質子交換膜燃料電池氫氣循環泵控制方法綜述

摘 要：近年來，氫氧燃料電池以其功率密度高、燃料加注快捷、續航能力易拓展的優勢，在商用車領域取得越來越廣泛的應用。氫氣循環泵是氫氧燃料電池系統中的關鍵部件，為燃料電池陽極提供氣體循環，提升系統效率與單體一致性。本文對氫氣循環泵的控制方法進行綜述，包括基速以下控制、基速以上弱磁控制和PWM電壓調制方法，為氫氣循環泵控制方案的選擇提供理論指導。

關鍵詞：質子交換膜燃料電池 氫氣循環泵控制 永磁同步電機控制

Abstract：In recent years， proton exchange membrane fuel cells have been used more and more widely in the field of commercial vehicles due to their advantages of high power density， fast fuel injection， and easy to expand the endurance. The hydrogen circulating pump is a key component in the fuel cell system， which provides gas circulation for the anode of fuel cell and improves the system efficiency and consistency of cells. This paper summarizes the control methods of the hydrogen circulating pump， including the control below the base speed， the field weakening control above the base speed and PWM voltage modulation methods， which provide theoretical guidance for the selection of the control scheme of the hydrogen circulating pump.

Key words：PEMFC， hydrogen circulating pump control， PMSM

1 概述

燃料電池是一種直接將存儲在H2的化學能經與O2反應，轉化為電能、熱能和水的電化學裝置。它不受卡諾循環限制，轉化效率高，可以長時間運行。其中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、響應快、啟動快、穩定性好以及當使用純氫氣時不會造成環境污染等特點，是未來理想的動力裝置

循環泵是質子交換膜燃料電池系統的重要部件，其可以為燃料電池陽極系統提供穩定氫氣循環，增加陽極子系統的一致性，提升燃料電池系統氫氣利用率[1]。對其的穩定控制對燃料電池系統的可靠運行十分重要。目前氫氣循環泵絕大多數使用永磁同步電機作為驅動電機，所以針對永磁同步電機氫氣循環泵，本文將從基速以下控制、基速以上弱磁控制和電壓調制方法三個方面對氫氣循環泵控制進行探討。

2 氫氣循環泵基速以下控制

基速以下的主流控制方式為最大轉速電流比控制（Maximum Torque Per Ampere，MPTA），控制方式為計算可以達到當前扭矩下的最佳id與iq，使得相電流最小，從而節約逆變器容量，提升控制器的體積功率密度與質量功率密度[2-4]。即MPTA控制轉化為極值問題，目標函數如式（1）所示

綜上，系統轉速閉環輸出轉矩指令，通過MPTA計算，得到d軸與q軸的電流指令。

3 氫氣循環泵基速以上弱磁控制

隨著電機轉速的升高，電機的反電動勢正比增加，當反電動勢大于逆變器可以提供的最大電壓時，驅動電流無法繼續提升。此時如果繼續提升轉速，需要進行弱磁控制，即對定子施加一定電流分量，此電流分量產生與轉子磁通相反的磁通，從而減小電機反電動勢，提升電機轉速。弱磁控制下，弱磁電流不產生實際扭矩，但占用逆變器容量，會導致電機最大扭矩下降，控制系統效率降低。實際應用場景下，燃料電池所用氫氣循環泵功率等級一般不超過2kw，弱磁控制對效率降低的效果有限，但可以達到提升轉速，提升燃料電池陽極循環的效果。

循環泵電機運行過程中會受到逆變器最大輸出電流Imax與最大輸出電壓Vmax限制，構成電流極限圓和電壓極限圓方程如式（5）和式（6）所示

綜上，如圖1所示當電壓極限橢圓的中心位于電流極限圓外側時，弱磁升速是的升速范圍是有限的，稱為有限速度系統。進入深度弱磁區域后，常用軌跡是沿最大轉矩電壓比曲線運行（Maximum Torque per Voltage，MPTV）[5]。

如圖2所示，燃料電池氫氣循環泵的弱磁控制包括前饋弱磁控制和反饋弱磁控制。前饋控制的輸入為當前的電驅動狀態，如轉速，直流母線電壓等，直接判斷是否進入弱磁狀態和當前的電流軌跡目標。前饋方法主要有查表法與公式法，公式法依靠電機與系統參數進行弱磁電流軌跡的計算，往往依賴數值方法進行求解，求解速度較慢，計算資源占用大[6]。查表法主要依靠當前速度與轉矩查表得到電流軌跡，此類方法應應對溫度變化與母線電壓變化效果不佳，且將其他因素加入表格后，查表復雜化會使得系統標定量極大增加[7]。

