基于MotoTron 平臺的燃料電池共軌噴射系統的研發

何 雍，李亞超，吳 兵，王丙龍，王鴻鵠

(上海汽車集團股份有限公司新能源和技術管理部，上海 201804)

前言

燃料電池作為新一代汽車動力源，已被世界各大工業國視為戰略產品，世界各大汽車公司都在致力于燃料電池的研究與應用［1］。在燃料電池中，氫氣作為能量的載體，其穩定有效的供給與電堆的輸出功率密切相關。在常規的燃料電池中，電堆陽極多采用二級減壓閥減壓后穩壓定量多供應的方式為電堆提供足夠的燃料。這種方法雖然能使燃料電池滿足工作要求，但在電堆低負荷區時，由于氫氣供應過量，導致氫氣浪費，有效利用率低;而在高負荷區時，由于氫氣需求量較大，將會出現氫氣供應不足，并最終導致燃料饑餓，功率輸出不足，嚴重影響整個系統的工作性能［2］。

文獻［3］中提出在燃料電池陽極采用共軌噴射器的方案，以滿足電堆的動態需求。然而由于燃料電池本身的特殊性，對氫氣的供給也提出了許多要求，如壓力、溫度和穩定性等。因此在電堆的陽極不僅需要期望的氫氣量，同時還需要穩定的氫氣壓力，即對電堆陽極氫氣的壓力波動也提出了嚴格要求。但在實際應用中，尤其燃料電池車在低負荷區氫氣需求量較少時，噴射器出口的壓力將會出現較大的波動，從而嚴重影響燃料電池的工作性能。

為此，本文中提出以期望和實際的氫氣壓力值為參考采用閉環控制，利用改進型PID控制，根據入口壓力偏差和頻率以及噴嘴開啟時間的關系來控制信號的優化輸出，進而驅動噴射器噴嘴以獲得期望的氫氣量和穩定的氫氣壓力，最終達到輸出氫氣流量和壓力均可控的目的。

1 燃料電池氫噴射系統的組成

在燃料電池中，氫共軌噴射系統主要由高壓氫瓶、減壓閥、穩壓閥、共軌噴射器、壓力傳感器和控制單元組成，系統示意圖如圖1所示。

高壓氫瓶內氫氣壓力可達35MPa;開關閥用來控制輸送到電堆的氫氣量，當系統收到供氫命令后，開關閥打開，儲氫系統開始向電堆供氫，否則，開關閥關閉，停止向電堆供氫;減壓閥和穩壓閥則用于將高壓氫瓶中輸送的氫氣壓力降至電堆可以承受，并保持基本穩定;傳感器主要用以測量入口與出口的氫氣壓力，并將信號值傳至控制系統;電堆的作用是使陽極的氫氣與陰極的空氣發生化學反應，生成水并釋放能量，提供動力;噴射器作為供氫系統的被控對象是本文的研究重點，它由4個并行噴嘴組成，噴嘴采用Peak-Hold的電流驅動，系統通過調節4個噴嘴的開啟時間與開啟頻次來調節供氫量，同時在噴嘴下端采用共軌式匯流裝置，從而保證出口氫氣在較小的壓力波動下動態可調;電控單元作為整個系統的控制器，通過采集各傳感器信號，判斷當前系統的工況并通過控制噴射器4個噴嘴的開啟時間與頻次決定氫氣供應量，同時，噴射器入口與出口壓力傳感器判斷控制效果，對控制進行修正，形成閉環控制，最終達到氫氣供應動態可調且壓力穩定的目的。

2 氫噴射系統的控制策略

2.1 噴射器的控制模式

由伯努利方程可知，當系統管徑一定時，氣體的流量取決于管道兩端氣體的壓差，為此在本文中將系統噴射器入口與出口氣體的壓力作為系統的輸入量與輸出量。共軌噴射器的4個噴嘴上均有控制信號的輸入端口，通過控制單元輸出的脈沖信號決定4個噴嘴的開啟時刻、開啟持續時間和關閉時刻。噴嘴在脈沖信號的上升沿開啟，在脈沖信號下降沿關閉，脈沖的寬度代表噴嘴開啟持續時間，信號脈沖的頻次代表噴嘴的開啟次數。在設計前期，采用MotoTron程序對噴射器的工作參數進行標定調試，研究發現，噴射器最終出氣流量與開啟持續時間和開啟頻次均呈正比關系。為此，本文中提出3種控制模式，并做相應分析。

