大功率空冷自增濕PEMFC 溫度控制方法

游志宇， 陳維榮， 彭 赟， 李 奇

(西南交通大學電氣工程學院，四川 成都610031)

質子交換膜燃料電池(proton exchange membrane fuel cell，PEMFC)具有運行溫度低、功率密度高、啟動快、穩定性好、零污染等特點，受到各國的高度重視及應用研究［1-3］. 根據冷卻方式的不同，PEMFC 可分為空氣冷卻和循環水冷卻兩種類型.空冷自增濕PEMFC 屬于空氣冷卻型，其結構簡單、自身功耗低、性能優越，但其輸出性能受到電堆工作溫度、空氣流量、尾氣排氣間隔等參數的影響［4-9］.對于空冷自增濕PEMFC 而言，電堆工作溫度、空氣流量、尾氣排氣是相互影響、相互耦合的，調節陰極空氣流量將影響電堆工作溫度及陽極含水量，調節陽極間歇排氣將影響電堆陽極含水量及化學反應性能，從而影響電堆溫度.因此，空冷自增濕燃料電池的水管理［10］和熱管理是相互耦合的.控制燃料電池在某一工作電流下的最優工作溫度，維持電堆的水平衡和熱平衡是提高電堆輸出性能的關鍵.文獻［6］通過實驗測試表明電堆輸出電壓先隨溫度升高而逐漸上升，當電堆溫度達到一定值后，輸出電壓隨溫度升高而急劇下降.文獻［11-13］通過實驗揭示了電堆存在最優工作溫度特性，當電堆工作在最優溫度特性范圍內時，其輸出性能最佳.

文獻［11-13］中分別采用模糊PID 融合控制、模糊增量PID 控制、增量PID 控制實現了PEMFC最優溫度控制，使PEMFC 輸出性能達到最佳. 上述基于PID 的溫度控制方法實現了小功率等級空冷自增濕PEMFC 的最優溫度控制，但有關大功率空冷自增濕PEMFC 的最優溫度控制還未見相關研究的文獻.本文利用搭建的測試平臺分別采用模糊控制(fuzzy)、PID 控制、模糊-PID 切換控制(fuzzy-PID)、自適應模糊PID 控制(fuzzyPID)對2 kW 空冷自增濕PEMFC 進行實驗測試，并對實驗結果進行對比分析.

1 空冷自增濕PEMFC 測試平臺

為了研究空冷自增濕PEMFC 的溫度控制響應特性，搭建了如圖1 所示的PEMFC 測試平臺.PEMFC 電堆采用Ballard 公司的1020ACS 系列空冷自增濕PEMFC 電堆，由56 片單電池組成，額定功率為2 kW，輸出電流范圍為0 ～75 A，最高工作溫度為75 ℃，H2工作壓力范圍為16 ～56 kPa，實驗時采用H2壓力為36 kPa，輸出電壓范圍為28 ～56 V.電子負載采用IT8816B，功率為2.5 kW.數據采集控制模塊采用USB-1902 DAQ，測試控制平臺采用自行設計的LabVIEW 測試控制程序.

圖1 PEMFC 測試平臺結構Fig.1 Layout of PEMFC test platform

PEMFC 電堆溫度和輸出電流由相應傳感器采樣并轉換成電壓信號接入USB-1902 DAQ 進行采集. N2用于在電堆啟動、停止時吹掃堆內殘存的空氣或剩余H2，尾氣排氣閥用于排出產生的水汽和不純反應氣體.電堆風扇為電堆提供反應所需的O2，同時排出電堆產生的多余熱量［13］. LabVIEW測試控制程序實時采集并顯示電堆的溫度、輸出電流、輸出電壓等參數，同時根據測試流程輸出各電磁閥、風扇、電子負載的控制信號，控制電堆安全穩定運行.

2 空冷自增濕PEMFC 最優溫度

空冷自增濕PEMFC 輸出性能受電堆工作溫度、空氣流量、尾氣排氣間隔等參數的影響，在不同條件下其輸出性能不一致，其中電堆工作溫度是影響輸出性能的關鍵因素.

