李果1，張培昌1，余達(dá)太1，毋茂盛1，2

(1.北京科技大學(xué)信息學(xué)院，北京100083；2.河南師范大學(xué)計(jì)算機(jī)系，河南新鄉(xiāng)453002)

摘要：如何改善燃料電池的輸出性能是燃料電池電動(dòng)車的一個(gè)重要問題。首先燃料電池是一個(gè)多變量復(fù)雜系統(tǒng)。燃料電池的工作和環(huán)境溫度、流量及濕度對燃料電池實(shí)際功率輸出有重大影響。然后提出一種自適應(yīng)模糊復(fù)合控制算法?？紤]到燃料電池的多動(dòng)態(tài)特性，加入自整因子層對量化因子和比例因子進(jìn)行在線修改，從而改善了控制器的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性。有實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明所提出算法的有效性。最后，詳細(xì)設(shè)計(jì)燃料電池電動(dòng)車的能量控制系統(tǒng)。

1引言(Introduction)

目前電動(dòng)車的電源主要是鉛酸蓄電池，由于能量/重量的性能比低，不能滿足電動(dòng)車的要求，阻礙了電動(dòng)車的發(fā)展。燃料電池(fuelcell)具有環(huán)保、結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、電流密度高、工作溫度低、啟動(dòng)速度快，使用無毒性的固態(tài)電解質(zhì)膜等優(yōu)點(diǎn)，在航天、特種、航海以及電動(dòng)機(jī)車等各個(gè)方面有著巨大的應(yīng)用潛力。燃料電池是一種發(fā)電裝置。它能將儲(chǔ)存在燃料(H2)和氧化劑(O2)中的化學(xué)能轉(zhuǎn)變成電能，只要不斷地供給燃料和氧化劑，它就可以不斷地輸出電能。

實(shí)驗(yàn)證明，燃料電池是一個(gè)多輸入、多變量非線性變參數(shù)的純滯后復(fù)雜系統(tǒng)。受許多不確定因素和非線性因素的影響，燃料電池本身的輸出特性一般不好。當(dāng)輸出電流較大時(shí)，輸出電壓下降較大，表明帶負(fù)載能力較差，輸出功率不穩(wěn)定。影響燃料電池性能的主要因素有質(zhì)子交換膜的特性，膜電極裝配的結(jié)構(gòu)，水和熱的處理方法，催化劑(Pt)的含量，雜質(zhì)(CO，CO2)的濃度等。對于成品電池而言，通過調(diào)節(jié)燃料和氧化劑H2和O2的流量以及電解質(zhì)膜的濕度，可以改善PEMFC的輸出性能，提高實(shí)際輸出功率。

現(xiàn)在許多燃料電池的控制手段還沒有實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)，沒有根據(jù)輸出功率的要求適時(shí)調(diào)節(jié)H2和O2的流量，這樣無疑造成燃料的浪費(fèi)和損耗。而電解質(zhì)膜的加濕也是人工操作進(jìn)行，難以保證適時(shí)調(diào)節(jié)。燃料電池是一個(gè)多變量復(fù)雜系統(tǒng)，許多不確定因素都會(huì)對燃料電池的電功率輸出造成影響，建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型十分困難，由于人工操作經(jīng)驗(yàn)和模糊控制規(guī)則都有限，用簡單模糊控制器無法進(jìn)行良好控制。

為此本文在文工作基礎(chǔ)上，提出一種自適應(yīng)模糊復(fù)合控制算法，它可以適時(shí)調(diào)節(jié)燃料電池的燃料物和氧化劑(H2)和(O2)的流量以及電解質(zhì)膜的濕度，能夠達(dá)到改善燃料電池的輸出性能，減小燃料消耗，提高輸出功率的目的。

有實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明此種方法的有效性。最后詳細(xì)設(shè)計(jì)燃料電池電動(dòng)車的能量控制系統(tǒng)。

2燃料電池控制系統(tǒng)(Control system for the fuel-cell)