2.1.1 固定信號脈沖寬度，改變噴嘴開啟頻次

固定噴嘴的開啟持續時間，根據噴嘴入口壓力偏差值和轉速的關系，進而通過虛擬轉速改變噴嘴開啟頻次，控制出口氫氣壓力。在噴嘴開啟持續時間內，氫氣在供給入口處壓力最大;在噴嘴關閉和下一個噴嘴開啟的時間段內，無氫氣補充從而出口壓力降到最低。在該控制模式下，當氫氣需求量較少時噴嘴開關頻次較低，導致嚴重壓力波動，超出燃料電池要求的壓力波動＜15kPa的要求。

2.1.2 固定噴嘴開啟頻次，改變噴嘴開啟持續時間

固定噴嘴開啟頻次，根據噴嘴入口壓力偏差值和轉速的關系，通過虛擬轉速改變噴嘴開啟持續時間，控制出口氫氣壓力。在該控制模式下，當氫氣需求量較少時從一個噴嘴關閉到另一個噴嘴開啟的時間間隔t1縮短，減少了無氫氣補充的時間，同時同一噴嘴開啟持續時間t2減小，噴嘴輸出端的壓力波動將得到改善。同時，可預見如果把虛擬轉速再提高，將再次縮短t1和t2，噴嘴輸出端的壓力波動也將再次得到改善。該模式避免了低流量時因噴嘴開啟頻次較低導致的壓力波動問題，在實際操作中可行性好。

2.1.3 噴嘴開啟頻次與開啟持續時間分時改變

噴嘴開啟頻次與開啟持續時間分時改變的控制策略，即當低流量時固定噴嘴開啟頻次，控制噴嘴開啟時間;當高流量時固定噴嘴開啟持續時間，改變噴嘴開啟頻次?？梢灶A見，該策略同樣可避免低流量時因噴嘴開啟頻次較低導致的壓力波動問題。但由于兩種不同的控制目標，需要兩套不同的PID算法和PID參數，其開發和試驗周期將會延長。

根據以上分析，本文中提出采用固定噴嘴開啟頻次，改變噴嘴開啟持續時間的控制策略，通過PID由實際壓差決定開啟持續時間，進而控制出氣壓力與流量。

2.2 氫噴射系統PID控制研究

在燃料電池氫噴射系統中，由于噴嘴后端氫氣壓力受噴嘴開啟頻次、噴氣時間、氫氣溫度、混合室形狀和燃料電池消耗率等因素影響，被控對象具有非線性和時滯性的特點。PID控制具有無須建立精確的數學模型、實現簡單、參數整定方便和結構更改靈活等特點，從而被廣泛應用。為實現出口氫氣流量實時快速地跟蹤響應且壓力波動較小的目的，本文中選用增量式數字PID控制算法，根據出口處氫氣壓力實際值與期望值之差，對噴嘴后端的氫氣壓力進行控制，如圖2所示。圖中，pr為出口氫氣期望壓力，p為實際壓力，而pe=pr-p即壓力偏差。

式中:kP為比例系數;ti為積分時間;td為微分時間。假定控制系統采樣時間為ts，則式(1)可以離散化為

理想的連續PID調節器有如下表達式［4］:式中:k為采樣序號;p0為開始進行PID控制時壓力初始值;pe(k)為當前壓力偏差;pe(k-1)為上一時刻壓力偏差;pe(j)為歷次壓力偏差。由式(2)可見，p(k)控制輸出不僅取決于pe(k)和pe(k-1)，還與pe(j)有關。這種算法不僅計算繁瑣，且易造成誤差的疊加，嚴重影響最終噴射器的控制性能與效果。為此應采用由式(2)整理推出的增量式數字PID控制:

