燃料電池控制系統(tǒng)設(shè)計綜述

燃料電池的控制系統(tǒng)設(shè)計非常重要，控制系統(tǒng)設(shè)計合理，可以提高電池系統(tǒng)的可靠性和耐久性。本文對可以提高燃料電池系統(tǒng)性能的控制系統(tǒng)設(shè)計方案，進(jìn)行了綜述介紹。

文獻(xiàn)[1]介紹了采用滑模和超扭轉(zhuǎn)算法控制的PEMFC，可以解決直流/直流轉(zhuǎn)換器工作抖動問題；文獻(xiàn)[2]介紹了使用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行PEMFC熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)控制的方法，指出此系統(tǒng)應(yīng)用于電動汽車上的潛力；文獻(xiàn)[3]介紹了可解決燃料電池膜針孔問題的，超壓最優(yōu)控制方法，可提高電池壽命；文獻(xiàn)[4]介紹了基于編碼遺傳算法的PEMFC動態(tài)電壓恢復(fù)器控制系統(tǒng)的設(shè)計；文獻(xiàn)[5]和文獻(xiàn)[6]對PEMFC的能源管理策略進(jìn)行研究，采用相應(yīng)控制算法，可保證電池系統(tǒng)可靠提供電力的同時，具有最高的效率；文獻(xiàn)[7]對可提高燃料電池系統(tǒng)的使用壽命的控制系統(tǒng)設(shè)計進(jìn)行了介紹；文獻(xiàn)[8]介紹了燃料電池系統(tǒng)技術(shù)面臨的障礙，指出了控制系統(tǒng)設(shè)計的必要性；文獻(xiàn)[9]介紹了一種可使用多種燃料的燃料電池，將其他燃料在催化劑作用下，轉(zhuǎn)化為富氫氣體，采用這種思路設(shè)計的燃料電池系統(tǒng)，有很大潛力。

1　采用滑模和超扭轉(zhuǎn)算法控制的PEMFC[1]

當(dāng)前環(huán)境污染、能源短缺等問題，日益引起大家的注意。質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）是一種非常有前途的發(fā)電系統(tǒng)，它可以提供清潔的電能，且系統(tǒng)穩(wěn)定性和效率高。PEMFC便于應(yīng)用在大多數(shù)移動和固定場合，非常適合應(yīng)用于汽車。

PEMFC需要配備設(shè)計合理的功率調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換器，從而可以提高其工作的穩(wěn)定性和高效性。最常見的轉(zhuǎn)換器之一是直流/直流轉(zhuǎn)換器。該轉(zhuǎn)換器可以按設(shè)計的形式轉(zhuǎn)換來自燃料電池的電力，據(jù)統(tǒng)計有超過500種轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。最簡單的是降壓轉(zhuǎn)換器，可以降低輸入到輸出的電壓，升壓轉(zhuǎn)換器可以提高輸出電壓，其他類型則是升降壓和Cuk轉(zhuǎn)換器。

以往在質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）系統(tǒng)，采用滑模控制器，用于直流/直流轉(zhuǎn)換器，可以改善和優(yōu)化電池系統(tǒng)效率，但存在顫振這一缺點(diǎn)。文中建立PEMFC數(shù)學(xué)模型，并在模型基礎(chǔ)上，采用二階超扭曲算法（STA）作為降低顫振的一種解決方案。

文中使用MATLAB和Simulink軟件，進(jìn)行電池模型及控制系統(tǒng)建模（圖1）。最后作者利用Lyapunov方法對該控制系統(tǒng)進(jìn)行了閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析。結(jié)果的比較表明，與經(jīng)典的滑模控制相比，所提出的方法具有相當(dāng)大的優(yōu)勢。下一步作者希望對采用這種控制方案的實(shí)際PEMFC系統(tǒng)，進(jìn)行進(jìn)一步試驗(yàn)測試。

圖1　FEM燃料電池輸出功率控制圖

2　基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PEMFC熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)建模及控制系統(tǒng)設(shè)計 [2]

對聚合物電解質(zhì)膜燃料電池（PEMFC）系統(tǒng)進(jìn)行建模后，可以進(jìn)行運(yùn)行策略研究，且可以評估與其他系統(tǒng)集成或控制算法的性能，從而可以達(dá)到系統(tǒng)能量效率的最大化利用。當(dāng)前，已有幾種PEMFC模型，精度較高，能夠模擬電池系統(tǒng)的動態(tài)特性及行為。然而，很少有關(guān)于PEMFC模型被整合到熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中的研究。