燃料電池控制系統(tǒng)的組成見圖1所示。它是由自適應(yīng)模糊復(fù)合控制器，伺服閥，加濕器和傳感器等組成。從圖1中可看出系統(tǒng)輸出量是電功率P，輸入控制量為H2的流量Q1，O2的流量Q2和電解質(zhì)膜濕度H?？刂艸2流量Q1的模糊控制器1的雙輸入分別是電功率誤差e和氧氣流量Q2?？刂芆2流量Q2的模糊控制器2的雙輸入分別是電功率誤差e和氫氣流量Q1?？刂艸2濕度的模糊控制器3的雙輸入分別是電功率誤差e和誤差變化率˙e。在模糊控制中，輸入變量的模糊化，控制規(guī)則的形成及模糊判決都需要人工操作的經(jīng)驗(yàn)。設(shè)計(jì)完成后，還需要在運(yùn)行中進(jìn)行調(diào)整。

考慮到量化因子和比例因子對系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性和穩(wěn)態(tài)特性影響極大，控制系統(tǒng)加入自適應(yīng)調(diào)整模塊，可以適時(shí)調(diào)節(jié)量化因子和比例因子，提高系統(tǒng)動(dòng)穩(wěn)態(tài)特性，減小燃料消耗。特別是在小誤差范圍內(nèi)，控制系統(tǒng)還對濕度實(shí)行PID控制，通過精確調(diào)節(jié)濕度，實(shí)現(xiàn)燃料電池輸出功率的精確控制。

3燃料電池復(fù)合控制器(Combined controller of the fuel-cell)

3.1模糊控制器(Fuzzy logic controller)

常規(guī)模糊控制器，詳見文獻(xiàn)。

3.2自適應(yīng)調(diào)整(Self-adjusting parameter)

通常模糊控制器中量化因子、比例因子是固定的。而實(shí)際上，要使系統(tǒng)達(dá)到良好的動(dòng)穩(wěn)態(tài)特性，同時(shí)做到燃料消耗盡可能小，單憑固定的量化因子、比例因子很難達(dá)到要求。因此，應(yīng)根據(jù)誤差、誤差變化率對量化因子、比例因子進(jìn)行在線調(diào)整。考慮到量化因子、比例因子的變化趨勢正好相反，可取量化因子變化倍數(shù)與比例因子變化倍數(shù)互為倒數(shù)，設(shè)量化因子變化倍數(shù)為N，則

1)IF(e=正大and˙e=正大)THENN=正小。表示當(dāng)誤差e和誤差變化率˙e較大時(shí)，控制系統(tǒng)主要是減少誤差，加快動(dòng)態(tài)過程，應(yīng)取較大控制量，比例因子要大，量化因子要減小。

2)IF(e=正小and˙e=正小)THENN=正大。表示當(dāng)誤差e和誤差變化率˙e較小時(shí)，系統(tǒng)將接近穩(wěn)態(tài)值，應(yīng)放大量化因子，同時(shí)減小比例因子，減小控制量。實(shí)際中將所有規(guī)則離線模糊推理計(jì)算，得出因子自適應(yīng)調(diào)整表，供在線查詢。

3.3復(fù)合控制(Combined controller)

用控制切換指標(biāo)協(xié)調(diào)兩種控制器之間的切換，使兩種控制器在不同范圍內(nèi)發(fā)揮優(yōu)勢。在誤差和誤差變化率都較小的情況下，發(fā)揮PID控制的穩(wěn)態(tài)特性好，控制精度高的優(yōu)勢。在誤差較大的情況下，發(fā)揮模糊控制器快速性和抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)勢。其中切換指標(biāo)性能將直接影響到復(fù)合控制器能否做到無擾切換。切換指標(biāo)設(shè)計(jì)為Ce|e|+Cc|˙e|。

其中Ce+Cc=1，具體數(shù)據(jù)由實(shí)驗(yàn)確定。當(dāng)這個(gè)切換指標(biāo)大于等于選定的門限值時(shí)，切換到模糊控制器。小于門限值時(shí)切換到PID控制器。切換指標(biāo)不僅考慮誤差大小，還考慮誤差變化率，這有利于切換時(shí)控制器的控制平穩(wěn)過渡。

4燃料電池控制實(shí)驗(yàn)結(jié)果(Experimental re-sults for the fuel-cell)