式中:c0、c1、c2均為控制系統常數。只須知道最近3個時刻的壓力偏差值，便可通過式(4)算出噴射器為調節氫氣流量所需要的調節增量，可方便地嵌入到控制系統中。由于調節量僅與最近3次誤差采樣值有關，控制器計算誤差對控制量影響較小，誤動作影響也較小［5］。

3 氫噴射系統平臺的建立與算法移植

3.1 氫噴射系統開發平臺的建立

為實現氫噴射系統控制算法的驗證與參數優化，系統采用MotoTron 128pinECU-565-128控制單元，它采用32位MPC565微處理器，支持復雜的控制策略。

噴射系統采用兩路傳感器，即噴射器入口和出口各一個壓力傳感器，針對噴射系統要求將控制策略運行在MotoTron硬件平臺上，將產生的Peak-Hold電流信號外加于噴射器4個噴嘴從而驅動系統噴射。其開發平臺組成與功能描述如圖3所示［6］。

考慮到系統測量精度和氣密性，系統中兩個壓力傳感器均采用精度高且密封性優良的AST4700系列壓力傳感器。在前期實驗中，測試出其氫泄漏極限小于整車要求，符合設計需要。同時，作為系統中最重要的執行器——共軌噴射器，采用防爆電磁式結構，不僅滿足泄漏極限小于50×10-6要求，而且反應快速靈敏，具有較高的安全性和可操作性。

3.2 控制器軟件設計與算法移植

為簡化系統并控制系統復雜度，將噴嘴開啟頻次視為常數，而將噴嘴開啟持續時間作為系統控制量，從而氫氣噴射系統可簡化為以噴射器入口壓力為輸入、噴射器出口壓力為輸出的單輸入單輸出系統。在系統運行時，根據系統實際氫氣需求量應用增量式數字PID控制策略對噴射器噴嘴開啟持續時間進行閉環控制，維持出口氫氣壓力在目標壓力附近，如圖4所示。

實際目標壓力由系統實際需求給定，將目標壓力pr(k)與當前出口壓力p(k)進行比較，系統記錄最近3個時刻的壓力偏差值pe(k)、pe(k-1)和pe(k-2)，通過增量式數字PID計算噴嘴須調節的時間增量，以達到出口壓力實時跟蹤目標壓力的目的。

首先根據確定的系統功能建立系統框架的底層操作系統(operating system)，主要包含:ECU類型、存儲器資源分配、觸發器資源分配、CAN通信和CCP模塊等的定義，如圖5所示。

根據已確定的控制算法，將MotoHawk開發環境中的驅動和標定模塊進行匹配，并將系統中傳感器和執行器的標定參數帶入算法中與ECU硬件進行匹配，主要由圖6中6個模塊組成。其中，模塊INP主要進行壓力等傳感器的信號采集和濾波;模塊APP根據傳感器信號和氫氣壓力目標值計算噴嘴開啟的時間;OUT模塊的功能則是對噴嘴進行驅動;VARDEF模塊主要定義了程序中用到的變量、表變量和標定表格等;模塊DIAG主要對各傳感器、執行器和功能系統故障進行診斷;而PCM模塊則是對目標板、編譯器、CAN、CCP和實時任務基準時間進行定義。最后在各模塊集成完成后MotoHawk集成的編譯器將其生成C代碼并自動生成可刷寫的SRZ代碼。

3.3 標定實驗

為實現系統的優化，須對各參數進行調試優化，即建立標定系統。在標定實驗中，優化并確定噴油時間和PID控制參數，須監測信號輸入的壓力信號和噴射時間等變量，并用ATI Vision軟件對輸出的壓力值進行實時監測。由于無法獲取精確的噴射器數學模型，選用工程整定法［5］整定數字PID控制參數，根據各PID控制參數對系統的影響規律，對其反復調整，直至得到令人滿意的結果。在通過標定并確定相應PID控制參數后，通過ATI Vision軟件可得到噴射器出口的實際壓力曲線圖。

