燃料电池控制系统设计综述

燃料电池的控制系统设计非常重要，控制系统设计合理，可以提高电池系统的可靠性和耐久性。本文对可以提高燃料电池系统性能的控制系统设计方案，进行了综述介绍。

文献[1]介绍了采用滑模和超扭转算法控制的PEMFC，可以解决直流/直流转换器工作抖动问题；文献[2]介绍了使用人工神经网络进行PEMFC热电联产系统控制的方法，指出此系统应用于电动汽车上的潜力；文献[3]介绍了可解决燃料电池膜针孔问题的，超压最优控制方法，可提高电池寿命；文献[4]介绍了基于编码遗传算法的PEMFC动态电压恢复器控制系统的设计；文献[5]和文献[6]对PEMFC的能源管理策略进行研究，采用相应控制算法，可保证电池系统可靠提供电力的同时，具有最高的效率；文献[7]对可提高燃料电池系统的使用寿命的控制系统设计进行了介绍；文献[8]介绍了燃料电池系统技术面临的障碍，指出了控制系统设计的必要性；文献[9]介绍了一种可使用多种燃料的燃料电池，将其他燃料在催化剂作用下，转化为富氢气体，采用这种思路设计的燃料电池系统，有很大潜力。

1　采用滑模和超扭转算法控制的PEMFC[1]

当前环境污染、能源短缺等问题，日益引起大家的注意。质子交换膜燃料电池（PEMFC）是一种非常有前途的发电系统，它可以提供清洁的电能，且系统稳定性和效率高。PEMFC便于应用在大多数移动和固定场合，非常适合应用于汽车。

PEMFC需要配备设计合理的功率调节转换器，从而可以提高其工作的稳定性和高效性。最常见的转换器之一是直流/直流转换器。该转换器可以按设计的形式转换来自燃料电池的电力，据统计有超过500种转换器拓扑结构。最简单的是降压转换器，可以降低输入到输出的电压，升压转换器可以提高输出电压，其他类型则是升降压和Cuk转换器。

以往在质子交换膜燃料电池（PEMFC）系统，采用滑模控制器，用于直流/直流转换器，可以改善和优化电池系统效率，但存在颤振这一缺点。文中建立PEMFC数学模型，并在模型基础上，采用二阶超扭曲算法（STA）作为降低颤振的一种解决方案。

文中使用MATLAB和Simulink软件，进行电池模型及控制系统建模（图1）。最后作者利用Lyapunov方法对该控制系统进行了闭环系统的稳定性分析。结果的比较表明，与经典的滑模控制相比，所提出的方法具有相当大的优势。下一步作者希望对采用这种控制方案的实际PEMFC系统，进行进一步试验测试。

图1　FEM燃料电池输出功率控制图

2　基于人工神经网络的PEMFC热电联产系统建模及控制系统设计 [2]

对聚合物电解质膜燃料电池（PEMFC）系统进行建模后，可以进行运行策略研究，且可以评估与其他系统集成或控制算法的性能，从而可以达到系统能量效率的最大化利用。当前，已有几种PEMFC模型，精度较高，能够模拟电池系统的动态特性及行为。然而，很少有关于PEMFC模型被整合到热电联产系统中的研究。

将PEMFC系统整合到热电联产系统中，可以更大程度上提高能源的利用率，随着技术的进步，该整合系统可以进一步小型化，应用在汽车上。在整合系统中，PEMFC工作产生的热量，可用来产生水蒸气，进一步进行发电，或者通过抽汽或排汽，进行供热或制冷，取代电动汽车空调，可提高能源利用率。

在整合系统中，除了考虑到PEMFC的固有特性外，还必须考虑到整合系统的特性。文中使用人工神经网络（ANN），建立了基于PEMFC的热电联产系统的经验模型，能够以简单和准确的方式对整合系统进行研究，而无需了解系统的内在特征，建立复杂的分析模型。

该模型基于具有并行NARX架构（图2）的人工神经网络，用基于PEMFC的600瓦电力的热电联产系统进行试验测试获得的数据，进行神经网络训练。训练之后，用试验数据对该神经网络模型进行了测试和验证。研究表明，该模型能够准确模拟整合系统的热响应和氢气消耗，可以基于此模型设计控制系统，使其效率经济最大化。

图2　双层反馈NARX网络构架

3　解决膜针孔的聚合物电解质膜燃料电池燃料超压的最优控制[3]

