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摘要：燃料电池系统主要包括个部分：进气子系统、热管理子系统、水管理子系统和能源管理子系统。燃料电池具有高效率、噪音低、零排放等特点，被认为最具发展前景的能源之一。燃料电池系统的建模与控制研究对于提高燃料电池系统的效率、动态响应能力及使用寿命等有着重要的意义。为此，本文就针对燃料电池系统建模及控制方法展开探析。
关键词：燃料电池系统；建模；控制方法
导言：
燃料电池现在最大的缺点是成本高，燃料电池系统的瞬态变化性能是另一个关键因素。在瞬态，为了产生可靠高效的功率响应，并且防止电解质膜损伤以及对燃料电池堆有害的电压老化和氧气耗尽，必须设计更好的控制方案，以达到最佳的空气和氢气入口流量。也就是说燃料电池控制系统需根据燃料电池的电流，精确地进行空气和氢气压力调节以及热、水管理。因此，本文探析燃料电池系统建模及控制方法具有一定的意义。
1 燃料电池的基本原理与特点
燃料电池燃料电池就像普通电池一样地工作，把化学能转换成电能，但它又不同于普通电池。如图1所示，它借助燃料（如氢气）和氧化剂（如氧气）可持续产生直流电（同时也产生水和热量）。
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图1 燃料电池的输入和输出
1.2 燃料电池的分类
燃料电池通常根据所使用的电解质种类来分类。它们包括：质子交换／聚合物电解质膜燃料电池（PEMFCs）；碱性燃料电池（AFC）；磷酸燃料电池（PAFC）；熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）；固体氧化物燃料电池（SOFC）等。
1.3 燃料电池的组织结构图
一个燃料电池发电系统的最基本组成包括燃料电池（最常见的一个电池堆或多层连接的燃料电池）、燃料和氧化剂的供给、电负载和电力调节器。燃料和氧化剂供给及电力调节器通常与配套设备放在一起。配套设备包括燃料转化器、热管理子系统和加湿子系统。
2 燃料电池系统建模分析
为了能够对燃料电池发电系统进行初步规划、稳定性分析以及控制方案的合成，需要搭建一个合适的燃料电池系统动态模型。建立燃料电池动态模型主要是为了方便控制方案设计。在分析燃料电池结构及运行过程的基础上，本文首先对燃料电池电化学反应建立动态模型，包括能斯特电压、活化过电压、欧姆过电压及浓差极化电压，在动态模型的基础上分析各种损耗，以及电池运行的最佳状态；接下来建立燃料电池气体供应模型，包括：氢气供应、压缩机动态模型及氧气供应，联合燃料电池模型分析气体供应对电池的性能影响，如过氧比、输出电压、输出功率及外围设备消耗等。燃料电池系统主要由三部分组成，包括燃料电池本身、外围设备以及负载。外围设备包括空气压缩机、水泵、电力电子设备、冷却设备等。小功率设备中常用风扇对系统进行冷却，大功率设备则采用水冷的方式进行冷却。
2.1 仿真模型假设
为了在Simulink中创建一个燃料电池的模型，需做以下假设：由于电池堆温度的响应时间很慢，假设电池堆的工作温度是恒定的；在燃料电池阳极和阴极两侧都被很好的加湿；对水的管理，假设液态水不会离开电池堆，如果阴极或阳极任何一侧气体湿度将至低于100％，液态水会蒸发补充；假设入口反应物的摩尔分数为常数；假设所有气体都是理想气体，可以使用理想气体定律和摩尔守恒定律。
2.2 燃料电池建模
质子交换膜燃料电池有许多不同的建模方法，但最基本的是实验法建立的经验模型和由机理出发建立的理论模型。质子交换膜燃料电池的经验模型主要是通过试验的方法建立电池输出特性的经验公式，描述电池电压和电流密度的关系，从而反映电池的外特性或电特性。燃料电池电压如图2所示，主要包括能斯特电压、欧姆过电压、活化过电压及浓差极化电压。
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图2 燃料电池电压示意图
2.3 燃料电池性能分析
极化曲线可以用来表达燃料电池的性能如图3所示，它描述了电池电压．负载电流（V-I）高度非线性的特点。低电流密度时，电压的下降幅度较快，活化过电势起主导作用；电流密度适中时，电压的下降速度减慢，下降曲线近乎线性；较高电流密度时，电压下降幅度增大，浓差极化电势起主导作用。
3 燃料电池系统的控制方法研究
为了保证系统净输出功率和改善系统动态特性，必须对阴极气体流量进行控制，使系统过氧比（OER）维持在最佳值附近。在燃料电池系统动态模型的基础上，根据燃料电池系统的动态特性、系统对燃料的需求以及维持过氧比在最佳值附近的控制目标，采用两种控制（PID和SMC）方法对其进行研究。
3.1 PI控制
PID控制器在工业控制中得到了广泛应用，PID控制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成。在控制系统的设计与校正中，PID的优越性是明显的，它的基本原理却比较简单。常规PID控制系统由PID控制器和被控对象组成。
3.2 滑模控制
滑模控制（SMC）也叫变结构控制，是一类特殊的非线性控制，其非线性表现为控制的不连续性。这种控制策略与其他控制的不同之处在于系统的“结构”并不固定，而是可以在动态过程中根据系统当前的状态（如偏差及其各阶导数等）有目的地不断变化，迫使系统按照规定的“滑模动态”状态轨迹运动。由于滑动模态可以进行设计且与对象参数及扰动无关，这就使得滑模控制具有快速响应、对应参数变化及扰动不灵敏、无须系统的在线辨识、物理实现简单等优点。根据系统所期望的动态特性来设计系统的切换超平面，通过滑动模态控制器使系统状态从超平面之外向切换超平面收束。系统状态一旦达到切换超平面，控制作用将保证系统沿切换超平面到达系统原点，这一沿切换超平面向原点滑动的过程为滑模控制。在该超平面上，系统的动态性能由超平面的数学表达式定义，从而使系统对参数不确定和外部干扰具有较强的鲁棒性。滑模控制在解决不确定高阶非线性动态系统时是一种非常有效的方法，表现在对系统不确定与外部干扰的强鲁棒性和算法设计简单。然而，由于高频切换控制，滑模控制存在“抖振”现象。二阶滑膜控制量在时间上是本质连续的，这样能有效地减小系统抖振，又不以牺牲控制器的鲁棒性为代价。
4 结语
总之，燃料电池具有无污染、零排放和能量转换效率高等优点，可以用做小型或中型分布式发电机，受到了学术界和企业界的高度重视。过氧比是燃料电池正常运行的重要指标之一，其核心在于实时控制阳极和阴极的气流输入，避免出现氧饱和及氧饥饿，在保证系统正常运行的同时使输出功率最大化，提高系统的效率。而本文主要研究燃料电池系统建模及过氧比控制的问题。
参考文献：
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