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第1章 简介1

1.1燃料电池的历史、现状和未来1

1.1.1什么是燃料电池？1

1.1.2燃料电池的种类2

1.2燃料电池系统的典型组织结构2

1.3燃料电池动力学的重要性2

1.4本书的组织结构3

参考文献3

第2章 燃料电池的原理4

2.1简介4

2.2质子交换膜燃料电池的组件5

2.2.1电解质膜5

2.2.2膜电极组6

2.2.3双极板6

2.2.4加热或冷却板7

2.3配套设备的组件7

2.3.1水管理8

2.3.2热管理8

2.3.3燃料储存和加工8

2.3.4功率调节8

参考文献9

第3章 燃料电池的线性和非线性动态模型10

3.1简介10

3.2符号命名10

3.3质子交换膜燃料电池的非线性动态模型11

3.3.1稳态和动态电压-电流特性的统一模型11

3.3.2模拟结果13

3.3.3质子交换膜燃料电池非线性模型的控制应用14

3.4质子交换膜燃料电池的状态空间动态模型16

3.5质子交换膜燃料电池的电化学电路模型20

3.5.1等效电路20

3.5.2模拟结果22

3.6质子交换膜燃料电池的线性动态模型23

3.6.1 Chiu等人的模型23

3.6.1.1燃料电池的小信号模型24

3.6.1.2仿真和测量结果的比较29

3.6.2 Page等人的模型31

3.6.3南阿拉巴马大学的模型31

3.6.4其他模型32

3.7燃料电池输出响应的参数敏感性32

3.7.1燃料电池的动态响应及敏感性分析33

3.7.1.1敏感性函数33

3.7.1.2敏感性函数图34

3.7.2小结42

参考文献42

第4章 燃料电池的线性和非线性控制设计45

4.1简介45

4.2燃料电池的线性控制设计45

4.2.1燃料电池的分布参数模型45

4.2.2燃料电池的线性控制设计和模拟46

4.2.2.1功率控制回路46

4.2.2.2功率和固体温度的控制回路47

4.2.2.3多输入输出的控制方案48

4.2.2.4比例控制50

4.3燃料电池的非线性控制设计52

4.4接口的非线性控制设计56

4.5控制设计分析59

4.6质子交换膜燃料电池非线性控制的模拟62

参考文献69

第5章在Simulink中实现燃料电池模型和控制器71

5.1简介71

5.2在Simulink中实现燃料电池模型71

5.3在Simulink中实现燃料电池控制器77

5.4模拟结果78

参考文献84

第6章 燃料电池在汽车中的应用85

6.1简介85

6.2燃料电池汽车的部件86

6.2.1燃料电池和燃料电池子系统86

6.2.1.1气体流动管理子系统86

6.2.1.2水管理子系统86

6.2.1.3热管理子系统86

6.2.2氢气储存和燃料处理器89

6.2.3电驱动子系统90

6.3混合电力汽车和电力汽车的燃料电池系统设计91

6.3.1串联混合电力汽车91

6.3.2平行混合电力汽车92

6.3.3串联-并联混合电力汽车93

6.3.4燃料电池汽车94

6.3.4.1燃料电池汽车的功率管理系统95

6.3.4.2燃料电池汽车的电动机和电动机控制器/逆变器96

6.3.4.3燃料电池汽车中的辅助系统98

6.4用于电力汽车的混合燃料电池系统控制99

6.4.1动力传动控制99

6.4.2功率控制99

6.4.3燃料电池控制100

6.4.4燃料处理器或转化器101

6.5混合燃料电池系统的故障诊断102

6.5.1燃料电池堆102

6.5.2氢气供应系统102

6.5.3空气、加湿器和水管理系统103

6.5.4氢气扩散和冷却系统103

6.5.5安全电子系统103

参考文献104

第7章 燃料电池在公用电力系统和独立系统中的应用106

7.1简介106

7.2公用电力系统和住宅应用106

7.2.1燃料电池分布式发电系统的模拟和控制108

7.2.1.1质子交换膜燃料电池模拟108

7.2.1.2等效电路109

7.2.1.3热动力学的能量平衡109

7.2.1.4质子交换/电解质膜燃料电池的控制设计109

7.2.2操作方案110

7.3独立的应用112

7.3.1燃料电池与超级电容组的动态模拟112

7.3.1.1燃料电池模拟112

7.3.1.2超级电容组的模拟114

7.3.2燃料电池和超级电容组组合的控制设计114

7.3.3独立燃料电池系统的主动和被动控制116

参考文献116

第8章 混合可再生能源系统的控制和分析117

8.1简介117

8.1.1风能117

8.1.2混合能源118

8.1.3燃料电池能源118

8.2包括燃料电池和风能的混合系统119

8.2.1混合系统的仿真组件和方程119

8.2.1.1风力涡轮机子系统120

8.2.1.2直流发电机子系统121

8.2.1.3风力涡轮机和直流发电机控制器122

8.2.1.4质子交换膜燃料电池子系统123

8.2.1.5燃料电池控制器125

8.2.1.6电解槽子系统125

8.2.1.7等效负载和系统互联125

8.2.2模拟结果126

8.2.2.1低于额定风速（风能>负载）126

8.2.2.2高于额定风速（风能>负载）127

8.2.2.3低于额定风速（风能<负载）128

8.2.2.4湍流风低于额定风速（风能<负载）129

8.2.3结论131

8.3混合可再生发电系统在孤岛上的应用132

8.3.1仿真模型132

8.3.2控制方法132

8.3.3模拟结果134

8.3.4备注和讨论144

8.4一个独立风电/光伏/燃料电池发电系统的功率管理144

8.4.1系统配置145

8.4.2功率管理方案146

8.4.3模拟结果146

8.4.4小结153

8.5混合可再生能源系统的负载流量分析154

8.5.1配电系统的负载流量分析154

8.5.2在负载流量分析中的分布式发电机建模156

8.5.2.1分布式发电机的几个模型157

8.5.2.2测试结果159

8.5.2.3小结163

参考文献163

附录166

附录A线性控制166

A.1简介166

A.2线性系统与控制166

附录B非线性控制169

B.1非线性坐标变换和微分同胚映射169

B.2局部微分同胚映射170

B.3非线性控制系统的坐标变换170

B.4仿射非线性控制系统171

B.5向量场的导出映射171

B.6李导数和李括号171

B.7向量场集的对合性172

B.8一个控制系统的相关度173

B.9精确线性化控制173

附录C燃料电池汽车应用的感应式电动机建模和向量控制175

C.1感应式电动机的电压方程175

C.2在固定参照系中的电压方程176

C.3在同步参考系中的电压方程177

C.4 d-q等效电路178

C.5状态空间形式的动态感应式电动机模型179

C.6转矩方程180

C.7转差率计算182

C.8在d-轴转子磁通λe dr的计算182

C.9转矩的计算182

C.10 d-q解耦控制与反电动势补偿控制183

附录D坐标变换183

D.1从abc相到qd0参考坐标系的变换183

D.2同步参考坐标系184

D.3静止参考坐标系185

D.4同步和静止坐标系之间的变换186

附录E空间向量脉宽调制186

参考文献190