在寻找可应用于汽车的替代能源时，燃料电池引起了国际上广泛的关注。与内燃机相比，燃料电池效率更高、污染更少。如今，燃料电池广泛应用于固定式备用电源、分布式发电、便携式电子设备以及交通运输行业等领域。特别是在2010年加拿大温哥华冬季奥运会期间，惠斯勒混合动力公共汽车中使用了燃料电池。

在各种类型的燃料电池系统中，聚合物电解质膜燃料电池可在低温下工作，结构紧凑，且没有任何腐蚀性流体危害，因此有希望在汽车中得到广泛应用。提高燃料电池系统的效率和可靠性以及耐久性，是该领域的研究重点。在使用过程中，燃料电池膜容易发生退化，例如形成膜针孔。这些针孔导致反应物通过膜转移，这可能会显著降低电池的性能。例如，由于氧传递造成的燃料不足，会加速膜退化。

膜针孔的形成是燃料电池中常见的缺陷，会提高电池生产成本和降低使用寿命。文中针对此问题进行解决，采用模型预测控制方法，控制燃料电池组入口侧的阳极室和阴极室之间的压差（称为燃料超压），来克服膜针孔这一缺陷。用气动建模技术对燃料电池阳极侧进行建模，将氢转移泄漏嵌入到模型中，进行控制器设计。

作者根据不同尺寸氢气传输泄漏的试验结果，对设计的燃料超压控制系统进行测试，表明该系统可减轻膜针孔的影响，从而延长膜的寿命，并减少传递泄漏过程中的氢气量。此外，该模型预测控制器在满足问题约束的同时，提供了最优的控制输入。

4　基于编码遗传算法的PEMFC动态电压恢复器控制系统设计[4]

电力质量问题会直接或间接影响客户，在设备突然关闭或损坏过程中，生产损失、数据丢失、材料浪费等方面会造成经济损失。即使很小的电压骤降，也可能会导致设备中断工作数小时。根据国际铜业协会（ICA）的报告，电压每骤降一伏特，在工业生产上的成本为345,497美元，服务行业中成本为202,945美元。动态电压恢复器（DVR）是配电系统中的有效电压补偿装置，可以解决这一问题。

电压扰动是电力分配系统中的主要电能质量问题之一。文中，对DVR进行建模，使用此模型研究，在非线性负载条件下，DVR对敏感负载免受源端电压干扰的保护作用。

文中使用基于编码遗传算法（GA）优化的模糊逻辑控制器，进行DVR控制器设计。在MATLAB平台上分析了所提出的DVR系统在不同类型故障情况下的有效性。

结果表明使用此控制器的DVR系统，除了可以补偿负载电压中的谐波之外，还能够补偿负载侧的平衡和不平衡电压骤降/膨胀，相比其他控制器，可提供更好的补偿。

5　PEMFC电源监控系统控制算法设计[5]

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种燃料电池，其原理相当于水电解的“逆”装置。其单电池由阳极、阴极和质子交换膜组成，阳极为氢燃料发生氧化的场所，阴极为氧化剂还原的场所，两极都含有加速电极电化学反应的催化剂，质子交换膜作为电解质。工作时相当于一直流电源，其阳极即电源负极，阴极为电源正极。

对于PEMFC系统，每时刻的负载不同，需要控制器对电池功率进行合理地控制，从而提高系统效率。作者介绍了一种基于模糊逻辑的实时电源管理系统。该电源监控系统，根据负载需求，通过使用模糊逻辑MPPT方法永久追踪最大功率点，从而保证PEMFC始终工作在最高效的状态。

作者根据功率需求，为电源监控系统设计了不同的控制策略，在不同工况下，允许不同操作模式进行平滑切换。此外，为了使用PEMFC系统可以给交流负载提供纯正弦波，文中提出了一种Back步进算法来控制前端单相逆变器。

最后，作者进行了试验，在给定负载情况下，测试出负载曲线，通过对曲线进行比较分析，表明引入的模糊逻辑MPPT控制器（图3），不论负载如何变化，都可使PEMFC系统在最高效状态附近工作。

图3　MPPT算法模糊逻辑图

6　PEMFC功率控制系统设计[6]

由于燃料电池具有高能量密度、低排放和温和的操作条件，因此在汽车作为直流能源，得到广泛的应用。可以将聚合物交换膜燃料电池（PEMFC）和其他电能存储模式进行组合，如电池和超级电容器，作为混合动力系统。燃料电池-电池混合动力系统的系统设计、功率管理、道路测试和效率等方法，已有很多研究。

