(dòng)觀察法，以占空比為控制量，以功率變化趨勢(shì)進(jìn)行調(diào)節(jié)，自適應(yīng)調(diào)節(jié)占空比步長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確跟蹤MPP。

基于阻抗匹配的鋁空氣燃料電池MPPT工作原理，結(jié)合式(4)可以看出，當(dāng)負(fù)載保持不變時(shí)，通過(guò)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)占空比的大小，使等效外阻與電池內(nèi)阻動(dòng)態(tài)匹配，進(jìn)而找尋到MPP。鋁空氣燃料電池的占空比與輸出功率的關(guān)系如圖5所示，分析可得，當(dāng)d/d=0時(shí)系統(tǒng)輸出功率達(dá)到最大值，在MPP左側(cè)時(shí)，輸出功率隨著占空比的增大而增大；在MPP右側(cè)時(shí)，輸出功率隨著占空比的增大而減小，因此占空比同樣適用擾動(dòng)觀察法的控制參數(shù)，以占空比作為控制變量，可簡(jiǎn)化控制系統(tǒng)，能有效提高跟蹤速度。

圖5 鋁空氣燃料電池的占空比-輸出功率曲線Fig.5 Duty cycle-output power characteristics curve of aluminum-air fuel cell

基于改進(jìn)型自適應(yīng)占空比擾動(dòng)觀察法工作原理如下：當(dāng)Δ=--1>0時(shí)，表明此時(shí)鋁空氣燃料電池MPP在右側(cè)；當(dāng)Δ=--1<0時(shí)，表明此時(shí)鋁空氣燃料電池MPP在左側(cè)；當(dāng)Δ=--1=0時(shí)，表明此時(shí)鋁空氣燃料電池工作在MPP。

圖6 基于改進(jìn)型自適應(yīng)占空比擾動(dòng)觀察法流程框圖Fig.6 Flow chart based on improved adaptive duty cycle perturbation observation method

4.2 基于模糊控制法

模糊控制法在處理不確定性系統(tǒng)及非線性復(fù)雜模型具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，很適合鋁空氣燃料電池非線性系統(tǒng)的研究，當(dāng)基于改進(jìn)型擾動(dòng)觀察法以自適應(yīng)變步長(zhǎng)快速跟蹤到系統(tǒng)最大功率閾值附近時(shí)，而后采用模糊控制法精準(zhǔn)地找尋鋁空氣燃料電池的MPP，基于2種方法的復(fù)合，可以很好地兼顧跟蹤速度和搜索精度，同時(shí)也可以很好地解決工作環(huán)境變化時(shí)，跟蹤新的MPP響應(yīng)速度慢、精度低等問(wèn)題。

模糊控制器采用雙輸入單輸出的模型，以鋁空氣燃料電池的輸出功率變化量Δ()及前一時(shí)刻的占空比步長(zhǎng)變化量Δ(-1)為輸入量，輸出量為當(dāng)前時(shí)刻的占空比步長(zhǎng)()。定義功率變化量Δ()為5個(gè)模糊子集：NB(負(fù)大)、NS(負(fù)小)、ZZ(零)、PS(正小)、PB(正大)，其模糊論域范圍為[-5,5]；占空比步長(zhǎng)變化量Δ(-1)為3個(gè)模糊子集：N (負(fù))、Z(零)、P(正)，其模糊論域范圍為[-4,4]；輸出的當(dāng)前時(shí)刻占空比步長(zhǎng)()為7個(gè)模糊子集：NB、NM、NS、ZZ、PS、PM、PB，其模糊論域范圍為[-4,4]。為了提高控制算法運(yùn)算速度，簡(jiǎn)化計(jì)算，所有的模糊子集都采用三角形隸屬函數(shù)，如圖7所示。由于平衡點(diǎn)附近的功率變化量較小，為了提高系統(tǒng)的控制精度，設(shè)置平衡點(diǎn)附近的隸屬函數(shù)斜率較大。

圖7 輸入、輸出的隸屬度函數(shù)曲線Fig.7 Affiliation function of input and output

模糊控制規(guī)則是鋁空氣燃料電池前一時(shí)刻的占空比步長(zhǎng)變化使得功率增大，則繼續(xù)保持此變化方向，反之亦反。考慮工作環(huán)境變化對(duì)MPP的影響，在模糊控制規(guī)則中引入權(quán)重系數(shù)，以提升模糊控制的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。當(dāng)常規(guī)控制占主導(dǎo)作用時(shí)，權(quán)重系數(shù)設(shè)為1.0；當(dāng)工作環(huán)境變化時(shí)，權(quán)重系數(shù)設(shè)為0.5；在MPP附近時(shí)，權(quán)重系數(shù)設(shè)為0.25，這樣可使得整個(gè)控制過(guò)程變得更加平滑，模糊控制規(guī)則如表1所示。

