鄭先娜 林瑞全

（福州大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院，福州 350116）

質(zhì)子交換膜燃料電池控制策略綜述

鄭先娜 林瑞全

（福州大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院，福州 350116）

本文簡單介紹了質(zhì)子交換燃料電池的工作原理，分析了影響其工作性能的重要因素，對目前質(zhì)子交換膜燃料電池控制方法的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進行綜述，并結(jié)合當(dāng)前研究現(xiàn)狀，對質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)控制今后的發(fā)展方向進行了展望。

質(zhì)子交換膜燃料電池；控制策略；綜述

質(zhì)子交換膜燃料電池也稱作高分子電解質(zhì)燃料電池（proton exchange membrane fuel cell, PEMFC），PEMFC是燃料電池中最典型的一種，具有工作溫度低、啟動迅速、過載能力大、能量轉(zhuǎn)化效率高、環(huán)境友好、能量密度高、可靠性高等特點，是一種應(yīng)用前景廣闊的新能源發(fā)電裝置。目前，PEMFC廣泛應(yīng)用于移動電源、家用電源、電動汽車等供應(yīng)系統(tǒng)。PEMFC的數(shù)學(xué)模型是一個高度非線性、強耦合等特點的復(fù)雜模型，很難用精確的模型對其進行描述。同時PEMFC在正常運行時會受到進氣壓力、溫度、濕度、電流密度等多種因素的影響。因此，為了提高系統(tǒng)的工作性能，保持良好的運行狀態(tài)，采取恰當(dāng)?shù)目刂撇呗詫ζ溥M行設(shè)計，具有重要的學(xué)術(shù)意義和實用價值。目前，國內(nèi)外對 PEMFC控制技術(shù)已經(jīng)開展了一定研究，各種控制方法（如傳統(tǒng)PI控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、預(yù)測控制、模糊控制、自適應(yīng)模糊控制、滑?？刂啤Ⅳ敯艨刂频龋┚?PEMFC系統(tǒng)的研究中得到了應(yīng)用，并取得一定成果。本文基于多種控制策略 PEMFC的控制問題，對當(dāng)前國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進行綜述，并對 PEMFC今后發(fā)展方向進行展望。

1 PEMFC工作原理

PEMFC基本結(jié)構(gòu)主要包括陰極、陽極、電解質(zhì)和外電路組成，其電解質(zhì)是一種固態(tài)高分子聚合物，位于陰極陽極之間，將氫氣和氧氣的化學(xué)能通過電極反應(yīng)直接轉(zhuǎn)化成電能。PEMFC結(jié)構(gòu)與反應(yīng)原理如圖1所示。反應(yīng)過程實質(zhì)上可以被看成是水電解的逆過程：①陽極，在催化劑作用下，氫氣分子分解成質(zhì)子和電子，質(zhì)子穿過質(zhì)子交換膜到達陰極，在陰極催化劑層和氧分子結(jié)合生成水，并產(chǎn)生電能；②陰極，空氣經(jīng)壓縮裝置進入，與電子、氫離子在催化劑的作用下結(jié)合生成水。

圖1 PEMFC結(jié)構(gòu)與反應(yīng)原理

2 PEMFC性能影響因素

2.1 溫度對PEMFC性能的影響

電堆能量轉(zhuǎn)換率通常在 50%～60%之間，意味著電堆在反應(yīng)過程中放出大量的熱，而溫度變化對電池放電性能和使用壽命有很大影響。PEMFC內(nèi)部正常溫度應(yīng)維持在65℃～85℃，溫度適當(dāng)升高時，會加速反應(yīng)速度，降低極化電壓，同時質(zhì)子交換膜燃料電池的電導(dǎo)率也會增加，通過減少膜的歐姆極化電壓提高電堆轉(zhuǎn)換效率[1-3]。但是溫度過高會引起高分子膜失水，降低了高分子膜的H+傳導(dǎo)能力和熱穩(wěn)定性，嚴重時導(dǎo)致膜收縮破損，縮短電池的使用壽命。

影響電堆溫度主要有以下兩個因素：①電堆內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)放熱，包括電化學(xué)反應(yīng)熱、歐姆極化熱和活化極化熱等；②系統(tǒng)對 PEMFC電堆溫度的影響，電堆溫度與電堆濕度密切相關(guān)，而電堆濕度與進氣空氣流量兩者相互影響。此外，環(huán)境溫度變化和電堆負載的大小對 PEMFC電堆溫度也有一定的影響[3]。

