面向耐久性提升的車用燃料電池系統(tǒng)電控技術(shù)研究進(jìn)展*

王亞雄，王軻軻，鐘順彬，何洪文，王薛超

（1.福州大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，福州 350108；2.北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081）

前言

質(zhì)子交換膜燃料電池（下文簡(jiǎn)稱燃料電池）具有能量轉(zhuǎn)化效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、啟動(dòng)迅速、工作溫度低、無(wú)電解液的腐蝕與流失和對(duì)負(fù)載變化響應(yīng)迅速等特性，適用于交通運(yùn)輸領(lǐng)域。將燃料電池應(yīng)用到車用動(dòng)力系統(tǒng)是解決汽車工業(yè)可持續(xù)發(fā)展問(wèn)題、助力交通運(yùn)輸領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要途徑之一。燃料電池汽車的研發(fā)在國(guó)內(nèi)外汽車工業(yè)界已獲得了廣泛關(guān)注與重點(diǎn)布局。然而，車用燃料電池系統(tǒng)仍然存在耐久性差、壽命短的短板，一定程度上阻礙了燃料電池汽車大范圍推廣與大規(guī)模商業(yè)化。

燃料電池系統(tǒng)是一個(gè)涉及氣、熱、水、電、力的復(fù)雜的強(qiáng)耦合、非線性系統(tǒng)，且面臨著啟停、變載、怠速和高負(fù)荷等頻繁變化的工況，極端天氣條件下還會(huì)存在低溫啟動(dòng)困難的問(wèn)題。燃料電池汽車的運(yùn)行工況和使用環(huán)境的變化，致使車用燃料電池系統(tǒng)無(wú)法始終處于高效穩(wěn)定的工作區(qū)間內(nèi)運(yùn)行，須快速而準(zhǔn)確地控制其工作參數(shù)。此外，作為車用動(dòng)力源，燃料電池除滿足輸出功率的快速響應(yīng)性外，還須具備一定的耐久性。現(xiàn)階段提高燃料電池耐久性的研究主要聚焦在新型材料開發(fā)及關(guān)鍵部件優(yōu)化設(shè)計(jì)上。從燃料電池系統(tǒng)控制角度出發(fā)，對(duì)濕度變化、負(fù)載循環(huán)、啟/停循環(huán)等加速燃料電池衰退的主要因素進(jìn)行研究，而對(duì)運(yùn)行工作參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確控制，也可改善燃料電池的耐久性。

本文結(jié)構(gòu)如圖1所示，首先從燃料電池特性、影響耐久性參數(shù)及工作條件3方面對(duì)車用燃料電池進(jìn)行概述，然后介紹燃料電池系統(tǒng)的組成并綜述了燃料電池供氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、水/熱管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)及控制器硬件等，并討論燃料電池系統(tǒng)控制策略對(duì)耐久性的影響，重點(diǎn)分析對(duì)比各輔助子系統(tǒng)控制策略，介紹現(xiàn)階段常用的低溫啟動(dòng)方法，總結(jié)解決燃料電池汽車低溫啟動(dòng)問(wèn)題的研究成果及方向，最后展望車用燃料電池系統(tǒng)電控技術(shù)的發(fā)展方向。

圖1 本文結(jié)構(gòu)圖

1 車用燃料電池概述

1.1 燃料電池特性分析

燃料電池的能量轉(zhuǎn)換原理是：陽(yáng)極催化氫氣發(fā)生氧化反應(yīng)，陰極催化空氣發(fā)生還原反應(yīng)，產(chǎn)生氫離子和電子；質(zhì)子交換膜實(shí)際上是一種聚合物電解質(zhì)，氫離子在電解質(zhì)內(nèi)遷移，電子通過(guò)外電路做功并構(gòu)成電的回路，如圖2所示。

圖2 燃料電池發(fā)電原理圖

燃料電池與原電池和二次電池不同，當(dāng)向燃料電池內(nèi)不斷送入燃料及氧化劑時(shí)，可不斷地工作并提供電能，僅排出水和熱量，對(duì)環(huán)境不造成任何污染。兩個(gè)電極發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)方程式及總的化學(xué)反應(yīng)方程式如下。

陽(yáng)極反應(yīng)：

陰極反應(yīng)：

總的化學(xué)反應(yīng)：

圖3中極化曲線直觀地展現(xiàn)了燃料電池的電氣特性，即燃料電池的電壓隨電流密度的變化趨勢(shì)。電壓隨著電流密度的增加經(jīng)歷了活化極化、歐姆極化和濃差極化3個(gè)區(qū)域。為提升燃料電池耐久性、保證車用燃料電池系統(tǒng)高效穩(wěn)定運(yùn)行，應(yīng)盡量使其工作在歐姆極化區(qū)域。