將PEMFC系統(tǒng)整合到熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中，可以更大程度上提高能源的利用率，隨著技術(shù)的進(jìn)步，該整合系統(tǒng)可以進(jìn)一步小型化，應(yīng)用在汽車上。在整合系統(tǒng)中，PEMFC工作產(chǎn)生的熱量，可用來產(chǎn)生水蒸氣，進(jìn)一步進(jìn)行發(fā)電，或者通過抽汽或排汽，進(jìn)行供熱或制冷，取代電動汽車空調(diào)，可提高能源利用率。

在整合系統(tǒng)中，除了考慮到PEMFC的固有特性外，還必須考慮到整合系統(tǒng)的特性。文中使用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN），建立了基于PEMFC的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，能夠以簡單和?zhǔn)確的方式對整合系統(tǒng)進(jìn)行研究，而無需了解系統(tǒng)的內(nèi)在特征，建立復(fù)雜的分析模型。

該模型基于具有并行NARX架構(gòu)（圖2）的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，用基于PEMFC的600瓦電力的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)測試獲得的數(shù)據(jù)，進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練。訓(xùn)練之后，用試驗(yàn)數(shù)據(jù)對該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行了測試和驗(yàn)證。研究表明，該模型能夠準(zhǔn)確模擬整合系統(tǒng)的熱響應(yīng)和氫氣消耗，可以基于此模型設(shè)計控制系統(tǒng)，使其效率經(jīng)濟(jì)最大化。

圖2　雙層反饋NARX網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架

3　解決膜針孔的聚合物電解質(zhì)膜燃料電池燃料超壓的最優(yōu)控制[3]

在尋找可應(yīng)用于汽車的替代能源時，燃料電池引起了國際上廣泛的關(guān)注。與內(nèi)燃機(jī)相比，燃料電池效率更高、污染更少。如今，燃料電池廣泛應(yīng)用于固定式備用電源、分布式發(fā)電、便攜式電子設(shè)備以及交通運(yùn)輸行業(yè)等領(lǐng)域。特別是在2010年加拿大溫哥華冬季奧運(yùn)會期間，惠斯勒混合動力公共汽車中使用了燃料電池。

在各種類型的燃料電池系統(tǒng)中，聚合物電解質(zhì)膜燃料電池可在低溫下工作，結(jié)構(gòu)緊湊，且沒有任何腐蝕性流體危害，因此有希望在汽車中得到廣泛應(yīng)用。提高燃料電池系統(tǒng)的效率和可靠性以及耐久性，是該領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。在使用過程中，燃料電池膜容易發(fā)生退化，例如形成膜針孔。這些針孔導(dǎo)致反應(yīng)物通過膜轉(zhuǎn)移，這可能會顯著降低電池的性能。例如，由于氧傳遞造成的燃料不足，會加速膜退化。

膜針孔的形成是燃料電池中常見的缺陷，會提高電池生產(chǎn)成本和降低使用壽命。文中針對此問題進(jìn)行解決，采用模型預(yù)測控制方法，控制燃料電池組入口側(cè)的陽極室和陰極室之間的壓差（稱為燃料超壓），來克服膜針孔這一缺陷。用氣動建模技術(shù)對燃料電池陽極側(cè)進(jìn)行建模，將氫轉(zhuǎn)移泄漏嵌入到模型中，進(jìn)行控制器設(shè)計。

作者根據(jù)不同尺寸氫氣傳輸泄漏的試驗(yàn)結(jié)果，對設(shè)計的燃料超壓控制系統(tǒng)進(jìn)行測試，表明該系統(tǒng)可減輕膜針孔的影響，從而延長膜的壽命，并減少傳遞泄漏過程中的氫氣量。此外，該模型預(yù)測控制器在滿足問題約束的同時，提供了最優(yōu)的控制輸入。

4　基于編碼遺傳算法的PEMFC動態(tài)電壓恢復(fù)器控制系統(tǒng)設(shè)計[4]

電力質(zhì)量問題會直接或間接影響客戶，在設(shè)備突然關(guān)閉或損壞過程中，生產(chǎn)損失、數(shù)據(jù)丟失、材料浪費(fèi)等方面會造成經(jīng)濟(jì)損失。即使很小的電壓驟降，也可能會導(dǎo)致設(shè)備中斷工作數(shù)小時。根據(jù)國際銅業(yè)協(xié)會（ICA）的報告，電壓每驟降一伏特，在工業(yè)生產(chǎn)上的成本為345,497美元，服務(wù)行業(yè)中成本為202,945美元。動態(tài)電壓恢復(fù)器（DVR）是配電系統(tǒng)中的有效電壓補(bǔ)償裝置，可以解決這一問題。