3.4 結果分析

為保證噴射器在不同氫需求量下的出口壓力波動均符合系統要求，設定目標壓力分別為50、60、80和90kPa，用ATI Vision軟件在對PID控制參數進行微調后實時采集實際壓力值，實際壓力和目標壓力曲線如圖7所示。

相對于圖7實驗結果，在常規燃料電池供氫系統中由于采用的是二級減壓閥減壓后穩壓定量供給方式，因而氫氣供給相對恒定，與實際氫需求也并無聯系，其測試數據如圖8所示。

由圖可見:在常規燃料電池供氫系統中，入口壓力變化時，出口氫氣壓力即供應至電堆的氫氣壓力幾乎不變，均未達到80kPa;而采用氫共軌噴射技術后，系統能夠根據實際氫需求，實時動態調整目標輸出氫氣，保證了氫氣合理有效的供給，避免了采用常規供氫方式氫氣需求量低時氫氣供應相對過量，而氫氣需求高時氫氣供應不足所造成的燃料饑餓現象。而在燃料饑餓過程中，由于供應和倒吸入電池的氫氣均含有雜質無法排除，必然在電堆陽極內積累，使氫氣濃度不斷降低，電池電流的分布愈加不均，甚至引發電池反極，加速電池性能的衰減，嚴重影響到電池的壽命［7-8］。

在燃料電池中，作為重要組件的質子交換膜其厚度僅為0.05～0.18mm，因此維持陽極和陰極之間合適的壓差，最大程度地降低對質子交換膜的機械損傷，對延長燃料電池的壽命至關重要。由圖7可知，采用PID控制算法的共軌噴射器出口壓力波動遠小于電池電堆要求的陽極端壓力波動＜15kPa的技術要求，穩態誤差小，符合設計要求。

4 結論

在深入研究PID控制技術基礎上，從整個開發流程著手基于MotoTron快速原型開發平臺，較好且快速地完成了氫共軌噴射控制算法的設計。實驗表明，采用閉環增量式數字PID的控制策略，將噴射器入口壓力作為輸入量而將噴射器開啟持續時間作為控制量的氫噴射系統表現出良好的控制效果，保證了燃料電池的效率與系統性能，滿足了燃料電池電堆技術要求，解決了常規供氫系統采用穩壓定量供給方式的低需求供應過量、高需求供給不足的問題;由于出口氫氣流量動態可調且壓力波動較小，因而大大提高了氫氣利用率，延長了質子交換膜燃料電池的使用壽命;噴射系統的開發具有良好的工程可移植性，為后續整車開發奠定了基礎。

［1］許思傳，程欽，馬天才.燃料電池汽車用加濕器研究現狀與發展展望［J］.科技論壇，2006(2):60-63.

［2］梁棟，侯明，竇美玲，等.質子交換膜燃料電池燃料饑餓現象［J］.電源技術，2010，134(8):767-770.

［3］吳兵，王丙龍，馬麗.燃料電池汽車陽極噴射系統控制策略開發［J］.上海汽車，2011(3):4-7.

［4］劉劍，陳建，鄔連學.一種數學PID控制算法分析［J］.承德石油高等?？茖W校學報，2007，9(3):11-14.

［5］王正林，王勝開，陳國順.Matlab/Simulink與控制系統仿真［M］.北京:電子工業出版社，2005:187-198.

［6］Belle E.Simulink-based Cordesign and Cosimulation of a OmmonrailTMInjector Test Bench［J］.Journal of Circuits，Systems，and Computers，2003(2):100-102.

［7］陸文昌，高海宇，孟鑫，等.基于MotoTron平臺的ETC控制系統設計與試驗研究［J］.內燃機工程，2010，31(6):59-64.

［8］Knights Shanna D，Colbow Kevin M，Jean St-Pierre，et al.Aging Mechani-Sms and Lifetime of PEFC and DMFC［J］.Journal of Power Sources，2004，127:127-134.