2.2 壓力對PEMFC性能的影響

在質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)中，當(dāng)其他運行條件不變時，電極內(nèi)反應(yīng)氣體的壓力越大，電池的輸出性能越好：①從動力學(xué)角度分析，增大氣體壓力對提高交換電流密度，降低活化過電位有很大幫助；②從熱力學(xué)角度分析，增大氣體壓力對于增大電池可逆電勢，改善電池性能有很大影響；③從擴散的角度分析，增加反應(yīng)氣體的壓力，可以加快反應(yīng)氣體的傳質(zhì)速度，增大催化層內(nèi)反應(yīng)物的濃度，加快正向反應(yīng)，進而提高燃料電池的工作特性[3]。

因此，要想獲得較高的電池功率密度，可以適當(dāng)提高反應(yīng)氣體的壓力[4-5]?？紤]到增大反應(yīng)氣體的壓力會增加電堆的密閉難度以及增大壓縮系統(tǒng)的功耗和成本等因素，在實際工作中，PEMFC反應(yīng)氣體的工作壓力不宜過高，一般都控制在幾個大氣壓以內(nèi)。為了保持電解質(zhì)膜最佳濕度以及對生成水的排放，要求陰極反應(yīng)氣體的壓力要等于或者稍高于陽極反應(yīng)氣體，并且在調(diào)節(jié)兩極壓力時要確保同升同降，以減少對質(zhì)子膜的損害。

2.3 濕度對PEMFC性能的影響

電解質(zhì)膜是 PEMFC中最關(guān)鍵的元件，用于傳遞H+，隔離電子。電解質(zhì)膜中必須有足夠的水分才能更好工作。當(dāng)電解質(zhì)膜缺水濕度下降時會減少膜的電導(dǎo)率，降低 PEMFC的性能，嚴重時將停止工作[6-7]；而水分過多時會發(fā)生水淹電極現(xiàn)象。因此，膜中水的含量對電池的性能有很大影響，為了保證電解質(zhì)膜有一定的濕度，最常用的辦法是外升溫增濕的方法，利用增濕系統(tǒng)控制電解質(zhì)膜水含量，保證PEMFC正常工作。

電解質(zhì)膜濕度主要取決于反應(yīng)氣體帶進來的水以及反應(yīng)生成的水，同時，PEMFC工作溫度、反應(yīng)氣體濕度、流量、壓力、外界溫度等對膜濕度都有影響。

3 PEMFC控制策略

質(zhì)子交換膜燃料電池是一個多輸入、多輸出、不確定的非線性時變系統(tǒng)，受多參數(shù)的影響導(dǎo)致其輸出特性很難控制。國內(nèi)外學(xué)者，針對這一特性進行了大量研究，提出多種控制方法，從不同角度對PEMFC進行控制，以提高凈輸出功率。下面介紹近年來的研究進展。

3.1 傳統(tǒng)PID控制

PID控制器是工業(yè)控制中最廣泛的控制規(guī)律，因其簡單易懂的特點廣泛應(yīng)用于控制系統(tǒng)。PEMFC系統(tǒng)的壓力、溫度、濕度等同樣采用了PID算法進行控制。程站立[8]等采用 PID算法控制器控制電堆的輸出電流。通過分析了電堆輸出電流出現(xiàn)階躍變化時，對電堆輸出電壓、輸出功率以及電堆效率的影響，證明所設(shè)計的算法具有較好的魯棒性，對改善PEMFC控制系統(tǒng)的性能有很大提高。Swain P[9]等，利用Matlab工具箱得到可控可觀的線性化系統(tǒng)的狀態(tài)空間矩陣，進而采用PID控制器對氫氣氧氣壓力差進行控制，仿真實驗證實所設(shè)計控制器可以使氫氣氧氣壓力差維持在一定范圍，達到控制效果。但是由于控制器的適應(yīng)能力和抗干擾能力都較差，采用PID算法控制的系統(tǒng)容易受干擾的影響，因此不適于大擾動和對控制性能要求很高的復(fù)雜系統(tǒng)。由此，智能控制被逐漸廣泛應(yīng)用。