在環境溫度、輸出電流一定的條件下，空冷自增濕PEMFC 存在一個最優工作溫度［11-13］，在此工作溫度下，質子交換膜水合狀態達到最佳，催化劑的活性充分活化，燃料電池輸出電壓和功率最大，性能最佳.為研究電堆最優溫度控制方法對電堆輸出性能的影響，需先獲得實驗PEMFC 電堆最優工作溫度與輸出電流的關系. 本文參照文獻［11-13］的測試方法對實驗電堆進行實驗，測出電堆在該環境溫度、恒定工作電流下的最優工作溫度. 根據實驗數據可知，在各測試電流下存在一個工作溫度點，使電堆輸出電壓最高，功率最大.

各測試電流下峰值電壓對應的工作溫度數據如表1 所示. 對表1 中的數據進行最小二乘法擬合，得到負載電流Iout與工作溫度θopt的關系為

表1 輸出電流下最優工作溫度Tab.1 Optimal operating temperature of output current

3 PEMFC 最優工作溫度控制

由于空冷自增濕PEMFC 電堆的溫度控制具有滯后、時變和強耦合等特點，采用傳統的精確模型難以達到控制精度，因此采用如圖2 所示的控制原理進行控制.

根據電堆輸出電流Iout，按照實驗擬合的最優溫度(式(1))得到當前環境溫度、輸出電流下的參考θopt，再與電堆溫度θstack比較得到誤差信號e，根據e 實時調整電堆風扇控制電壓，改變風扇轉速，從而實現電堆溫度的控制.

圖2 PEMFC 控制結構圖Fig.2 Structure of PEMFC control system

3.1 實驗測試方法

在搭建的試驗測試平臺上對電堆的溫度控制進行實驗.

首先進行加載實驗:分別在輸出電流為15 ～75 A 范圍內進行測試，每步增加10 A，在每個電流點穩定運行一段時間后進行加載. 當加載到75 A后，進行減載實驗:每步降低10 A，在每個電流點需穩定運行一段時間后進行減載，直到減載到20 A 為止.在相同條件下，以相同的步驟和方法分別對模糊控制、PID 控制、模糊-PID 切換控制、自適應模糊PID 控制進行實驗測試，實驗結果中:θm為電堆溫度曲線，θs為當前輸出電流下根據式(1)得到的最優溫度曲線.

3.2 模糊溫度控制

模糊控制是建立在模糊集合上的一種基于模糊語言規則與模糊推理的控制方法，其特點是控制響應快，對不確定性因素的適應性強，無需依賴控制對象的精確數學模型. 空冷自增濕PEMFC 難以建立精確的數學模型，故可采用模糊規則及模糊推理方法，實現電堆的溫度控制［14］.

本文以e、ec(偏差變化率)為輸入變量，控制增量Δu 為輸出變量，建立二維模糊控制器. 變量e、ec、Δu 的基本論域分別選擇［- 0. 3，0.3］、［-0.02，0.02］、［- 3. 6，3. 6］，模 糊 論 域 選 擇［-6，6］，量化因子、比例因子分別為

在模糊論域上選擇模糊語言子集為{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，隸屬度函數選擇對稱三角隸屬度函數，解模糊化采用重心法，建立的模糊規則如表2 所示.

表2 Δu 的模糊規則Tab.2 Fuzzy rules of Δu

實驗測試結果如圖3 所示.

從圖3 可知，模糊控制的穩態誤差在-0.45 ～0.10 ℃內，達到了溫度控制目標，表明模糊邏輯控制規則制定合理，量化因子、比例因子、基本論域選擇正確.

從圖3 中電堆電壓曲線可知，在穩態大電流輸出時電壓振蕩頻繁，波動很大，原因是當溫度誤差出現負偏差且超出基本論域的負向最大值時，模糊控制器立即使控制量輸出為負向最大，從而導致風扇直接降為最低轉速，使進入電堆的空氣量偏小，過氧比降低，加劇濃差極化，進而引起電堆電壓降低.實驗結果表明，模糊控制雖然實現了電堆堆溫控制，但造成了電堆性能的較大波動，對電堆穩定運行和使用壽命產生不利影響.

圖3 模糊溫度控制性能曲線Fig.3 Performance curve of fuzzy temperature control

3.3 增量式PID 溫度控制

在搭建的試驗測試平臺上采用增量式PID 控制算法［15］，測試PID 溫度控制對電堆性能的響應及性能影響.本文采用離散增量PID 控制算法，其公式如式(3). 實驗時，控制器參數Kp、Ki、Kd(比例、積分、微分)分別取5.56、0.17、0.12，測試結果如圖4 所示.