反饋弱磁控制主要利用電流偏差、轉速偏差和電壓偏差進行弱磁控制。利用電流偏差與轉速偏差的控制方式主要基于的原理為：當電機反電勢大于控制器可以提供的最大反電勢時，電流無法繼續增加，從而產生電流偏差；當電流產生偏差，扭矩無法繼續增加，產生轉速偏差。進而利用轉速和電流偏差可以實現電流軌跡切換弱磁電流軌跡。電壓偏差反饋弱磁控制方法基于判斷需求的電壓是否超過逆變器可以提供的最大電壓，從而控制電流軌跡沿弱磁控制的電流軌跡前進。反饋弱磁控制對電機參數依賴低，可以適應復雜環境，是目前燃料電池氫氣循環泵主流的弱磁控制方法[8-11]。

4 氫氣循環泵控制電壓調制方法

如圖3所示，氫氣循環泵控制的電壓調制方法以基于載波的調制為主，分為連續PWM調制方法與不連續PWM調制方法。連續PWM的開關動作均勻分布在每個電流周期中，主要方法有SPWM、SVPWM和其他基于零矢量插入的PWM方法。不連續PWM使用特殊的零矢量插入方法，每個橋臂在一個電流周期中，有1/3的時間不調制，可以有效減少開關次數，從而降低開關損耗，提升逆變器效率。依據1/3的不調制時間分布，不連續PWM調制方式可以分為 DPWMMIN、DPWMMAX、DPWM0、DPWM1、DPWM2、DPWM3。

連續PWM調制中，SPWM電壓調制具有良好的線性，可以通過簡單的三角波比較實現調制波形，調制方法簡單易于實現，但直流電壓利用率過低，僅為理論極限值的78.5%，且相對其他調制方式，諧波畸變率方面沒有優勢，僅在對調制比要求不高的場合下使用。為改善上述問題，基于零序分量注入的PWM方式被廣泛使用。SVPWM采用兩種零矢量相等的零矢量插入方法，可以到達很好的綜合性能，直流電壓利用率可以達到理論極限的90.7%，但在有特殊目標的調速場合，比如消除固定頻率諧波、優化開關損耗或降低母線電壓波動等，需要進一步對零矢量的插入方法進行優化。由于氫氣循環泵電機多為三相星型鏈接，輸出電壓中的三次諧波因相位相同，可以相互抵消，所以THIPWM1/6[12-13]和THIPWM1/4[14]兩種方法也被用于循環泵電壓調制，這類控制方式在一定的調制比區間，相對SVPWM具有波形優勢。

當零序分量以飽和的方式進行疊加時，形成不連續調制方式。其中DPWMMIN和 DPWMMAX的不調制區域是一個完整的120°區間[15]。DPWM0、DPWM1、DPWM2的不調制區間為相位不同的2個60°不調制區間[16-17]。DPWM3的不調制區間為4個30°不調制區間[17]。實際應用中，控制算法依據負載特性和應用場合，使得正弦交流電流較大的時間段處于不調制區間，可以降低開關損壞，提升逆變器效率。

不同調制方法的諧波畸變率如圖４所示[19]。考慮到不連續PWM調制方法（DPWM）在1/3周期內部發生調制，為了建立不同調制方法的統一對比標準，在DPWM的開關頻率為CPWM的1.5倍下進行比較。上述比較規則下，每種PWM的開關次數相同，即在相同的開關動作下，對諧波畸變率（HDF）進行比較、可以看出，在調制較小的應用場合，連續PWM的諧波畸變率更低，其中SVPWM和THIPWM1/4調制方式具有良好的中低調制比下的諧波表現。在調制比較大的應用場合，DPWM方法的諧波畸變明顯由于CPWM調制方式，其中DPWM3具有中高調制比下的最低的諧波畸變率。弱磁控制發生在調制比接近1的場合，上述結果表明弱磁控制中，DPWM具有更好的諧波畸變率。另一方面，實際應用中，IGBT的開關頻率收到器件特性限制，并非一定可以提升到CPWM的1.5倍頻，所以需要在實際應用場合下，對各種電壓調制方式進行綜合選擇。

5 總結

氫氣循環泵是燃料電池系統的重要組件，控制框架為外環轉速閉環控制，內環為電流閉環控制，并在電流閉環控制中加入電流軌跡修正，以對循環泵進行弱磁升速。電流閉環的輸出為d軸和q軸電壓矢量給定，電壓調制方式實現d軸和q軸電壓給定，從而實現氫氣循環泵控制。常用的電壓調制方式為SVPWM，對效率要求較高的應用場合可以選擇不同類型的DPWM調制方式。

本文受國家重點研發計劃資助（2020YFB1506302）。

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