Power Conversion and Control for Fuel Cell Systems in Transportation and Stationary Power Generation

Abstract—Fuel cells are being explored for several applications, such as transportation, microgrids, back-up power, grid-connected and stationary power generation, portable appliances, etc. Fuel cells are preferred because of their secured and continuous output, zero or low emissions, and high efficiency. This article presents a review of the power conversion and control strategies for fuel cell systems for transportation and stationary power generation. The control characteristics and properties of fuel cells being used in these applications are discussed. A few power conversion system architectures for propulsion and power generation are presented. The present status and future strategies for advancement of fuel cell based systems are also presented.     

The electrifying future of the hybrid automobile

This paper describes the hybrid-electric vehicles (HEVs) and automotive propulsion technologies. The viability of the hybrid-electric concept and electric propulsion as major ways to improve energy efficiency and reduce the automobile's environmental effects and energy consumption has been demonstrated. The principal features are multiple power sources, an internal combustion engine, an electric motor, an energy storage system and an intelligent control system. This paper also discusses the design of the propulsion systems for automobiles and other transportation products, which is undergoing major changes. The development of EVs and HEVs provide a technology bridge to the electric propulsion technologies needed for the fuel cars (fuel cell hybrid vehicle) of the future.     

Charging ahead

With the constant performance improvement and cost reduction of power electronics and motor drives, more efficient vehicles such as electric, hybrid electric, and plug-in hybrid electric vehicles (PHEVs) are becoming a reality. The commonality between all advanced vehicles is the presence of electric propulsion powered by an electric storage system. As a result, the development of adequate energy storage systems is now more important than ever. High energy density, modularity, and affordability have made batteries the technology of choice for vehicular applications. In recent years, battery technology has made great strides in improving the energy and power density. Still, a tradeoff between power and energy must be made to best meet space and weight constraints. In this article, we shed some light on this tradeoff. We also look at how batteries can be represented with equivalent circuits. Finally, we go into some detail on battery management requirements that ensure that the batteries perform as expected.     

电力电子在舰船电力系统中的典型应用

近年来,电力电子技术得到了迅速的发展,越来越广泛地应用于舰船电力系统领域.本文列举了电力电子在舰船高速感应发电机静止励磁系统、静止式电能变换系统、直流区域配电系统以及电力推进系统中的典型应用,并对后续加快电力电子技术的发展提出了几点建议.     

Letter to the Editor: A Brief Overview of Nanotechnology Applications in Smart Power Grid

Abstract

The smart power grid is the future conversion for the methods and strategies of production and consuming of electrical energy and the interaction between all the components of power grid. The smart power grid rate of achievement is accelerating with the fast growth of related technologies. Nanotechnology science is a trend in improvement and changing of material characteristics, behavior, and cost. Application of nanotechnology in electrical energy production and storage is in the early stages of development and research. This article presents a brief overview for recent and expected advancements in the smart power grid in the environment of nanotechnology discoveries, specifically describing applications and benefits of nanotechnology in photovoltaic cells, wind turbines, fuel cells, plug-in electric vehicles, energy storage batteries, and smart sensors. The use of nanotechnology in smart grid power electronics, computing, and communications is also introduced. This overview gives a promising outline for the future smart grid.     

燃料电池在电动汽车中的应用前景

以石油燃料为动力的汽车,其尾气是空气污染的主要来源,以充电电池为动力的电动汽车是解决汽车尾气污染的途径之一.目前,由于充电电池贮能量比内燃机低而使电动汽车数量仍然很少.燃料电池是未来最有希望替代内燃机的汽车动力,它的运行效率高,能够使用甲醇、乙醇、天然气或氢气等非石油基燃料,还可以显著改善排气质量,减少大气污染.可用于电动汽车的燃料电池类型有磷酸型燃料电池、离子交换膜燃料电池和固体氧化物燃料电池.本文对上述燃料电池的原理和性能作了详细介绍,对世界各国的研究开发活动作了介绍.     

