40、质子交换膜燃料电池空气供应系统的鲁棒线性反馈控制

质子交换膜燃料电池空气供应系统的鲁棒线性反馈控制

1. 引言

如今，气候变化、空气污染导致的环境恶化以及化石燃料枯竭对能源供应安全的威胁等问题日益受到关注。燃料电池（FC）作为一种极具潜力的解决方案，既能促进长期发展，又能确保环境保护。

FC 是一种利用氢气和氧气之间的氧化还原反应发电的电化学系统。由于其效率高、工作温度低且结构简单，非常适合汽车应用。不过，要提高其性能、延长使用寿命并降低生产成本，优化系统设计、材料以及采用有效的控制系统至关重要。

在众多类型的 FC 中，质子交换膜燃料电池（PEMFC）因其启动时间短、功率密度高和功率重量比好，成为汽车应用的首选技术。为确保 FC 正常运行，在动态负载变化时，必须保证足够的压力和空气流量，以避免氧气饥饿问题。这一问题可能由压缩机延迟、峰值功率需求时的故障或水管理问题等多种原因引起，会导致性能下降。因此，将阴极的氧气过量比（OER）保持在 2 到 2.5 之间至关重要，这需要精确管理空气供应系统，具体可通过确定压缩机电机的输入电压来实现。

本文将鲁棒线性反馈控制器应用于 FC 空气供应系统的非线性模型，旨在保持所需的 OER，同时通过使空气供应压缩机在最佳点运行来降低功耗。该控制器设计结构简单，能快速补偿。模拟结果表明，该控制器可保持全局稳定性，提高收敛速度，并具有良好的瞬态性能。

2. 动态建模

显然，PEMFC 作为电池组，自身无法正常工作。如图 1 所示，为使 FC 达到最佳性能，必须集成并精确控制一组辅助组件。本文重点在于设计空气供应系统的空气压缩机控制器，同时考虑 FC 系统的动态行为，包括阴极分压动态、空气供应歧管动态和压缩机动态。

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