质子交换膜燃料电池氢气循环泵控制方法综述

摘 要：近年来，氢氧燃料电池以其功率密度高、燃料加注快捷、续航能力易拓展的优势，在商用车领域取得越来越广泛的应用。氢气循环泵是氢氧燃料电池系统中的关键部件，为燃料电池阳极提供气体循环，提升系统效率与单体一致性。本文对氢气循环泵的控制方法进行综述，包括基速以下控制、基速以上弱磁控制和PWM电压调制方法，为氢气循环泵控制方案的选择提供理论指导。

关键词：质子交换膜燃料电池 氢气循环泵控制 永磁同步电机控制

Abstract：In recent years， proton exchange membrane fuel cells have been used more and more widely in the field of commercial vehicles due to their advantages of high power density， fast fuel injection， and easy to expand the endurance. The hydrogen circulating pump is a key component in the fuel cell system， which provides gas circulation for the anode of fuel cell and improves the system efficiency and consistency of cells. This paper summarizes the control methods of the hydrogen circulating pump， including the control below the base speed， the field weakening control above the base speed and PWM voltage modulation methods， which provide theoretical guidance for the selection of the control scheme of the hydrogen circulating pump.

Key words：PEMFC， hydrogen circulating pump control， PMSM

1 概述

燃料电池是一种直接将存储在H2的化学能经与O2反应，转化为电能、热能和水的电化学装置。它不受卡诺循环限制，转化效率高，可以长时间运行。其中质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC）具有運行温度低、功率密度高、响应快、启动快、稳定性好以及当使用纯氢气时不会造成环境污染等特点，是未来理想的动力装置

循环泵是质子交换膜燃料电池系统的重要部件，其可以为燃料电池阳极系统提供稳定氢气循环，增加阳极子系统的一致性，提升燃料电池系统氢气利用率[1]。对其的稳定控制对燃料电池系统的可靠运行十分重要。目前氢气循环泵绝大多数使用永磁同步电机作为驱动电机，所以针对永磁同步电机氢气循环泵，本文将从基速以下控制、基速以上弱磁控制和电压调制方法三个方面对氢气循环泵控制进行探讨。

2 氢气循环泵基速以下控制

基速以下的主流控制方式为最大转速电流比控制（Maximum Torque Per Ampere，MPTA），控制方式为计算可以达到当前扭矩下的最佳id与iq，使得相电流最小，从而节约逆变器容量，提升控制器的体积功率密度与质量功率密度[2-4]。即MPTA控制转化为极值问题，目标函数如式（1）所示

综上，系统转速闭环输出转矩指令，通过MPTA计算，得到d轴与q轴的电流指令。

3 氢气循环泵基速以上弱磁控制

随着电机转速的升高，电机的反电动势正比增加，当反电动势大于逆变器可以提供的最大电压时，驱动电流无法继续提升。此时如果继续提升转速，需要进行弱磁控制，即对定子施加一定电流分量，此电流分量产生与转子磁通相反的磁通，从而减小电机反电动势，提升电机转速。弱磁控制下，弱磁电流不产生实际扭矩，但占用逆变器容量，会导致电机最大扭矩下降，控制系统效率降低。实际应用场景下，燃料电池所用氢气循环泵功率等级一般不超过2kw，弱磁控制对效率降低的效果有限，但可以达到提升转速，提升燃料电池阳极循环的效果。

循环泵电机运行过程中会受到逆变器最大输出电流Imax与最大输出电压Vmax限制，构成电流极限圆和电压极限圆方程如式（5）和式（6）所示

综上，如图1所示当电压极限椭圆的中心位于电流极限圆外侧时，弱磁升速是的升速范围是有限的，称为有限速度系统。进入深度弱磁区域后，常用轨迹是沿最大转矩电压比曲线运行（Maximum Torque per Voltage，MPTV）[5]。

如图2所示，燃料电池氢气循环泵的弱磁控制包括前馈弱磁控制和反馈弱磁控制。前馈控制的输入为当前的电驱动状态，如转速，直流母线电压等，直接判断是否进入弱磁状态和当前的电流轨迹目标。前馈方法主要有查表法与公式法，公式法依靠电机与系统参数进行弱磁电流轨迹的计算，往往依赖数值方法进行求解，求解速度较慢，计算资源占用大[6]。查表法主要依靠当前速度与转矩查表得到电流轨迹，此类方法应应对温度变化与母线电压变化效果不佳，且将其他因素加入表格后，查表复杂化会使得系统标定量极大增加[7]。