表1 模糊控制規(guī)則Table 1 Fuzzy control rules

5 仿真及實(shí)測(cè)驗(yàn)證

5.1 仿真階段

為了驗(yàn)證所提方法的可行性和有效性，在Matlab/Simulink中構(gòu)建鋁空氣燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的仿真模型，通過(guò)設(shè)置仿真參數(shù)，實(shí)現(xiàn)在穩(wěn)定狀態(tài)、內(nèi)阻和外阻變化時(shí)的MPPT仿真實(shí)驗(yàn)，并與傳統(tǒng)的擾動(dòng)觀察法作以對(duì)比。其中Boost升壓變換器的參數(shù)為：=10 mh，=0.004 F，燃料電池內(nèi)阻=4 Ω，外阻=10 Ω，開關(guān)頻率為10 kHz。在穩(wěn)定狀態(tài)下傳統(tǒng)擾動(dòng)觀察法和基于改進(jìn)型復(fù)合算法鋁空氣燃料電池MPPT仿真結(jié)果如圖8所示，可以看出，依據(jù)傳統(tǒng)擾動(dòng)觀察法，系統(tǒng)輸出的最大功率約為40 W，從初始狀態(tài)跟蹤到MPP時(shí)間約為0.11 s，且在MPP附近存在較大的功率振蕩，容易造成系統(tǒng)的功率損失；而改進(jìn)型復(fù)合算法從初始狀態(tài)跟蹤到MPP時(shí)間約為0.015 s，輸出功率平穩(wěn)且沒(méi)有發(fā)生振蕩，很好地抑制了MPP附近的功率振蕩。對(duì)比可以看出，在穩(wěn)定狀態(tài)下，改進(jìn)型復(fù)合算法跟蹤速度快，輸出功率穩(wěn)定。

圖8 穩(wěn)定狀態(tài)下最大功率跟蹤仿真曲線Fig.8 Maximum power tracking at steady state

為了驗(yàn)證外部負(fù)載變化時(shí)MPPT的工作情況，在仿真過(guò)程=0.2 s時(shí)使外部負(fù)載減小至4 Ω，而內(nèi)阻保持不變，其結(jié)果如圖9所示。觀察分析可得，當(dāng)外部負(fù)載變化時(shí)，系統(tǒng)電路通過(guò)Boost變換器實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)占空比的大小，使等效外阻與內(nèi)阻動(dòng)態(tài)匹配，迅速跟蹤MPP，由于電池內(nèi)阻不變，輸出功率經(jīng)短時(shí)間波動(dòng)后仍穩(wěn)定于原輸出最大功率值。由圖可以看出，在=0.2 s外部負(fù)載變化時(shí)，傳統(tǒng)擾動(dòng)觀察法在發(fā)生波動(dòng)約0.06 s后重新穩(wěn)定于原輸出最大功率值，且功率振蕩較大；而改進(jìn)型復(fù)合算法波動(dòng)時(shí)間明顯小于傳統(tǒng)擾動(dòng)觀察法，波動(dòng)時(shí)間約為0.01 s，且輸出功率穩(wěn)定。

當(dāng)電路外阻保持不變而電池內(nèi)阻變化時(shí)，在仿真過(guò)程=0.2 s時(shí)使電池內(nèi)阻減小至3 Ω，系統(tǒng)輸出的MPP由于電池內(nèi)阻減小而增大，為了實(shí)現(xiàn)MPPT，系統(tǒng)電路通過(guò)Boost變換器迅速調(diào)節(jié)占空比的大小，使等效外阻與內(nèi)阻動(dòng)態(tài)匹配，快速跟蹤新的MPP，其仿真結(jié)果如圖10所示。

圖9 外阻減小時(shí)最大功率跟蹤仿真曲線Fig.9 Maximum power tracking when external resistance is reduced

圖10 內(nèi)阻減小時(shí)最大功率跟蹤仿真曲線Fig.10 Maximum power tracking when internal resistance is reduced

由圖10可以看出，傳統(tǒng)擾動(dòng)觀察法跟蹤新的MPP時(shí)間約為0.1 s，達(dá)到新的MPP后功率振蕩較大；而改進(jìn)型復(fù)合算法用時(shí)約為0.015 s，輸出功率無(wú)振蕩，同時(shí)，該仿真結(jié)果也驗(yàn)證了改進(jìn)型復(fù)合算法的準(zhǔn)確性。