圖4 PID 溫度控制性能曲線Fig.4 Performance curve of PID temperature control

從圖4 可知，PID 控制穩態誤差在-0.30 ～0.10 ℃范圍內，具有較高的控制精度.從圖中電壓輸出曲線可知，在電堆溫度達到穩態時，燃料電池輸出電壓波動較小，原因是達到穩態后，PID 控制器輸出控制量接近一恒定值，風扇轉速穩定，電堆達到熱量平衡，空氣過氧比處于合理水平，所以輸出電壓較為穩定，對電堆穩定運行和延長使用壽命有利.

3.4 模糊-PID 切換溫度控制

模糊控制的特點是控制響應快，對不確定性因素適應性強，PID 控制具有積分項，能消除靜態誤差，提高控制精度. 本文結合模糊控制與PID 控制的優點，在誤差較大時，采用模糊控制，加快風扇響應速度，提高動態響應時間，在誤差較小時采用PID 控制，提高穩態控制精度.公式如式(4).

式中:Δuf為模糊控制器輸出控制增量;Δup為PID 控制器輸出控制增量;β 為切換閾值.

實驗時模糊控制規則及參數、PID 控制參數采用3.2、3.3 節的參數，測試結果如圖5 所示.

圖5 Fuzzy-PID 溫度控制性能曲線Fig.5 Performance curve of fuzzy-PID temperature control

從圖5 可知，模糊-PID 切換控制穩態誤差在-0.35 ～0.10 ℃內，較好的達到了電堆溫控制目標.但由于模糊控制和PID 控制切換的誤差閾值設置為恒定值0.50 ℃，所以，控制溫度在未到達穩態之前，模糊控制和PID 控制切換頻繁，造成電堆輸出電壓波動比增量PID 控制大，體現出模糊控制和PID 控制的特點.

3.5 自適應模糊PID 溫度控制

恒定參數的PID 控制一般針對有固定特性參數的控制對象，當燃料電池輸出電流大范圍變化時，其特性參數會發生變化，定參數的PID 控制無法達到理想效果.

根據燃料電池的變化特性，本文利用模糊算法自適應調整PID 控制器的參數，以實現對電堆溫度的自適應控制.

以e、ec為輸入變量，PID 的3 個參數變化量ΔKp、ΔKi、ΔKd為輸出變量，建立二維模糊控制器.變量e、ec及ΔKp、ΔKi、ΔKd的基本論域分別選擇［-1.2，1. 2］、［- 0. 06，0.06］、［- 3. 3，3. 3］、［-0.08，0.08］、［-0.08，0.08］，模糊論域選擇［-6，6］，量化因子、比例因子分別取:

在模糊論域上選擇模糊語言子集為{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，e、ec和ΔKp、ΔKi、ΔKd的隸屬度函數選擇非對稱三角隸屬度函數，解模糊化采用重心法，ΔKp、ΔKi、ΔKd的模糊規則參照表2 的方式建立模糊自適應PID 參數規則表.

實驗結果如圖6 所示.從圖6 可知，自適應模糊PID 控制穩態誤差在-0.52 ～0.10 ℃內，控制精度在合理的范圍內. 在燃料電池大電流輸出時，電壓波動較為明顯. 這是由于大電流階段，電堆發熱量大，控制器隨溫度誤差的變化實時調整PID 控制器參數，使得風扇頻繁動作，造成空氣過氧比和電堆溫度的波動，進而影響燃料電池的輸出電壓.

圖6 FuzzyPID 溫度控制性能曲線Fig.6 Performance curve of fuzzyPID temperature control

4 控制性能分析

為進一步分析控制方法的響應性能，對4 種控制方法在相同環境溫度、輸出電流下進行相同測試.電子負載設置為恒流模式，電堆依次在25、35、45、55 A，穩定運行10 min 后，依次從25、35、45、55 A 切換到35、45、55、65 A;然后在60 A 時讓電堆穩定運行10 min 后，依次從60、50、40、30 A 切換到50、40、30、20 A，采集整個過程的電堆溫度、輸出電流、電壓、風扇控制電壓等數據.

