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