電壓擾動是電力分配系統(tǒng)中的主要電能質(zhì)量問題之一。文中，對DVR進(jìn)行建模，使用此模型研究，在非線性負(fù)載條件下，DVR對敏感負(fù)載免受源端電壓干擾的保護(hù)作用。

文中使用基于編碼遺傳算法（GA）優(yōu)化的模糊邏輯控制器，進(jìn)行DVR控制器設(shè)計。在MATLAB平臺上分析了所提出的DVR系統(tǒng)在不同類型故障情況下的有效性。

結(jié)果表明使用此控制器的DVR系統(tǒng)，除了可以補(bǔ)償負(fù)載電壓中的諧波之外，還能夠補(bǔ)償負(fù)載側(cè)的平衡和不平衡電壓驟降/膨脹，相比其他控制器，可提供更好的補(bǔ)償。

5　PEMFC電源監(jiān)控系統(tǒng)控制算法設(shè)計[5]

質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)是一種燃料電池，其原理相當(dāng)于水電解的“逆”裝置。其單電池由陽極、陰極和質(zhì)子交換膜組成，陽極為氫燃料發(fā)生氧化的場所，陰極為氧化劑還原的場所，兩極都含有加速電極電化學(xué)反應(yīng)的催化劑，質(zhì)子交換膜作為電解質(zhì)。工作時相當(dāng)于一直流電源，其陽極即電源負(fù)極，陰極為電源正極。

對于PEMFC系統(tǒng)，每時刻的負(fù)載不同，需要控制器對電池功率進(jìn)行合理地控制，從而提高系統(tǒng)效率。作者介紹了一種基于模糊邏輯的實(shí)時電源管理系統(tǒng)。該電源監(jiān)控系統(tǒng)，根據(jù)負(fù)載需求，通過使用模糊邏輯MPPT方法永久追蹤最大功率點(diǎn)，從而保證PEMFC始終工作在最高效的狀態(tài)。

作者根據(jù)功率需求，為電源監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計了不同的控制策略，在不同工況下，允許不同操作模式進(jìn)行平滑切換。此外，為了使用PEMFC系統(tǒng)可以給交流負(fù)載提供純正弦波，文中提出了一種Back步進(jìn)算法來控制前端單相逆變器。

最后，作者進(jìn)行了試驗(yàn)，在給定負(fù)載情況下，測試出負(fù)載曲線，通過對曲線進(jìn)行比較分析，表明引入的模糊邏輯MPPT控制器（圖3），不論負(fù)載如何變化，都可使PEMFC系統(tǒng)在最高效狀態(tài)附近工作。

圖3　MPPT算法模糊邏輯圖

6　PEMFC功率控制系統(tǒng)設(shè)計[6]

由于燃料電池具有高能量密度、低排放和溫和的操作條件，因此在汽車作為直流能源，得到廣泛的應(yīng)用?？梢詫⒕酆衔锝粨Q膜燃料電池（PEMFC）和其他電能存儲模式進(jìn)行組合，如電池和超級電容器，作為混合動力系統(tǒng)。燃料電池-電池混合動力系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計、功率管理、道路測試和效率等方法，已有很多研究。

燃料電池-電池混合動力系統(tǒng)，在汽車上已有很多實(shí)際應(yīng)用，如Buddy El-Jet混合動力汽車、Microcab H2EV混合動力汽車及挪威Buddy El-Jet混合動力汽車等，都已經(jīng)過實(shí)際生產(chǎn)和試驗(yàn)測試。這些汽車系統(tǒng)通常由：質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)、電池組、動力總成系統(tǒng)及其他系統(tǒng)組成。但是，已有技術(shù)仍存在很多問題，需要進(jìn)行改進(jìn)。對于電動汽車，面臨的主要問題是：如何高效地管理燃料電池、電池、超級電容以及電機(jī)驅(qū)動和電氣系統(tǒng)等組成的系統(tǒng)，提高其效率。

盡管燃料電池并不會以最大峰值功率連續(xù)運(yùn)行，但在某些特殊情況下，需要燃料電池的最大功率，而不是最大的燃料效率。例如，在啟動和加速時需要高功率，可以使用最大峰值功率跟蹤（MPPT）控制方法，保證在需要時，電池可工作在最大功率。文中基于MPPT算法設(shè)計了PEMFC能量管理控制系統(tǒng)（圖4）。

圖4　MPPT增強(qiáng)電路

采用MPPT方法設(shè)計的控制單元具有體積小、功耗低的優(yōu)點(diǎn)。試驗(yàn)表明，使用此控制單元，在滿足汽車功率需求的同時，可以提高PEMFC系統(tǒng)的效率。

7　可提高燃料電池系統(tǒng)的使用壽命的控制系統(tǒng)設(shè)計[7]