3.2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一個高度非線性系統(tǒng)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制是一種智能控制方法，因其具有自組織、自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)能力而廣泛應(yīng)用于控制系統(tǒng)。適用于對PEMFC這種復(fù)雜系統(tǒng)控制分析。葛福臻[10]等針對PEMFC的濕度特性，采用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法對加濕系統(tǒng)進行控制，根據(jù)進口區(qū)、中間區(qū)和出口區(qū)3個部分平均單片電壓間的關(guān)系建立模糊規(guī)則，將該規(guī)則運用到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，通過對陽極加濕溫度的控制來提高工作性能。實驗數(shù)據(jù)分析表明，所設(shè)計的濕度控制系統(tǒng)具有較好的控制效果。R Vinu[11]等設(shè)計了電壓輸出反饋控制器，該控制器運用了和諧搜索算法的優(yōu)化技術(shù)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)前饋控制器來控制輸出電壓，通過比較所設(shè)計的控制器與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)前饋控制器的效果表明，該控制器輸出結(jié)果更接近參考電壓。通過評估積分平方誤差，積分絕對誤差和積分時間加權(quán)絕對誤差來比較所設(shè)計的控制器的性能，結(jié)果表明，該控制器的系統(tǒng)誤差值最小，性能最優(yōu)。Guo Li[12]等針對溫度特性，設(shè)計了一個 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)溫度控制器，該控制器具有良好的控制性能，同時對模型精度要求不高，仿真結(jié)果表明該 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)溫度控制系統(tǒng)有很好的魯棒性和溫度控制性能。

3.3 預(yù)測控制

模型預(yù)測控制采用一種擇優(yōu)思想，采用多步測試、滾動優(yōu)化和反校正控制策略，有較好的控制效果，因此適用于復(fù)雜的且不易建立精確數(shù)學(xué)模型的系統(tǒng)。羅超[13]采用一種基于T-S模糊模型的預(yù)測控制算法對PEMFC的溫度進行控制，運用T-S模糊建模方法把非線性系統(tǒng)轉(zhuǎn)化成線性時變系統(tǒng)，實驗結(jié)果證明了模糊預(yù)測控制在 PEMFC的溫度控制系統(tǒng)中可以較好地滿足系統(tǒng)的控制要求，證實了該算法的有效性。陳雪蘭[14]從機理出發(fā)推導(dǎo)建立了電堆電壓的半經(jīng)驗的穩(wěn)態(tài)模型?？紤]燃料電池空氣進氣系統(tǒng)的非線性和約束，提出了基于線性變參數(shù)模型的預(yù)測控制（LPV-MPC）算法。針對狀態(tài)不可測問題，在LPV-MPC算法中加入Kalman濾波，并通過可觀性分析確定了需要測量的變量。通過與線性MPC和基于機理模型的非線性預(yù)測控制（NMPC）對比，驗證了在燃料電池負載大范圍變化時該算法的有效性和可行性。簡棄非[15]等針對一輛小型燃料電池電動車的2kW質(zhì)子交換膜燃料電池動力系統(tǒng)，利用遺傳算法優(yōu)化的 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立其電壓輸出特性模型，將 PEMFC部分實測數(shù)據(jù)作為遺傳算法優(yōu)化的 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練樣本對其進行訓(xùn)練，利用訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對電堆電壓輸出特性進行預(yù)測，并與實驗數(shù)據(jù)進行對比，結(jié)果顯示：網(wǎng)絡(luò)預(yù)測的輸出電壓與實測輸出電壓之間的最大相對誤差均保持在4%之內(nèi)。

Costa Lopes F D[16]等為了實現(xiàn)燃料電池最大效率運行，設(shè)計了一種預(yù)測電壓控制器，采用了非線性自回歸與外部輸入和非線性輸出誤差神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)識別建模方法，獲得面向預(yù)測控制系統(tǒng)的PEMFC堆棧的黑盒模型。實驗數(shù)據(jù)表明，所設(shè)計的控制器能準確預(yù)測電壓，并且可實現(xiàn)實時預(yù)測。