試驗(yàn)場地在通風(fēng)良好的寬大實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行。氫氣由高純度液氫氣瓶提供，氧氣是由風(fēng)機(jī)加壓后吹出的空氣提供。加濕器只對氫氣進(jìn)行加濕。燃料電池的最大輸出功率為1200W。燃料電池的電負(fù)載是可變電阻箱。考經(jīng)過反復(fù)大量的調(diào)試實(shí)驗(yàn)，得到實(shí)驗(yàn)控制參數(shù)k1，k2，k3，k4，k5，k6，k7，k8，k9的基本值為0.86，0.67，0.63，0.9，0.49，0.8，0.74，0.89，0.91。PID控制器比例、微分、積分參數(shù)取為3.76，0.35，0.68。切換指標(biāo)Ce=0.62，Cc=0.38。控制器切換門限值選取為穩(wěn)態(tài)值的20%。圖2給出自適應(yīng)復(fù)合控制器控制燃料電池輸出功率的響應(yīng)特性曲線。系統(tǒng)開始工作在400W。在t=5s時(shí)，提高輸出功率給定值P0=1000W?？刂葡到y(tǒng)調(diào)節(jié)H2的流量、O2的流量和電解質(zhì)膜的濕度。大約在5s時(shí)間后，燃料電池輸出功率達(dá)到P0=1000W，沒有穩(wěn)態(tài)誤差。而用一般的模糊控制器控制響應(yīng)曲線(見虛線)，經(jīng)過5s后趨于穩(wěn)態(tài)，但有穩(wěn)態(tài)誤差。另外，與一般的模糊控制器進(jìn)行比較，控制系統(tǒng)的燃料消耗量平均減少7%。

5電動(dòng)車能源控制系統(tǒng)(Energy control sys-tem of electric vehicles)

燃料電池電動(dòng)車采用混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，即由燃料電池和鉛酸蓄電池構(gòu)成混合動(dòng)力系統(tǒng)，兩個(gè)燃料電池堆的功率共為2.4kW?？刂葡到y(tǒng)的組成如圖3所示。兩個(gè)燃料電池串聯(lián)后輸出電壓60V～150V，輸出并連接兩個(gè)DC/DC，其中DC/DC2輸出28V的直流電，用于為燃料電池控制器提供電源，DC/DC1實(shí)際上是一個(gè)穩(wěn)壓限流器，其輸出和鉛酸電池并聯(lián)后一起接至DC/AC逆變器，一般電源的輸出是不允許并聯(lián)的，但該DC/DC1的內(nèi)部輸出電路中串聯(lián)有二極管，保證鉛酸電池的電流不會(huì)通過DC/DC1流入燃料電池。DC/DC1的設(shè)計(jì)輸入為55V～150V，輸出為50V，靜態(tài)情況下，當(dāng)鉛酸電池電量不足時(shí)，即輸出電壓低于50V時(shí)，燃料電池可通過DC/DC1為鉛酸電池充電。由于大電流充電時(shí)會(huì)造成鉛酸電池發(fā)熱，為了保護(hù)鉛酸電池，DC/DC1進(jìn)行了特殊的設(shè)計(jì)，其輸出電壓可自動(dòng)跟隨鉛酸電池的電壓，輸出電流被限定最大為15A。當(dāng)車在行進(jìn)過程中時(shí)，由于突然的加速或上坡路況等發(fā)生，鉛酸電池的電壓一般都在0V～50V之間連續(xù)變動(dòng)，這時(shí)燃料電池和鉛酸電池一起向逆變器供電，進(jìn)而帶動(dòng)三相異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。

5.1軟件(Software)

軟件功能是利用CPU的定時(shí)器來定時(shí)執(zhí)行各種動(dòng)作，除了實(shí)現(xiàn)燃料電池的自適應(yīng)模糊復(fù)合控制算法外，還要隨時(shí)判斷鉛酸蓄電池的電壓、燃料電池的電壓、電流、溫度、空氣濕度、氫氣壓力的大小是否在許可范圍內(nèi)，不在則讓液晶顯示紅色并報(bào)警，液晶及時(shí)顯示數(shù)據(jù)的變化和工作狀態(tài)。

1)溫度監(jiān)測部分。

燃料電池的工作溫度范圍在(40℃～75℃)為最好。通常必須在0℃以上，在5℃以下就在液晶上顯示紅字并報(bào)警關(guān)掉氫氣的進(jìn)氣閥。熱敏電阻不可能放在燃料電池質(zhì)子交換膜的地方測出它的反應(yīng)堆的溫度，故有一個(gè)偏移量，這里取在燃料電池的外端測出超過60℃則報(bào)警關(guān)閥。在工作范圍外采用調(diào)節(jié)控溫風(fēng)機(jī)的輸入電壓來改變溫度。