4.1 電堆溫度控制性能分析

電堆輸出電流從25 A 切換到35 A，從40 A 切換到30 A 時的響應曲線如圖7 所示. 各測試切換點響應性能及穩態時的誤差數據如表3 所示.

從圖7 及表3 可以看出:

(1)模糊控制、PID 控制、模糊-PID 切換控制在電流增大階段，超調量都較小，是因為升溫階段風扇一直維持在最低轉速，當電堆溫度接近設置的最優溫度時，控制器立即響應，增加風扇轉速，使堆溫緩慢上升，降低了超調量;

(2)在電流減小階段出現較大的超調量，原因是在大電流輸出時電堆工作溫度較高，在降低輸出電流時，電堆溫度超過當前電堆最優工作溫度，控制器使電堆風扇以最大轉速旋轉，加快降低電堆溫度;

(3)在電堆溫度接近目標溫度時，雖然風扇轉速緩慢下降了，但由于電堆溫度響應的滯后性和風扇的轉動慣性，導致風扇過吹，電堆溫度繼續下降，造成較大的超調量.

自適應模糊PID 控制在輸出電流整個調整期間，超調量都非常小，是由于自適應模糊PID 控制隨電堆溫度誤差的變化不斷調整PID 的參數，使控制器快速響應，降低了超調量. 與PID 控制的超調量相比，自適應模糊PID 控制在電流減小階段的超調量最低降低了75%，最高降低了88%.

圖7 不同控制方法的響應曲線Fig.7 Response curves of different control methods

從調節時間看自適應模糊PID 控制調節時間最短，PID 控制調節時間最長，模糊-PID 切換控制、模糊控制調節時間處于自適應模糊PID 與PID之間.與PID 控制調節時間相比，自適應模糊PID控制調節時間最低提高了20%，最高提高了55%.

從穩態誤差看，模糊控制穩態誤差在-0.45 ～0.10 ℃內，PID 控制穩態誤差在-0.30 ～0.10 ℃內，模糊-PID 切換控制穩態誤差在- 0. 35 ～0.10 ℃內，自適應模糊PID 控制穩態誤差在-0.52 ～0.10 ℃內，均達到電堆溫度控制目標.

表3 切換時控制響應數據Tab.3 Control response data when switching

4.2 電堆風扇控制性能分析

從溫度控制測試可知，4 種控制方法均實現了電堆最優溫度控制，且其控制精度都滿足電堆溫度控制要求，但對電堆的穩定運行、輸出性能影響不一樣.以電堆輸出電流從35 A 切換到45 A 的為例說明4 種控制方法對風扇控制的影響如圖8所示.

由圖8(a)可知，穩態時，PID 控制輸出電壓比較平穩;模糊控制輸出電壓波動最大，模糊PID、自適應模糊PID 控制介于二者之間.

由圖8(b)可知，穩態時，PID 控制的風扇控制電壓變化比較平穩;模糊-PID 切換控制、自適應模糊PID 控制電壓變化稍大，模糊控制電壓變化最為劇烈，調整最頻繁，將影響電堆風扇的控制效果及使用壽命.

圖8 電堆輸出電壓與風扇輸出控制電壓Fig.8 Output voltage and fan control voltage of stack

5 結 論

本文通過構建的試驗測試平臺，采用實驗及數據擬合方法得出了測試電堆的最優工作溫度經驗公式.在此基礎上對模糊控制、PID 控制、模糊-PID切換控制、自適應模糊PID 控制方法進行了實驗測試，測試結果表明不同控制方法在負載變化時的響應性能、穩態誤差精度、電堆輸出性能等方面存在差異，PID 控制電堆輸出性能最為平穩，但調節時間長，超調量大;模糊控制對電堆輸出性能影響較大，在大電流輸出時會造成明顯的濃差極化;模糊-PID 切換控制的控制性能介于PID 控制、模糊控制之間;自適應模糊PID 控制超調量小，調節時間短，在大電流時的穩定性滿足控制誤差要求. 通過對4 種控制方法控制性能對比分析，綜合考慮調節時間、超調量、控制誤差、電堆輸出性能等因素，認為自適應模糊PID 溫度控制有利于提高大功率空冷自增濕PEMFC 輸出性能，延長電堆使用壽命.