Momentum Search Algorithm for Analysis of Fuel Cell Vehicle-to-Grid System with Large-Scale Buildings

The design and analysis of a fuel cell vehicle-to-grid (FCV2G) system with a high voltage conversion interface is proposed. The system aims to maximize the utilization of fuel cell vehicles (FCVs) as distributed energy resources, allowing them to actively participate in the energy market. The proposed FCV2G system has FCVs, power electronics interfaces, and the electrical grid. The power electronics interfaces are responsible for converting the low-voltage output of the fuel cell stack into high-voltage DC power, and ensuring efficient power transfer between the FCVs and the grid. To optimize the operation of the FCV2G system, the momentum search algorithm (MSA) is employed. By applying MSA, the FCV2G system can achieve optimal power dispatch, considering factors such as energy efficiency, grid stability, and economic feasibility. The proposed method is tested in MATLAB. The best MSA and dynamic load profile solutions are run for 24 h and the results show that 100% import of FCVs 51.0% more than 100% electric vehicle. Peak-cutting and vehicle-to-grid service revenue are 30.5% and 95.0% greater, respectively. Low discharge loss, high capacity, and high discharge power are the main advantages of FCVs. The benchmark FCVs ratio of 15% is used for sensitivity analysis. The findings reveal that the overall advantages of FCV2G are improved.     

燃料电池研究现状

介绍了燃料电池的发展简史，简述了氢-氧燃料电池的工作原理，对不同类型燃料电池的工作特征、国内外研究等产业化现状及燃料电池在汽车、电力系统及便携式器具中的应用等进行了评述，指在燃料电池发展过程中存在问题。     

磁悬浮轴承飞轮电池在燃料电池电力推进中的应用探究

本文给出了一种同时采用燃料电池和磁悬浮轴承飞轮电池作为电能的转化和存储装置的电力推进系统设计方案。分析了该系统的主要特点与存在的问题,为今后电力推进领域的发展提出了一种新思路。     

基于模糊的氢燃料电池时序采样能量控制方法

氢燃料电池汽车的能量管理系统对燃料电池寿命、耐久、经济性等性能起着重要作用。 在对经典模糊控制策略的改进 基础上,解决控制策略存在的燃料电池输出功率变载频繁的问题,以时序规则进行优化设计,根据燃料电池运行特性、工作效率 点以及道路工况具备的特点提出了一种基于时序周期采样的控制策略,通过对车辆搭载燃料电池和动力电池输出功率的控制, 完成能量管理策略优化。 针对一款实际运营的燃料电池公交车在等速工况和中国典型城市公交循环工况下,使用不同控制策 略时的氢耗、燃料电池输出功率状态、动力电池荷电状态变化等数据进行分析,发现设计的控制策略能有效降低燃料电池变载 次数,提高燃料电池使用寿命,在氢耗方面比功率跟随策略、开关控制策略有明显优势,在初始动力电池荷电状态为 60%条件 下,后两者策略氢耗分别增加了 3. 98%和 27. 88%。     

镁燃料电池的发展及应用

综述了镁-空气燃料电池与镁-过氧化氢燃料电池系统的工作原理,概括了近年来在镁阳极、阴极电催化剂与结构、电解质添加剂等方面的研究与进展。镁燃料电池具有高比能量、长期存放、安全和成本低等特点,在军事和民用方面有广泛的用途,可广泛应用于可移动电子设备电源、自主式潜航器电源、海洋水下仪器电源和备用电源等领域。     

变流变频技术在电动车组中的应用与发展

对电动车组的静止辅助电源系统及主传动系统中采用新一代IGBT模块构成电路方案及其发展作了综述,并作了比较和评述。认为:高压绝缘栅双极型晶体管(HVIGBT)已成为主导文件。在主牵引逆变器中,无论其主电路结构还是控制理论和技术,还有待进一步完善和优化。应对HVIGBT开展国产化研究。     

变流变频技术在电动车组中的应用与发展

对电动车组的静止辅助电源系统及主传动系统中采用新一代IGBT模块构成电路方案及其发展作了综述，并作了比较和评述。认为：高压绝缘栅双极型晶体管（HVIGBT）已成为主导文件。在主牵引逆变器中，无论其主电路结构还是控制理论和技术，还有待进一步完善和优化。应对HVIGBT开展国产化研究。     

空间电推进系统电源处理单元技术发展综述

电推进技术作为目前航天器的一种先进推进技术,已逐步广泛用于各类航天器,电源处理单元(PPU)作为系统供配电的核心关键设备之一,其技术发展对电推进技术的可靠应用具有重要作用。为给推进系统设计者以及PPU研究人员提供更加全面的技术发展信息,文中综述了电推进PPU产品的国内外发展与研究现状,针对霍尔推力器和离子推力器的多种供配电技术方案在实际应用中的通用性与局限性进行了对比分析,同时,结合我国电推进系统PPU的应用背景,介绍了目前PPU技术发展面临的高效率功率变换、高压绝缘防护、高功率密度小型化等问题的解决途径,最后,讨论了PPU技术发展的挑战与趋势。     