2)濕度監(jiān)測部分。

由于燃料電池的工作環(huán)境要在空氣濕度達(dá)20%以上，故在20%以下要報(bào)警并關(guān)掉氫氣進(jìn)氣閥，從而讓燃料電池停止工作。

3)其他部分。

為保護(hù)燃料電池，其輸出電壓不能低于60V，電流不能高于15A；鉛酸電池的電壓如果低于40V的話在液晶顯示紅字報(bào)警提示需要充電。氫氣壓力如果低于1Mpa，同樣顯示紅字報(bào)警。

5.2硬件(Hardware)

硬件電路從功能上可分為7個(gè)部分，即主CPU、模擬信號采集模塊A/D、D/A控制與執(zhí)行單元、電源模塊、人–機(jī)接口模塊、通信模塊以及存儲(chǔ)器擴(kuò)展等其他電路接口，其工作原理：以AT89C55WD為主CPU，利用兩片ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片采集溫度、濕度、氫氣壓力和流量，燃料電池的電壓、電流、鉛酸電池的電壓等共16路模擬量，并用DAC7625為數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片并通過功率管OPA548來驅(qū)動(dòng)空氣風(fēng)機(jī)、伺服閥和電加濕器。同時(shí)，通過并口將數(shù)據(jù)送往液晶顯示。另外還有其他的管腳控制電磁閥、報(bào)警器，鍵盤芯片74C922按鍵顯示所需頁面，時(shí)鐘芯片DS12287來顯示時(shí)間等。其中：

1)A/D數(shù)據(jù)采集模塊。

采用三級放大模擬電路對由溫濕度傳感器采集到的電信號進(jìn)行放大，由于第1級的信號是mV級，而由燃料電池經(jīng)過DC/DC轉(zhuǎn)換后的波紋幅度都達(dá)到100mV，這大大影響溫度測量的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，采用直流電源給模擬電路的反相放大器LM741提供電壓解決了這一問題；對于流量、電流傳感器、氫氣壓力傳感器產(chǎn)生的電信號通過INA118反相放大器來放大；至于燃料電池的電壓和鉛酸電池的電壓可直接通過變阻器組成的比例器分壓和穩(wěn)壓管得到；最后把16路模擬信號(0V～5V)送往A/D轉(zhuǎn)換芯片處理。

2)D/A控制執(zhí)行模塊。

先采用D/A轉(zhuǎn)換芯片將CPU傳出的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模擬信號(0V～5V)，然后通過LM741反向放大器放大后(0V～28V)送往功率管OPA548來驅(qū)動(dòng)空氣風(fēng)機(jī)、氫氣伺服閥和電加濕器。鍵盤部分通過一個(gè)CPU管腳來控制鍵盤芯片的使能端，通過查詢方式來判斷鍵盤是否有鍵按下；報(bào)警部分也是通過一個(gè)管腳直接控制蜂鳴器的開或關(guān)；另外還有管腳接收電動(dòng)機(jī)過來的信號判斷電動(dòng)車是停車還是正常行駛。

燃料電池能量控制系統(tǒng)應(yīng)用到高爾夫電動(dòng)車上。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證完全有效。當(dāng)電動(dòng)車正常行走時(shí)，燃料電池和鉛酸蓄電池一起向外供電。當(dāng)鉛酸蓄電池輸出電壓低于要求值時(shí)，電動(dòng)車停車，由燃料電池向鉛酸蓄電池充電。當(dāng)一起向外供電時(shí)，經(jīng)實(shí)測，在額定工作條件下燃料電池輸出電流與鉛酸電池的輸出電流之比大約是1：3。與鉛酸蓄電池動(dòng)力系統(tǒng)相比，混合動(dòng)力系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)車持續(xù)航行里程平均提高22%。

6結(jié)論(Conclusion)

本文設(shè)計(jì)電動(dòng)車燃料電池控制系統(tǒng)。當(dāng)工作環(huán)境條件和負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，電動(dòng)車燃料電池控制系統(tǒng)都能夠適時(shí)調(diào)節(jié)，用相對較小的燃料消耗，實(shí)現(xiàn)燃料電池良好的輸出性能，滿足電動(dòng)車對電源輸出功率的要求。下一步研究方向是在加深對燃料電池機(jī)理的深刻認(rèn)識基礎(chǔ)上，進(jìn)一步改善燃料電池的輸出性能，提高輸出功率控制精度。