燃料電池提供了傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的潛在替代方案，并已有許多應(yīng)用。例如，燃料電池越來越多地被用作供電系統(tǒng)的備用系統(tǒng)，用于新能源汽車上。通常不會單獨(dú)使用燃料電池，會使用其于電池等組合成混合發(fā)電系統(tǒng)，需要考慮燃料電池技術(shù)的電力供應(yīng)系統(tǒng)，建立最優(yōu)控制策略模型，使其使用壽命最大化。

有些情況下，還會使用多堆燃料電池，組成一個系統(tǒng)，進(jìn)行供電，為了延長燃料電池系統(tǒng)在診斷和健康管理（PHM）框架中的使用壽命，需要對多堆燃料電池系統(tǒng)進(jìn)行管理。

對于多堆燃料電池系統(tǒng)，需要根據(jù)負(fù)載合理地選擇燃料電池堆進(jìn)行工作，確定需要的輸出大功率。其使用壽命不僅取決于每個堆的使用壽命，而且還取決于運(yùn)行條件設(shè)置。由于可變運(yùn)行條件對燃料電池壽命的影響尚不清楚，因此可以簡單表示為燃料電池在磨損情況下的行為，以估計隨時間推移燃料電池可用輸出及其剩余壽命（RUL）。

作者提出了多堆燃料電池健康狀態(tài)預(yù)測模型，符合質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）的特殊特性。所提出的電池調(diào)度過程，是基于混合整數(shù)線性規(guī)劃（MILP），可充分考慮負(fù)載的需求，使多堆燃料電池系統(tǒng)壽命最大化。

8　燃料電池系統(tǒng)技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)與解決方案[8]

燃料電池是一種低碳技術(shù)，因?yàn)樗哂懈咝?、低噪音和清潔的特點(diǎn)，具有較大發(fā)展?jié)摿?。如果能證明，其可長時間連續(xù)提供可靠的電力，將來燃料電池可能是主要的電能來源。燃料電池的高質(zhì)量動力和效率，使其可應(yīng)用于許多場合，如備用動力、交通運(yùn)輸和潛艇引擎等。

燃料電池發(fā)展仍面臨一些技術(shù)挑戰(zhàn)和障礙，包括水、熱、材料、催化劑等問題，原因在于原子層面和堆層系統(tǒng)層面的多種化學(xué)和物理相互作用。這些問題影響著燃料電池的性能，包括：可靠性和耐久性。

美國能源部（DOE）已經(jīng)制定了移動燃料電池（5000小時，相當(dāng)于150,000英里行駛里程）和穩(wěn)定時間（40,000小時）的耐久性目標(biāo)。但是，全球燃料電池商業(yè)化尚未起步。市場上只有少數(shù)具有較高可靠性的燃料電池系統(tǒng)。

作者還分析了燃料電池研發(fā)的流程，并將燃料電池發(fā)展面臨的障礙劃分為四個不同的階段：組件、單體電池、堆疊和系統(tǒng)控制。其中，文中特別提出，需要開發(fā)燃料電池控制系統(tǒng)，以提高其系統(tǒng)的可靠性和耐久性，并指明了可以進(jìn)一步進(jìn)行研究的方向。

9　烴類重整制氫對氫燃料電池的影響[9]

燃料電池是電能化學(xué)能轉(zhuǎn)換裝置，可用于將化學(xué)燃料中存儲的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能。與傳統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換技術(shù)相比，其具有效率高、排放低、系統(tǒng)緊湊和環(huán)境效益等優(yōu)勢。固體氧化物燃料電池（SOFC）由于具有燃料靈活性，對燃料中雜質(zhì)的高度耐受性，以及不需要昂貴的貴金屬催化劑等優(yōu)點(diǎn)，而廣泛使用。

通常在SOFC中，使用氫作為燃料。當(dāng)使用柴油、天然氣和甲醇等燃料時，需要使用燃料處理器將碳?xì)浠衔镏卣麨楦粴錃怏w，以便燃料電池進(jìn)行電化學(xué)轉(zhuǎn)化。這促進(jìn)了相關(guān)科研人員，對將碳?xì)浠衔镛D(zhuǎn)化為氫的相關(guān)研究。

研究的重點(diǎn)是對燃料重整催化劑進(jìn)行研究，選擇合理地催化劑，有利于提高燃料電池燃料的多樣性，降低燃料處理器的尺寸、成本等。作者指出，隨著高效燃料轉(zhuǎn)化催化劑的研究，氫燃料電池將有可能使用多元化的燃料，這將極大地改變氫燃料電池的控制系統(tǒng)和供給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

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