混合动力车用电化学能源系统

对混合动力车用电化学能源系统的技术要求和各种电化学能源——蓄电池、超级电容器、燃料电池、阀控超电池等的优缺点作了简要的论述。从电性能、安全性和价格等方面综合考虑,认为MH-Ni电池、混合型超级电容器(CK/OH溶液/NiOOH)作为混合动力车的辅助能源是目前合理的选择。     

考虑坡度工况的FCHEV队列分层优化控制策略研究

在面对坡度工况时，如何开发同时兼顾车辆间协同控制与能耗经济性的控制策略是提高交通效率与发挥车辆节能潜力的关键技术之一。以燃料电池混合动力汽车队列为研究对象，以安全行驶及优化能耗为目标，提出了一种基于改进粒子群优化算法与Q学习的燃料电池混合动力汽车队列分层优化控制策略。该策略中上层控制器在保证满足与前车距离或速度限制等安全约束的前提下，利用改进的粒子群优化算法获取节能速度轨迹，并使用模型预测控制框架实时调整主车速度遵循节能速度轨迹行驶。下层控制器根据上层求解的车速和需求功率等信息建立Q学习控制器，实现燃料电池混合动力汽车动力电池与燃料电池之间的最优能量分配。仿真结果表明，本文所提出的分层控制策略在坡度工况下，表现出良好的跟踪性能和安全性能，且优化结果与动态规划策略相似，表明该策略的能耗经济性及可行性。     

燃料电池汽车基本技术及发展综述

燃料电池（FC）是将燃料中的化学能转换成电能的发电装置,它具有高效、清洁的特点,目前已经成为电力能源领域的研究热点,其中装备燃料电池的电动汽车是其主要的研究和应用对象。简介了燃料电池的能量转换电化学过程,归纳了燃料电池汽车（FCV）的结构和工作原理,并指出燃料电池汽车具有效率高、续驶里程长、绿色环保、低噪声的优点。基于现有研究,提出了燃料电池汽车整车总体设计、动力系统参数匹配、电机的控制技术、整车通信网络技术、增湿系统、车载供氢系统等的具体实现方案,分析了国内外燃料电池汽车研究和应用领域的现状,指出了我国燃料电池汽车存在的系列问题。未来燃料电池汽车技术将向FC模块化、动力系统混合化、燃料电池汽车产业联盟化的方向发展,以符合重点发展客车和专用车,降低成本和完善配套设施等应用需求。     

基于电动汽车装置DC/DC变换器的研究

电动汽车应用越来越广泛,针对电动汽车中大功率DC/DC变换器的要求,提出了一种三电平软开关正反激直直变换电路拓扑,不仅拓宽了变换器输入电压范围,而且增大了变换器的变换功率。另外,随着高科技的发展,高频化要求不断增加,从而使电路对开关器件的性能要求也逐渐的提高。为了提高开关器件的响应性能,减小开关器件的损耗,提出的电路拓扑中通过增加一个软开关辅助电路,从而能在较宽的负载范围内实现了开关管的零电压开断,有效地减小开关管的损耗,提高了DC/DC变换器的变换效率,则缩小了电动汽车的成本。     

电动汽车与电力系统的交互作用

发展电动汽车产业已成为许多国家应对能源危机和环境污染这两大难题的战略选择, 可入网电动汽车的规模化应用会对电力系统的多个方面带来新的问题甚至挑战。在此背景下, 首先介绍动力电池的研究现状和发展动向, 详细评述现有考虑时空分布的电动汽车集群负荷特性方面的研究进展。之后, 阐述电动汽车规模化应用对电力系统多方面可能带来的影响与挑战, 着重分析电动汽车接入对配电系统的影响, 电动汽车与电力系统的交互与协调问题, 概述对电动汽车充放电管理以改善电力系统运行的安全性与经济性的可能途径。最后, 从用户侧和系统侧简要评述大量电动汽车与电力系统交互所能带来的经济价值。     

PSpice在电力电子技术教学改革实践中的应用

计算机仿真为电力电子技术的教学及设计提供了一个有效的工具,文中对PSpice仿真软件在电力电子技术教学改革实践中的应用进行了研究.以三相桥式整流电路以及Buck电路为例,建立电路模型.给出仿真结果.结合仿真过程及结果分析进行教学可以使学生更容易理解、掌握相关的知识;基于这个平台,学生自己可以根据要求设计电路,并通过对电流、电压等波形的分析对其性能进行检验;对提高教学质量、培养创新人才具有重要的意义.