表2為傳統(tǒng)擾動(dòng)觀察法與改進(jìn)型復(fù)合算法在穩(wěn)定狀態(tài)下、外阻減小與內(nèi)阻減小時(shí)MPPT時(shí)間。通過(guò)比較可以看出，改進(jìn)型復(fù)合算法在穩(wěn)定狀態(tài)和外阻或內(nèi)阻變化時(shí)下，MPPT時(shí)間最短，且很好地抑制了功率振蕩，兼顧了響應(yīng)速度和搜索精度，動(dòng)態(tài)響應(yīng)較好，驗(yàn)證了該方法的有效性。

表2 2種方法的MPPT時(shí)間Table 2 Comparison of MPPT times between the two methods s

5.2 實(shí)測(cè)階段

為了進(jìn)一步對(duì)基于改進(jìn)型復(fù)合算法的鋁空氣燃料電池MPPT的方法進(jìn)行驗(yàn)證，準(zhǔn)確掌握鋁空氣燃料電池MPPT的實(shí)際效果，依托實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)測(cè)驗(yàn)證，以鋁空氣燃料電池實(shí)驗(yàn)裝置、電子負(fù)載、上位機(jī)及測(cè)試線纜等搭建實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)，其實(shí)測(cè)結(jié)構(gòu)如圖11所示。

圖11 實(shí)測(cè)結(jié)構(gòu)場(chǎng)景圖Fig.11 Measured structure diagram

利用電子負(fù)載對(duì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行負(fù)載突加減載測(cè)試，其實(shí)測(cè)結(jié)果與傳統(tǒng)擾動(dòng)觀察法實(shí)測(cè)結(jié)果如圖12所示。由圖12可以看出，當(dāng)負(fù)載突加減載時(shí)，鋁空氣燃料電池的輸出功率和電壓在波動(dòng)之后維持在恒定值附近，相比傳統(tǒng)擾動(dòng)觀察法，基于改進(jìn)型復(fù)合算法的波動(dòng)時(shí)間明顯較短，且在最大點(diǎn)附近無(wú)明顯振蕩，具有良好的輸出穩(wěn)定性，驗(yàn)證了該方法的先進(jìn)性。

當(dāng)負(fù)載突加減載時(shí)，對(duì)基于改進(jìn)型復(fù)合算法的鋁空氣燃料電池MPPT實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析，其輸出的功率和電壓波形如圖13、圖14所示。從圖中可以看出，鋁空氣燃料電池的輸出功率和電壓經(jīng)短時(shí)間波動(dòng)后仍維持在恒定值附近，波動(dòng)時(shí)間分別為0.022 s、0.0158 s，且基本無(wú)明顯的電壓和功率波動(dòng)，考慮現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)環(huán)境對(duì)鋁空氣燃料電池系統(tǒng)工作的影響，實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合，也進(jìn)一步驗(yàn)證了該控制策略的可行性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)較好。

圖12 2種方法實(shí)測(cè)結(jié)果圖Fig.12 Comparison of the actual measurement results of the two methods

圖13 負(fù)載突加載實(shí)測(cè)結(jié)果圖Fig.13 Load burst loading measurement results

圖14 負(fù)載突減載實(shí)測(cè)結(jié)果圖Fig.14 The results of sudden load shedding measurements

6 結(jié)論

鋁空氣燃料電池的放電特性遵循一般燃料電池的極化曲線，在歐姆極化區(qū)電池端電壓與放電電流近似遵循歐姆定律，特性曲線近似呈線性關(guān)系，且在歐姆極化區(qū)存在MPP，為了最大化地提高鋁空氣燃料電池高效穩(wěn)定輸出功率的能力，需對(duì)其進(jìn)行MPPT研究。通過(guò)仿真分析，相比傳統(tǒng)固定步長(zhǎng)的擾動(dòng)觀察法，改進(jìn)型擾動(dòng)觀察法通過(guò)自適應(yīng)調(diào)節(jié)占空比，明顯提高了MPP的跟蹤速度，降低了MPP的誤判。而后在MPP附近，結(jié)合模糊控制方法，在傳統(tǒng)模糊控制規(guī)則上引入權(quán)重系數(shù)，進(jìn)一步提升了工作環(huán)境變化時(shí)的響應(yīng)速度和搜索精度。

通過(guò)仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果，對(duì)比傳統(tǒng)單一的擾動(dòng)觀察法，基于改進(jìn)型復(fù)合算法在穩(wěn)定狀態(tài)和外阻或內(nèi)阻變化時(shí)，MPPT時(shí)間最短，有效抑制了功率振蕩，提高了跟蹤速度和搜索精度。鋁空氣燃料電池具有普通燃料電池的輸出特性，符合燃料電池動(dòng)態(tài)模型，文中所提的基于改進(jìn)型自適應(yīng)占空比擾動(dòng)觀察法和模糊控制法相結(jié)合的鋁空氣燃料電池MPPT方法，也適用于其他普通類型燃料電池，具有較強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。