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电动车燃料电池控制系统

摘要：如何改善燃料电池的输出性能是燃料电池电动车的一个重要问题。首先燃料电池是一个多变量复杂系统。燃料电池的工作和环境温度、流量及湿度对燃料电池实际功率输出有重大影响。然后提出一种自适应模糊复合控制算法。考虑到燃料电池的多动态特性，加入自整因子层对量化因子和比例因子进行在线修改，从而改善了控制器的静态和动态特性。有实验结果证明所提出算法的有效性。最后，详细设计燃料电池电动车的能量控制系统。

1引言(Introduction)

目前电动车的电源主要是铅酸蓄电池，由于能量/重量的性能比低，不能满足电动车的要求，阻碍了电动车的发展。燃料电池(fuelcell)具有环保、结构紧凑、重量轻、电流密度高、工作温度低、启动速度快，使用无毒性的固态电解质膜等优点，在航天、航空、航海以及电动机车等各个方面有着巨大的应用潜力。燃料电池是一种发电装置。它能将储存在燃料(H2)和氧化剂(O2)中的化学能转变成电能，只要不断地供给燃料和氧化剂，它就可以不断地输出电能。

实验证明，燃料电池是一个多输入、多变量非线性变参数的纯滞后复杂系统。受许多不确定因素和非线性因素的影响，燃料电池本身的输出特性一般不好。当输出电流较大时，输出电压下降较大，表明带负载能力较差，输出功率不稳定。影响燃料电池性能的主要因素有质子交换膜的特性，膜电极装配的结构，水和热的处理方法，催化剂(Pt)的含量，杂质(CO，CO2)的浓度等。对于成品电池而言，通过调节燃料和氧化剂H2和O2的流量以及电解质膜的湿度，可以改善PEMFC的输出性能，提高实际输出功率。

现在许多燃料电池的控制手段还没有实现自动调节，没有根据输出功率的要求适时调节H2和O2的流量，这样无疑造成燃料的浪费和损耗。而电解质膜的加湿也是人工操作进行，难以保证适时调节。燃料电池是一个多变量复杂系统，许多不确定因素都会对燃料电池的电功率输出造成影响，建立准确的数学模型十分困难，由于人工操作经验和模糊控制规则都有限，用简单模糊控制器无法进行良好控制。

为此本文在文工作基础上，提出一种自适应模糊复合控制算法，它可以适时调节燃料电池的燃料物和氧化剂(H2)和(O2)的流量以及电解质膜的湿度，能够达到改善燃料电池的输出性能，减小燃料消耗，提高输出功率的目的。

有实验结果证明此种方法的有效性。最后详细设计燃料电池电动车的能量控制系统。

2燃料电池控制系统(Controlsystemforthefuel-cell)

燃料电池控制系统的组成见图1所示。它是由自适应模糊复合控制器，伺服阀，加湿器和传感器等组成。从图1中可看出系统输出量是电功率P，输入控制量为H2的流量Q1，O2的流量Q2和电解质膜湿度H。控制H2流量Q1的模糊控制器1的双输入分别是电功率误差e和氧气流量Q2。控制O2流量Q2的模糊控制器2的双输入分别是电功率误差e和氢气流量Q1。控制H2湿度的模糊控制器3的双输入分别是电功率误差e和误差变化率˙e。在模糊控制中，输入变量的模糊化，控制规则的形成及模糊判决都需要人工操作的经验。设计完成后，还需要在运行中进行调整。

考虑到量化因子和比例因子对系统的动态特性和稳态特性影响极大，控制系统加入自适应调整模块，可以适时调节量化因子和比例因子，提高系统动稳态特性，减小燃料消耗。特别是在小误差范围内，控制系统还对湿度实行PID控制，通过精确调节湿度，实现燃料电池输出功率的精确控制。

3燃料电池复合控制器(Combinedcontrollerofthefuel-cell)

3.1模糊控制器(Fuzzylogiccontroller)

常规模糊控制器，详见文献。

3.2自适应调整(Self-adjustingparameter)

通常模糊控制器中量化因子、比例因子是固定的。而实际上，要使系统达到良好的动稳态特性，同时做到燃料消耗尽可能小，单凭固定的量化因子、比例因子很难达到要求。因此，应根据误差、误差变化率对量化因子、比例因子进行在线调整。考虑到量化因子、比例因子的变化趋势正好相反，可取量化因子变化倍数与比例因子变化倍数互为倒数，设量化因子变化倍数为N，则

1)IF(e=正大and˙e=正大)THENN=正小。表示当误差e和误差变化率˙e较大时，控制系统主要是减少误差，加快动态过程，应取较大控制量，比例因子要大，量化因子要减小。

2)IF(e=正小and˙e=正小)THENN=正大。表示当误差e和误差变化率˙e较小时，系统将接近稳态值，应放大量化因子，同时减小比例因子，减小控制量。实际中将所有规则离线模糊推理计算，得出因子自适应调整表，供在线查询。

3.3复合控制(Combinedcontroller)