燃料電池控制系統設計綜述

燃料電池的控制系統設計非常重要，控制系統設計合理，可以提高電池系統的可靠性和耐久性。本文對可以提高燃料電池系統性能的控制系統設計方案，進行了綜述介紹。

文獻[1]介紹了采用滑模和超扭轉算法控制的PEMFC，可以解決直流/直流轉換器工作抖動問題；文獻[2]介紹了使用人工神經網絡進行PEMFC熱電聯產系統控制的方法，指出此系統應用于電動汽車上的潛力；文獻[3]介紹了可解決燃料電池膜針孔問題的，超壓最優控制方法，可提高電池壽命；文獻[4]介紹了基于編碼遺傳算法的PEMFC動態電壓恢復器控制系統的設計；文獻[5]和文獻[6]對PEMFC的能源管理策略進行研究，采用相應控制算法，可保證電池系統可靠提供電力的同時，具有最高的效率；文獻[7]對可提高燃料電池系統的使用壽命的控制系統設計進行了介紹；文獻[8]介紹了燃料電池系統技術面臨的障礙，指出了控制系統設計的必要性；文獻[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，轉化為富氫氣體，采用這種思路設計的燃料電池系統，有很大潛力。

1　采用滑模和超扭轉算法控制的PEMFC[1]

當前環境污染、能源短缺等問題，日益引起大家的注意。質子交換膜燃料電池（PEMFC）是一種非常有前途的發電系統，它可以提供清潔的電能，且系統穩定性和效率高。PEMFC便于應用在大多數移動和固定場合，非常適合應用于汽車。

PEMFC需要配備設計合理的功率調節轉換器，從而可以提高其工作的穩定性和高效性。最常見的轉換器之一是直流/直流轉換器。該轉換器可以按設計的形式轉換來自燃料電池的電力，據統計有超過500種轉換器拓撲結構。最簡單的是降壓轉換器，可以降低輸入到輸出的電壓，升壓轉換器可以提高輸出電壓，其他類型則是升降壓和Cuk轉換器。

以往在質子交換膜燃料電池（PEMFC）系統，采用滑模控制器，用于直流/直流轉換器，可以改善和優化電池系統效率，但存在顫振這一缺點。文中建立PEMFC數學模型，并在模型基礎上，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，進行電池模型及控制系統建模（圖1）。最后作者利用Lyapunov方法對該控制系統進行了閉環系統的穩定性分析。結果的比較表明，與經典的滑模控制相比，所提出的方法具有相當大的優勢。下一步作者希望對采用這種控制方案的實際PEMFC系統，進行進一步試驗測試。

圖1　FEM燃料電池輸出功率控制圖

2　基于人工神經網絡的PEMFC熱電聯產系統建模及控制系統設計 [2]

對聚合物電解質膜燃料電池（PEMFC）系統進行建模后，可以進行運行策略研究，且可以評估與其他系統集成或控制算法的性能，從而可以達到系統能量效率的最大化利用。當前，已有幾種PEMFC模型，精度較高，能夠模擬電池系統的動態特性及行為。然而，很少有關于PEMFC模型被整合到熱電聯產系統中的研究。

將PEMFC系統整合到熱電聯產系統中，可以更大程度上提高能源的利用率，隨著技術的進步，該整合系統可以進一步小型化，應用在汽車上。在整合系統中，PEMFC工作產生的熱量，可用來產生水蒸氣，進一步進行發電，或者通過抽汽或排汽，進行供熱或制冷，取代電動汽車空調，可提高能源利用率。

在整合系統中，除了考慮到PEMFC的固有特性外，還必須考慮到整合系統的特性。文中使用人工神經網絡（ANN），建立了基于PEMFC的熱電聯產系統的經驗模型，能夠以簡單和準確的方式對整合系統進行研究，而無需了解系統的內在特征，建立復雜的分析模型。

該模型基于具有并行NARX架構（圖2）的人工神經網絡，用基于PEMFC的600瓦電力的熱電聯產系統進行試驗測試獲得的數據，進行神經網絡訓練。訓練之后，用試驗數據對該神經網絡模型進行了測試和驗證。研究表明，該模型能夠準確模擬整合系統的熱響應和氫氣消耗，可以基于此模型設計控制系統，使其效率經濟最大化。

圖2　雙層反饋NARX網絡構架

3　解決膜針孔的聚合物電解質膜燃料電池燃料超壓的最優控制[3]

在尋找可應用于汽車的替代能源時，燃料電池引起了國際上廣泛的關注。與內燃機相比，燃料電池效率更高、污染更少。如今，燃料電池廣泛應用于固定式備用電源、分布式發電、便攜式電子設備以及交通運輸行業等領域。特別是在2010年加拿大溫哥華冬季奧運會期間，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中，聚合物電解質膜燃料電池可在低溫下工作，結構緊湊，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用。提高燃料電池系統的效率和可靠性以及耐久性，是該領域的研究重點。在使用過程中，燃料電池膜容易發生退化，例如形成膜針孔。這些針孔導致反應物通過膜轉移，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，會提高電池生產成本和降低使用壽命。文中針對此問題進行解決，采用模型預測控制方法，控制燃料電池組入口側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。用氣動建模技術對燃料電池陽極側進行建模，將氫轉移泄漏嵌入到模型中，進行控制器設計。