燃料电池-电池混合动力系统，在汽车上已有很多实际应用，如Buddy El-Jet混合动力汽车、Microcab H2EV混合动力汽车及挪威Buddy El-Jet混合动力汽车等，都已经过实际生产和试验测试。这些汽车系统通常由：质子交换膜燃料电池系统、电池组、动力总成系统及其他系统组成。但是，已有技术仍存在很多问题，需要进行改进。对于电动汽车，面临的主要问题是：如何高效地管理燃料电池、电池、超级电容以及电机驱动和电气系统等组成的系统，提高其效率。

尽管燃料电池并不会以最大峰值功率连续运行，但在某些特殊情况下，需要燃料电池的最大功率，而不是最大的燃料效率。例如，在启动和加速时需要高功率，可以使用最大峰值功率跟踪（MPPT）控制方法，保证在需要时，电池可工作在最大功率。文中基于MPPT算法设计了PEMFC能量管理控制系统（图4）。

图4　MPPT增强电路

采用MPPT方法设计的控制单元具有体积小、功耗低的优点。试验表明，使用此控制单元，在满足汽车功率需求的同时，可以提高PEMFC系统的效率。

7　可提高燃料电池系统的使用寿命的控制系统设计[7]

燃料电池提供了传统电力系统的潜在替代方案，并已有许多应用。例如，燃料电池越来越多地被用作供电系统的备用系统，用于新能源汽车上。通常不会单独使用燃料电池，会使用其于电池等组合成混合发电系统，需要考虑燃料电池技术的电力供应系统，建立最优控制策略模型，使其使用寿命最大化。

有些情况下，还会使用多堆燃料电池，组成一个系统，进行供电，为了延长燃料电池系统在诊断和健康管理（PHM）框架中的使用寿命，需要对多堆燃料电池系统进行管理。

对于多堆燃料电池系统，需要根据负载合理地选择燃料电池堆进行工作，确定需要的输出大功率。其使用寿命不仅取决于每个堆的使用寿命，而且还取决于运行条件设置。由于可变运行条件对燃料电池寿命的影响尚不清楚，因此可以简单表示为燃料电池在磨损情况下的行为，以估计随时间推移燃料电池可用输出及其剩余寿命（RUL）。

作者提出了多堆燃料电池健康状态预测模型，符合质子交换膜燃料电池（PEMFC）的特殊特性。所提出的电池调度过程，是基于混合整数线性规划（MILP），可充分考虑负载的需求，使多堆燃料电池系统寿命最大化。

8　燃料电池系统技术面临的挑战与解决方案[8]

燃料电池是一种低碳技术，因为它具有高效率、低噪音和清洁的特点，具有较大发展潜力。如果能证明，其可长时间连续提供可靠的电力，将来燃料电池可能是主要的电能来源。燃料电池的高质量动力和效率，使其可应用于许多场合，如备用动力、交通运输和潜艇引擎等。

燃料电池发展仍面临一些技术挑战和障碍，包括水、热、材料、催化剂等问题，原因在于原子层面和堆层系统层面的多种化学和物理相互作用。这些问题影响着燃料电池的性能，包括：可靠性和耐久性。

美国能源部（DOE）已经制定了移动燃料电池（5000小时，相当于150,000英里行驶里程）和稳定时间（40,000小时）的耐久性目标。但是，全球燃料电池商业化尚未起步。市场上只有少数具有较高可靠性的燃料电池系统。

作者还分析了燃料电池研发的流程，并将燃料电池发展面临的障碍划分为四个不同的阶段：组件、单体电池、堆叠和系统控制。其中，文中特别提出，需要开发燃料电池控制系统，以提高其系统的可靠性和耐久性，并指明了可以进一步进行研究的方向。

9　烃类重整制氢对氢燃料电池的影响[9]

燃料电池是电能化学能转换装置，可用于将化学燃料中存储的化学能直接转化为电能。与传统的能量转换技术相比，其具有效率高、排放低、系统紧凑和环境效益等优势。固体氧化物燃料电池（SOFC）由于具有燃料灵活性，对燃料中杂质的高度耐受性，以及不需要昂贵的贵金属催化剂等优点，而广泛使用。

通常在SOFC中，使用氢作为燃料。当使用柴油、天然气和甲醇等燃料时，需要使用燃料处理器将碳氢化合物重整为富氢气体，以便燃料电池进行电化学转化。这促进了相关科研人员，对将碳氢化合物转化为氢的相关研究。

研究的重点是对燃料重整催化剂进行研究，选择合理地催化剂，有利于提高燃料电池燃料的多样性，降低燃料处理器的尺寸、成本等。作者指出，随着高效燃料转化催化剂的研究，氢燃料电池将有可能使用多元化的燃料，这将极大地改变氢燃料电池的控制系统和供给系统结构。

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