面向耐久性提升的车用燃料电池系统电控技术研究进展

doi:10.19562/j.chinasae.qcgc.2022.04.010

摘要/Abstract

摘要：

车用燃料电池系统耐久性是制约燃料电池汽车发展的技术瓶颈之一。汽车运行工况复杂多变，燃料电池系统内部温度、湿度、压力等运行参数控制难度较大，且处理不当会加剧电堆寿命衰减。本文立足于车用燃料电池系统电控技术，分析了不同的运行工况和运行参数的波动对燃料电池性能衰退的影响，并对燃料电池系统组成、结构、控制器硬件、控制目标和常用管控策略等进行了介绍。总结出，通过功率调节与车载储能装置进行能量分配和功率控制，并结合基于模型的燃料电池系统控制方法可更好地实现温度、湿度、压力等运行参数的管控，保证燃料电池处于合适工作条件，延长使用寿命。最后，展望了车用燃料电池系统电控技术的发展趋势。

关键词: 燃料电池汽车, 质子交换膜燃料电池, 耐久性, 系统集成, 电子控制, 控制策略

Abstract:

Fuel cell system durability is one of the technical bottlenecks restricting the development of fuel cell vehicles. Vehicle operating conditions are complicated and varied， the operating parameters of fuel cell system like temperature， humidity and pressure， are difficult to control， and the improper handling may aggravate the decay of battery stack. In this paper， from the standpoint of the electric control of automotive fuel cell system， the effects of the fluctuation of operation conditions and parameters on the performance degradation of fuel cell are analyzed， and the composition， structure， controller hardware， control objective and common control strategies of fuel cell system are presented. It is concluded that the energy distribution and power control by power adjustment and onboard energy storage device， combined with model-based control scheme can better achieve the control of operation parameters such as temperature， humidity and pressure， ensuring the fuel cell working in suitable conditions for extending its service life. Finally， the development trends of electric control on vehicular fuel cell system is summarized and forecasted.

Key words: fuel cell vehicle, proton exchange membrane fuel cell, durability, system integration, electronic control, control strategy

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图/表 7

图1

图2

图3

图4

表1

表2

氢气管理系统和空气供给系统控制策略比较"

控制目标	控制方法	控制策略	特点	文献
改善输出特性	PID控制	控制氢气流量和空气流量的比例，从而控制输出电流	结构、设计简单，但难以兼顾氢压力的稳态和瞬态响应	［69］
	鲁棒控制	调节氢气和氧气的气流速率，从而控制输出电压	可以较好处理系统不确定性和扰动，运行条件变化也能稳定输出	［70］
	前馈模糊PID控制	利用在线模糊逻辑优化回路实现PID参数的调整，采用前馈模糊PID控制器调节空气流量，降低空气供给系统寄生功率，改善燃料电池输出特性	兼具模糊控制器和PID控制器的优点，瞬态性能好、超调量小、响应速度快	［65］
	鲁棒PID控制	结合鲁棒控制和PID控制的优点，调节氢气流量和空气流量，改善燃料电池的输出特性	兼具鲁棒控制和PID控制优点，可有效提高系统性能和效率	［71］
	自抗扰控制	控制空压机转速，调节质量流量和气体压力，改善输出特性	具有较好的瞬态和稳态性能，适用于强耦合系统	［63］
提升响应速度	模型预测控制	使用线性二次高斯算法和模型预测控制算法，在保证阴阳极压差的同时获得较好的系统响应性能	瞬态响应性能、抗干扰性能好	［72］
提升响应速度	复合前馈PID控制	输出电压误差较小时采用前馈控制策略保证空气压缩机的动态响应速度，误差较大时为满足负载要求采用PID控制策略实现空气压缩机转速控制	瞬态响应性能好，具有良好的准确性和快速性	［64］
提高燃料电池耐久性	非线性控制	基于动态非线性模型，利用反馈线性化进行非线性控制，以减小阴阳极间压差，控制湿度和电压，提升燃料电池耐久性	利用反馈线性化消除系统的非线性，能够达到快速瞬态响应，但需要精确的系统模型	［67］
	H_∞鲁棒控制	控制供气歧管内压力，减小大扰动对阴阳极之间气体压差，保证系统的稳定运行并延长燃料电池电堆的使用寿命	抑制振荡和跟踪输出效果好，鲁棒性好	［73］
	模型预测控制	提出基于观测器的模型预测控制策略，实现在不使用空气流量传感器的情况下对氧过量系数进行控制	易于调整，具有很高的鲁棒性	［68］
	自适应滑模控制	结合自适应控制和滑模控制优点，调节空气供给系统氧过量系数提升控制器的抗干扰性、鲁棒性	在各种不确定性、干扰和噪声的影响下仍能快速收敛，鲁棒性好	［28］

表2

表3

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氢气循环方案	技术实现	技术特点	文献
单氢气循环泵循环方案	利用氢气循环泵将未反应的氢气从阳极出口处直接泵回入口处，与入口处氢气汇合后进入燃料电池电堆	响应速度快、适应工况范围广、可根据燃料电池运行状况进行主动调节，但面临成本高、体积大、寄生功率高、振动及噪声大等问题	［37］
单级引射器循环方案	利用文丘里工作原理，通过引射器将阳极出口处的氢气回吸至入口处	结构紧凑、运行可靠、无移动部件、无污染、无寄生功率，但在低功率下引射效果不佳，工作稳定性差	［38］
氢气循环泵与引射器并联循环方案	低功率工作区间时启动氢气循环泵出未完全反应的氢气，高功率区间工作时采用引射器装置	既避免了低功率下引射器工作效果不理想问题，又降低了氢气循环泵的寄生功耗，但结构复杂、成本高，面临氢气循环泵与引射器协同工作的关键问题	［39-40］
双引射器并联循环方案	两个高低压引射器并联布置，在不同功率下实现氢气循环利用	可在全工况范围内工作，但系统复杂、控制难度高，且无法实现主动调节	［41-42］

控制方式	控制方法	控制策略	特点	文献
基于误差的控制策略	PI控制	利用反馈PI控制策略将水泵电压作为一个连续的操作变量，从而达到最佳的温度控制效果	结构简单，控制水泵电压，减少风扇使用频率，降低寄生功率	［83］
	模糊控制	采用所提出的多输入多输出模糊控制器控制风扇转速使温度保持在合适的范围内，利用加湿器对入口处的氢气进行加湿以管理膜的含水量	能够实现强非线性、不确定性动态系统的实时控制，响应迅速，控制波动小	［84］
	鲁棒PID控制	结合鲁棒控制和PID控制的优点，采用鲁棒PID控制策略控制冷却系统	控制结构简单，有利于硬件实现和系统小型化	［86］
基于模型的控制策略	鲁棒模型预测控制	基于线性时变模型，将相对增益阵列作为操作参数应用于控制系统，对输入和输出进行配对	克服了模型预测控制无法保证稳定性与鲁棒性和计算时间长的缺点	［87］

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