3.4 自適應(yīng)控制

自適應(yīng)控制與常規(guī)的反饋控制和最優(yōu)控制區(qū)別在于自適應(yīng)控制依據(jù)的先驗知識比較少，而是依據(jù)從系統(tǒng)運行中提取出的不斷更新的數(shù)據(jù)。呂學(xué)勤[17]等針對 PEMFC的時變、非線性及不確定性導(dǎo)致其輸出動態(tài)特性難以控制的問題，設(shè)計了以 PEMFC系統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型作為預(yù)測模型具有實時控制的自適應(yīng)預(yù)測控制器。結(jié)果表明所設(shè)計的自適應(yīng)控制器具有較強的魯棒性，較強的學(xué)習(xí)能力，控制精度高，并具有自適應(yīng)能力，對 PEMFC的輸出動態(tài)特性的穩(wěn)定性具有較好的控制效果。L Xueqin[18]等考慮 PEMFC的輸出電壓經(jīng)常受時變性能、非線性性能和不確定性的影響。導(dǎo)致其動態(tài)輸出無法控制。設(shè)計了基于自適應(yīng)預(yù)測控制的控制器。在控制過程中，通過將負反饋控制引入自適應(yīng)模型和預(yù)測控制的前端，提高系統(tǒng)的控制精度和響應(yīng)速度。仿真結(jié)果表明，自適應(yīng)預(yù)測控制器具有適應(yīng)能力強，魯棒性強，學(xué)習(xí)能力強，控制精度高，對質(zhì)子交換膜燃料電池輸出特性的動態(tài)穩(wěn)定性具有完美的控制作用。M Karimi[19]等針對PEMFC的模型不確定的非線性和因變量問題，采用了自適應(yīng)神經(jīng)模糊推理系統(tǒng)對 PEMFC堆棧的動態(tài)電壓進行建模，經(jīng)過一系列實驗數(shù)據(jù)的訓(xùn)練，結(jié)果表明，自適應(yīng)神經(jīng)模糊推理系統(tǒng)的輸出與實際工廠以及物理模型之間達到很好的一致性，該模型可用于預(yù)測系統(tǒng)的動態(tài)行為。

3.5 滑?？刂?/p>

滑?？刂凭哂袕婔敯粜浴㈨憫?yīng)速度快、對系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型精度要求不高、對參數(shù)攝動及外部擾動不敏感、易于實現(xiàn)、計算機實現(xiàn)簡單等優(yōu)點。SM Rakhtala[20]設(shè)計了一個高階滑模觀測器，用來提供不可測狀態(tài)下的過氧比，通過應(yīng)用二階滑模通過超扭轉(zhuǎn)和次優(yōu)控制器來控制質(zhì)子交換膜燃料電池的呼吸。結(jié)果驗證所設(shè)計的控制器有較好的跟蹤性能。Z Baroud[21]等提出了一種質(zhì)子交換膜燃料電池空氣供應(yīng)子系統(tǒng)的滑?？刂破?，以便在負載發(fā)生變化時調(diào)節(jié)和補充燃料電池陰極消耗的氧氣量。根據(jù)電堆電流，通過氧過比穩(wěn)態(tài)分析得到空氣流量的參考值。為了確保系統(tǒng)工作在過氧比的參考值，提出了滑?？刂仆ㄟ^調(diào)節(jié)空氣壓縮機電壓控制空氣流量。仿真結(jié)果表明，該控制方法有較好的抗干擾性動和抑制不確定性。A. Pilloni[22]等注意到氧氣過量比不應(yīng)簡單地控制在 2，并基于觀測器輸出反饋控制，提出一種滑?？刂品椒▉慝@取一個合適的氧氣過量比常數(shù)，然而這個常數(shù)并非燃料電池系統(tǒng)凈功率最高對應(yīng)的值，因為他沒有考慮空氣壓縮機等附屬設(shè)備的耗能。S Laghrouche[23]等提出了高分子電解質(zhì)膜燃料電池供氣系統(tǒng)的基于 Lyapunov的魯棒和自適應(yīng)高階滑模（HOSM）控制器，這是一種具有有界不確定性的非線性單輸入單輸出系統(tǒng)。首次提出了一個以 Lyapunov為基礎(chǔ)比較完整的適應(yīng)性任意的高階滑?？刂?。通過比較證明該控制器有較好的性能。

3.6 魯棒控制

魯棒性是指控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)在一定范圍內(nèi)發(fā)生攝動，仍能滿足某些性能指標。近年來設(shè)計魯棒控制器成為國內(nèi)外科研人員研究課題。Wang F C[24]等設(shè)計了質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)的魯棒控制器，旨在將同一控制器用在不同模型中。實驗結(jié)果證實，所設(shè)計的魯棒控制器可以直接在不同的PEMFC模塊上實現(xiàn)，同時可以將氫效率提高1.4%，并將PEMFC電壓的均方根誤差降低約93%，實現(xiàn)了在工業(yè)應(yīng)用生產(chǎn)線上對所有 PEMFC模塊應(yīng)用一般控制器。Yang B[25]等期望以最佳氧過量比實現(xiàn)期望的凈輸出功率的精確跟蹤，提出了一種用于質(zhì)子交換膜燃料電池輸出功率跟蹤問題的級聯(lián)控制器，該控制器由多輸入多輸出魯棒非線性非交互（RNNI）控制器和非線性擾動解耦結(jié)構(gòu)組成的控制結(jié)構(gòu)。仿真結(jié)果表明，通過兩個性能指標良好的解耦可以獲得良好的跟蹤性能，此外，可以通過非線性補償器抵消參數(shù)不確定性的影響。A Mohammadi[26]等針對 PEMFC模型動態(tài)響應(yīng)慢以及模型復(fù)雜問題提出了一種基于信號的 PEMFC魯棒模型，將實驗結(jié)果與不同種車型進行對比，驗證該模型的可靠性同時具備很好的魯棒性。