作者根據不同尺寸氫氣傳輸泄漏的試驗結果，對設計的燃料超壓控制系統進行測試，表明該系統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，該模型預測控制器在滿足問題約束的同時，提供了最優的控制輸入。

4　基于編碼遺傳算法的PEMFC動態電壓恢復器控制系統設計[4]

電力質量問題會直接或間接影響客戶，在設備突然關閉或損壞過程中，生產損失、數據丟失、材料浪費等方面會造成經濟損失。即使很小的電壓驟降，也可能會導致設備中斷工作數小時。根據國際銅業協會（ICA）的報告，電壓每驟降一伏特，在工業生產上的成本為345,497美元，服務行業中成本為202,945美元。動態電壓恢復器（DVR）是配電系統中的有效電壓補償裝置，可以解決這一問題。

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

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

結果表明使用此控制器的DVR系統，除了可以補償負載電壓中的諧波之外，還能夠補償負載側的平衡和不平衡電壓驟降/膨脹，相比其他控制器，可提供更好的補償。

5　PEMFC電源監控系統控制算法設計[5]

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

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

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

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

圖3　MPPT算法模糊邏輯圖

6　PEMFC功率控制系統設計[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，得到廣泛的應用。可以將聚合物交換膜燃料電池（PEMFC）和其他電能存儲模式進行組合，如電池和超級電容器，作為混合動力系統。燃料電池-電池混合動力系統的系統設計、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，在汽車上已有很多實際應用，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，都已經過實際生產和試驗測試。這些汽車系統通常由：質子交換膜燃料電池系統、電池組、動力總成系統及其他系統組成。但是，已有技術仍存在很多問題，需要進行改進。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、超級電容以及電機驅動和電氣系統等組成的系統，提高其效率。

盡管燃料電池并不會以最大峰值功率連續運行，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算法設計了PEMFC能量管理控制系統（圖4）。

圖4　MPPT增強電路

采用MPPT方法設計的控制單元具有體積小、功耗低的優點。試驗表明，使用此控制單元，在滿足汽車功率需求的同時，可以提高PEMFC系統的效率。

7　可提高燃料電池系統的使用壽命的控制系統設計[7]

燃料電池提供了傳統電力系統的潛在替代方案，并已有許多應用。例如，燃料電池越來越多地被用作供電系統的備用系統，用于新能源汽車上。通常不會單獨使用燃料電池，會使用其于電池等組合成混合發電系統，需要考慮燃料電池技術的電力供應系統，建立最優控制策略模型，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，進行供電，為了延長燃料電池系統在診斷和健康管理（PHM）框架中的使用壽命，需要對多堆燃料電池系統進行管理。

對于多堆燃料電池系統，需要根據負載合理地選擇燃料電池堆進行工作，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，而且還取決于運行條件設置。由于可變運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預測模型，符合質子交換膜燃料電池（PEMFC）的特殊特性。所提出的電池調度過程，是基于混合整數線性規劃（MILP），可充分考慮負載的需求，使多堆燃料電池系統壽命最大化。

8　燃料電池系統技術面臨的挑戰與解決方案[8]

燃料電池是一種低碳技術，因為它具有高效率、低噪音和清潔的特點，具有較大發展潛力。如果能證明，其可長時間連續提供可靠的電力，將來燃料電池可能是主要的電能來源。燃料電池的高質量動力和效率，使其可應用于許多場合，如備用動力、交通運輸和潛艇引擎等。

燃料電池發展仍面臨一些技術挑戰和障礙，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層面的多種化學和物理相互作用。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）已經制定了移動燃料電池（5000小時，相當于150,000英里行駛里程）和穩定時間（40,000小時）的耐久性目標。但是，全球燃料電池商業化尚未起步。市場上只有少數具有較高可靠性的燃料電池系統。

作者還分析了燃料電池研發的流程，并將燃料電池發展面臨的障礙劃分為四個不同的階段：組件、單體電池、堆疊和系統控制。其中，文中特別提出，需要開發燃料電池控制系統，以提高其系統的可靠性和耐久性，并指明了可以進一步進行研究的方向。

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能轉換裝置，可用于將化學燃料中存儲的化學能直接轉化為電能。與傳統的能量轉換技術相比，其具有效率高、排放低、系統緊湊和環境效益等優勢。固體氧化物燃料電池（SOFC）由于具有燃料靈活性，對燃料中雜質的高度耐受性，以及不需要昂貴的貴金屬催化劑等優點，而廣泛使用。

通常在SOFC中，使用氫作為燃料。當使用柴油、天然氣和甲醇等燃料時，需要使用燃料處理器將碳氫化合物重整為富氫氣體，以便燃料電池進行電化學轉化。這促進了相關科研人員，對將碳氫化合物轉化為氫的相關研究。

研究的重點是對燃料重整催化劑進行研究，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和供給系統結構。

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