反馈弱磁控制主要利用电流偏差、转速偏差和电压偏差进行弱磁控制。利用电流偏差与转速偏差的控制方式主要基于的原理为：当电机反电势大于控制器可以提供的最大反电势时，电流无法继续增加，从而产生电流偏差；当电流产生偏差，扭矩无法继续增加，产生转速偏差。进而利用转速和电流偏差可以实现电流轨迹切换弱磁电流轨迹。电压偏差反馈弱磁控制方法基于判断需求的电压是否超过逆变器可以提供的最大电压，从而控制电流轨迹沿弱磁控制的电流轨迹前进。反馈弱磁控制对电机参数依赖低，可以适应复杂环境，是目前燃料电池氢气循环泵主流的弱磁控制方法[8-11]。

4 氢气循环泵控制电压调制方法

如图3所示，氢气循环泵控制的电压调制方法以基于载波的调制为主，分为连续PWM调制方法与不连续PWM调制方法。连续PWM的开关动作均匀分布在每个电流周期中，主要方法有SPWM、SVPWM和其他基于零矢量插入的PWM方法。不连续PWM使用特殊的零矢量插入方法，每个桥臂在一个电流周期中，有1/3的时间不调制，可以有效减少开关次数，从而降低开关损耗，提升逆变器效率。依据1/3的不调制时间分布，不连续PWM调制方式可以分为 DPWMMIN、DPWMMAX、DPWM0、DPWM1、DPWM2、DPWM3。

连续PWM调制中，SPWM电压调制具有良好的线性，可以通过简单的三角波比较实现调制波形，调制方法简单易于实现，但直流电压利用率过低，仅为理论极限值的78.5%，且相对其他调制方式，谐波畸变率方面没有优势，仅在对调制比要求不高的场合下使用。为改善上述问题，基于零序分量注入的PWM方式被广泛使用。SVPWM采用两种零矢量相等的零矢量插入方法，可以到达很好的综合性能，直流电压利用率可以达到理论极限的90.7%，但在有特殊目标的调速场合，比如消除固定频率谐波、优化开关损耗或降低母线电压波动等，需要进一步对零矢量的插入方法进行优化。由于氢气循环泵电机多为三相星型链接，输出电压中的三次谐波因相位相同，可以相互抵消，所以THIPWM1/6[12-13]和THIPWM1/4[14]两种方法也被用于循环泵电压调制，这类控制方式在一定的调制比区间，相对SVPWM具有波形优势。

当零序分量以饱和的方式进行叠加时，形成不连续调制方式。其中DPWMMIN和 DPWMMAX的不调制区域是一个完整的120°区间[15]。DPWM0、DPWM1、DPWM2的不调制区间为相位不同的2个60°不调制区间[16-17]。DPWM3的不调制区间为4个30°不调制区间[17]。实际应用中，控制算法依据负载特性和应用场合，使得正弦交流电流较大的时间段处于不调制区间，可以降低开关损坏，提升逆变器效率。

不同调制方法的谐波畸变率如图４所示[19]。考虑到不连续PWM调制方法（DPWM）在1/3周期内部发生调制，为了建立不同调制方法的统一对比标准，在DPWM的开关频率为CPWM的1.5倍下进行比较。上述比较规则下，每种PWM的开关次数相同，即在相同的开关动作下，对谐波畸变率（HDF）进行比较、可以看出，在调制较小的应用场合，连续PWM的谐波畸变率更低，其中SVPWM和THIPWM1/4调制方式具有良好的中低调制比下的谐波表现。在调制比较大的应用场合，DPWM方法的谐波畸变明显由于CPWM调制方式，其中DPWM3具有中高調制比下的最低的谐波畸变率。弱磁控制发生在调制比接近1的场合，上述结果表明弱磁控制中，DPWM具有更好的谐波畸变率。另一方面，实际应用中，IGBT的开关频率收到器件特性限制，并非一定可以提升到CPWM的1.5倍频，所以需要在实际应用场合下，对各种电压调制方式进行综合选择。

5 总结

氢气循环泵是燃料电池系统的重要组件，控制框架为外环转速闭环控制，内环为电流闭环控制，并在电流闭环控制中加入电流轨迹修正，以对循环泵进行弱磁升速。电流闭环的输出为d轴和q轴电压矢量给定，电压调制方式实现d轴和q轴电压给定，从而实现氢气循环泵控制。常用的电压调制方式为SVPWM，对效率要求较高的应用场合可以选择不同类型的DPWM调制方式。

本文受国家重点研发计划资助（2020YFB1506302）。

参考文献：

[1]刘俊峰，李清，秦燕，李建军.质子交换膜燃料电池氢气循环系统的发展现状[J].能源技术与管理，2022，47（05）：45-48.