［1］ PEIGHAMBARDOUST S J， ROWSHANZAMIR S，AMJADI M. Review of the proton exchange membranes for fuel cell applications［J］. Journal of Hydrogen Energy，2010，35(17):9349-9384.

［2］ HAN H S，KIM Y H，KIM S Y，et al. Development of proton exchange membrane fuel cell system for portable refrigerator［C］∥Proc. of the 2011 Fuel Cell Seminar and Exposition. Orlando:ECS Transactions，2011，42(1):149-153.

［3］ HOSSEINZADEH E，ROKNI M. Development and validation of a simple analytical model of the proton exchange membrane fuel cell(PEMFC)in a fork-lift truck power system［J］. Journal of Green Energy，2013，10(5):523-543.

［4］ ZHAN Yuedong，ZHU Jianguo，GUO Youguang，et al.Performance analysis and improvement of a proton exchange membrane fuel cell using comprehensive intelligent control［C］∥Proc. of the 11th International Conference on Electrical Machines and Systems.Wuhan:ICEMS，2008:2378-2383.

［5］ 楊濤，史鵬飛. 新型自增濕燃料電池組性能研究［J］. 電源技術，2008，32(2):80-83.YANG Tao，SHI Pengfei. Study on performance of novel self-humidified fuel cell［J］. Chinese Journal of Power Sources，2008，32(2):80-83.

［6］ 周靖，張曉維，談金祝，等. 操作參數對PEMFC 性能的影響［J］. 南京工業大學學報:自然科學版，2013，35(4):78-81.ZHOU Jing，ZHANG Xiaowei，TAN Jinzhu，et al.Effects of operating parameters on performance of PEMFC［J］. Journal of Nanjing University of Technology:Natural Science Edition，2013，35(4):78-81.

［7］ COPPO M，SIEGEL N P，SPAKOVSKY M R. On the influence of temperature on PEM fuel cell operation［J］.Journal Power Sources，2006，159(1):560-569.

［8］ SANTA R D T，PINTO D G，SILVA V S，et al. High performance PEMFC stack with open-cathode at ambient pressure and temperature conditions［J］. Journal of Hydrogen Energy，2007，32(17):4350-4357.

［9］ HASIKOS J，SARIMVEIS H，ZERVAS P L，et al.Operational optimization and real-time control of fuelcell systems［J］. J. Power Sources，2009，193(1):258-268.

［10］ HADDAD A，BOUYEKHF R，MOUDNI A. Dynamic modeling and water management in proton exchange membrane fuel cell［J］. Journal of Hydrogen Energy，2008，32(21):6239-6252.

［11］ 衛東，鄭東，褚磊民. 空冷型質子交換膜燃料電池堆最優性能輸出控制［J］. 化工學報，2010，61(5):1293-1300.WEI Dong，ZHENG Dong，CHU Leimin. Output control of optimal performance for air-cooling PEMFC stack［J］. Journal of Chemical Industry and Engineering，2010，61(5):1293-1300.

［12］ 王斌銳，金英連，褚磊民，等. 空冷燃料電池最佳溫度及模糊增量PID 控制［J］. 中國電機工程學報，2009，29(8):109-114.WANG Binrui，JIN Yinglian，CHU Leimin，et al.Temperature optimization and fuzzy incremental PID control for air-breathing proton exchange membrane fuel cell stack［J］. Proceedings of the CSEE，2009(8):109-114.

［13］ LI Q， CHEN W， LIU S， et al. Temperature optimization and control of optimal performance for a 300 W open cathode proton exchange membrane fuel cell［J］. Procedia Engineering，2012，29(1):179-183.

［14］ 李奇，陳維榮，賈俊波，等. 質子交換膜燃料電池動態特性建模及其控制［J］. 西南交通大學學報，2009，44(4):604-608.LI Qi，CHEN Weirong，JIA Junbo，et al. Dynamic character isticmodeling and control of proton exchange membrane fuel cell［J］. Journal of Southwest Jiaotong University，2009，44(4):604-608.

［15］ XIA Wen，QI Zhidong. Dynamic modeling and fuzzy PID control study on proton exchange membrane fuel cell［C］∥2010 2nd Conference on Environmental Science and Information Application Technology.Wuhan:ESIAT，2010，3:116-119.