3.7 模糊控制

模糊控制屬于智能控制，實質(zhì)上是一種非線性控制。模糊控制最主要特點之一是將系統(tǒng)化理論與實際應(yīng)用背景相結(jié)合。鄭維[27]等在換熱器的控制中引入模糊控制，并運用Matlab模糊邏輯工具箱對模糊推理系統(tǒng)進行設(shè)計。運用Simulink設(shè)計模糊PID控制器，并進行仿真，得出引入模糊控制后系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線。結(jié)果表明模糊PID控制與傳統(tǒng)PID控制相比，超調(diào)更小，精度更高，穩(wěn)定速度更快，可以達到預(yù)期的恒溫輸出，有效提高換熱率，減少能量損失。胡鵬[28]等建立了基于控制的 PEMFC的溫度機理動態(tài)模型，并根據(jù)所建立的溫度模型和控制經(jīng)驗規(guī)則設(shè)計帶積分環(huán)節(jié)的 PEMFC溫度二維增量模糊控制器。結(jié)果證明，該模型能模擬 PEMFC的動態(tài)特性，并且當(dāng) PEMFC溫度控制在理想工作范圍內(nèi)，所設(shè)計的控制器可用于對 PEMFC進行溫度實時控制，具有較強的魯棒性。Li[29]等提出了模糊滑?？刂破骺刂?PEMFC堆棧的供氣流量，該控制器具有良好魯棒性，模糊滑模控制器是在傳統(tǒng)的滑?？刂破髦星度肓艘粋€模糊邏輯推理機制，產(chǎn)生了一個平滑控制。結(jié)果表明，該模糊滑膜控制器消除了傳統(tǒng)滑膜控制器的抖動現(xiàn)象。通過比較證明，模糊滑膜控制器很好地提高了 PEMFC控制性能。樊立萍[30]等建立了質(zhì)子交換膜燃料電池數(shù)學(xué)模型，針對恒功率燃料電池設(shè)計了自適應(yīng)模糊控制器。實驗證明，所設(shè)計的控制器可以實現(xiàn) PEMFC恒功率輸出。

4 結(jié)論

本文介紹了質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)的工作原理、結(jié)構(gòu)，分析了影響性能幾種重要因素，對當(dāng)前國內(nèi)外學(xué)者采用的控制策略進行綜述。當(dāng)前PEMFC的控制方法基本都是針對影響 PEMFC性能的單方面因素進行研究，雖然能達到相應(yīng)的控制效果，但是在設(shè)計過程通常假設(shè)其他因素恒定或者進行了理想化假設(shè)，而忽略了變量間的相互耦合關(guān)系，所以，今后設(shè)計中應(yīng)同時考慮多種因素對系統(tǒng)進行控制，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的最優(yōu)控制。

同時，大多數(shù)學(xué)者對 PEMFC的研究都是針對連續(xù)系統(tǒng)模型進行控制，很少考慮離散系統(tǒng)以及后期信號的采集問題。隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，工業(yè)自動化領(lǐng)域?qū)ζ湫枨笕找嬖黾樱瑢崿F(xiàn) PEMFC數(shù)字化控制將成為今后研究的一個熱點，因此，有效解決快速采樣時的 PEMFC數(shù)字化控制問題將是今后研究的一個方向。

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Summarization of Control Strategy for Proton Exchange Membrane Fuel Cell

Zheng Xianna Lin Ruiquan
(Electrical Engineering and Automation, Fuzhou University, Fuzhou 350116)

This paper briefly introduces the working principle of proton exchange membrane fuel cell (PEMFC), and analyzes the factors that effectits performance. Then sums upthe current study methods in domestic and foreign. Finally, the direction of PEMFC control strategy was prospect based on the research status in current.

proton exchange membrane fuel cell; control strategy; summary

福建省科技重點項目（2014H0022）

鄭先娜（1991-），女，福州大學(xué)在讀碩士研究生，研究方向為燃料電池建模與控制。