[2]Jahns TM. Flux-Weakening Regime Operation of an Interior Permanent-Magnet Synchronous Motor Drive. IEEE Transactions on Industry Applications，1987， IA-23：681-689.

[3]Morimoto S， Takeda Y， Hirasa T， Taniguchi K. Expansion of operating limits for permanent magnet motor by current vector control considering inverter capacity. IEEE Transactions on Industry Applications， 1990， 26（5）：866-871.

[4]Macminn SR， Jahns TM. Control techniques for improved high-speed performance of interior PM synchronous motor drives. IEEE Transactions on Industry Applications， 1991， 27（5）：997-1004.

[5]顾欣. 电动汽车用永磁同步电机高速区弱磁优化控制研究[D]. 山东大学， 2016.

[6]Morimoto S， Takeda Y， Hirasa T. Flux-weakening control method for surface permanent magnet synchronous motors. in Proc. Int. Power Electron. Conf， 1990： 942-949.

[7]Morimoto S， Sanada M， Takeda Y. Effects and Compensation of Magnetic Saturation in Flux-Weakening Controlled Permanent Magnet Synchronous Motor Drives. IEEE Transactions on Industry Applications， 1994， 30（6）：1632-1637.

[8]Dhaouadi R， Mohan N. Analysis of current-regulated voltage-source inverters for permanent magnet synchronous motor drives in normal and extended speed ranges. IEEE Transactions on Energy Conversion， 1990， 5（1）：137-144.

[9]M. Tursini， A. Scafati， A. Guerriero， and R. Petrella. Extended torque–speed region sensorless control of interior permanent magnet synchronous motors. in Proc. ACEMP ELECTROMOTION Joint Meeting， 2007：647-652.

[10]朱磊，溫旭辉. 车用永磁同步电机弱磁控制技术发展现状与趋势. 中国第五届智能交通年会， 2009，44（1）：39-44．

[11]Kim J，Sul S. Speed control of interior permanent magnet synchronous motor drive for the flux weakening operation. IEEE Transactions on Industry Applications， 1997， 33（1）：43-48.

[12]Holmes DG，Lipo TA. Pulse width modulation for power converters： principles and practice / D. Grahame Holmes， Thomas A. Lipo. Piscataway， NJ;Hoboken， NJ;： IEEE Press; 2003.

[13]Hala?sz S，Bowes SR，Midoun A. Suboptimal switching strategies for microprocessor-controlled PWM inverter drives. IEE Proceedings B Electric Power Applications，1985，132（6）：344.

[14]Taniguchi K，Ogino Y，Irie H. PWM technique for power MOSFET inverter. IEEE Transactions on Power Electronics， 1988， 3（3）：328-334.

[15]Taniguchi K，Ogino Y，Irie H. PWM technique for power MOSFET inverter. IEEE Transactions on Power Electronics， 1988， 3（3）：328-334.

[16]Depenbrock M. Pulse width control of a 3-phase inverter with nonsinusoidal phase voltages. Semicond Power Converter Conf， 1977： 399-403.

[17]Ogasawara S，Akagi H，Nabae A. A novel PWM scheme of voltage source inverters based on space vector theory. Archiv für Elektrotechnik， 1990，74（1）：33-41.

[18]Kolar K，Ertl H，Zach FC. Minimization of the harmonic rms content of the mains current of a PWM converter system based on the solution of an extreme value problem. Proc. ICHPC Conf，1990：234-243.

[19]Nguyen TD，Hobraiche J， Patin N， Friedrich G， Vilain J. A Direct Digital Technique Implementation of General Discontinuous Pulse Width Modulation Strategy. IEEE Transactions on Industrial Electronics，2011，58（9）：4445-4454.