圖3 燃料電池電氣特性圖

燃料電池單體的輸出電壓等于開路電壓減去極化損失，極化損失包括活化極化、歐姆極化和濃差極化等損耗，因此實(shí)際工作過(guò)程中燃料電池?zé)o法達(dá)到熱力學(xué)理論預(yù)計(jì)的電壓輸出。而燃料電池的開路電壓和極化損失又受到反應(yīng)氣體供給、工作溫度和電流密度等參數(shù)的影響，為維持電池穩(wěn)定的電壓輸出應(yīng)合理調(diào)節(jié)上述參數(shù)。

1.2 影響燃料電池耐久性的參數(shù)分析

汽車運(yùn)行工況復(fù)雜多變，車載條件下燃料電池負(fù)載不斷變化、催化劑活性降低、質(zhì)子交換膜性能衰減等原因均對(duì)電堆使用壽命產(chǎn)生影響，導(dǎo)致車用燃料電池系統(tǒng)服役時(shí)間短。在現(xiàn)有材料技術(shù)的基礎(chǔ)上，改進(jìn)陰/陽(yáng)極構(gòu)型，制定并優(yōu)化氫氣管理系統(tǒng)、空氣供給系統(tǒng)、水/熱管理系統(tǒng)控制策略，減少在不利條件下工作的時(shí)間，避免“氧饑餓”、“膜干”、“水淹”等現(xiàn)象的發(fā)生，實(shí)現(xiàn)在實(shí)際運(yùn)行環(huán)境中的全工況優(yōu)化管控，以達(dá)到提升車用燃料電池系統(tǒng)耐久性的目的。

在燃料電池啟動(dòng)和停機(jī)的過(guò)程中在陽(yáng)極出現(xiàn)的混合氣體是導(dǎo)致燃料電池性能衰退的最主要的因素。Reiser等提出了反向電流機(jī)理：當(dāng)燃料供應(yīng)不足或處于怠速工況運(yùn)行時(shí)，陽(yáng)極室會(huì)發(fā)生氫氣和氧氣共存現(xiàn)象，出現(xiàn)混合氣體從而形成局部氫/空界面，導(dǎo)致陰極局部區(qū)域出現(xiàn)高電位，加速催化劑碳載體的氧化腐蝕，從而影響燃料電池耐久性。同時(shí)怠速工況下低溫循環(huán)使質(zhì)子交換膜反復(fù)膨脹和收縮，產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力，造成膜電極的機(jī)械損傷，低負(fù)荷運(yùn)行會(huì)加速質(zhì)子交換膜的分解。變載工況下電位循環(huán)使催化劑Pt顆粒團(tuán)聚，有效催化面積減小，降低燃料電池的使用壽命。高負(fù)荷工況運(yùn)行時(shí)，燃料電池效率降低，電堆的發(fā)熱量甚至大于輸出功率，此時(shí)大功率放電導(dǎo)致質(zhì)子交換膜及催化劑層快速衰減。

當(dāng)燃料電池處于上述工況或在幾種工況之間頻繁切換時(shí)，不僅會(huì)直接損壞燃料電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)，而且還會(huì)造成燃料電池工作溫度、濕度、壓力的波動(dòng)等不穩(wěn)定現(xiàn)象的發(fā)生，對(duì)燃料電池造成進(jìn)一步的損害，影響燃料電池輸出功率和耐久性等。從燃料電池內(nèi)部來(lái)看，工作溫度、流量、濕度和壓力等運(yùn)行參數(shù)是影響燃料電池耐久性的系統(tǒng)因素，而質(zhì)子交換膜的厚度、結(jié)構(gòu)材料和催化劑等屬于本征因素，在燃料電池被制造時(shí)就已確定，無(wú)法通過(guò)電控技術(shù)改變。因此需要合適的電控技術(shù)控制系統(tǒng)因素，來(lái)提升燃料電池的耐久性。

控制脈沖壓力可以增強(qiáng)傳質(zhì)過(guò)程，緩解質(zhì)子交換膜性能的衰減，提升燃料電池性能與耐久性。高背壓和壓力波動(dòng)會(huì)影響燃料電池耐久性。燃料電池系統(tǒng)的電功率隨背壓的增加而增加，而相應(yīng)的空壓機(jī)的功耗也隨之增加。若電堆在高背壓下運(yùn)行時(shí)，液態(tài)水不能被廢氣及時(shí)帶走，會(huì)導(dǎo)致“水淹”現(xiàn)象的發(fā)生。

通過(guò)控制反應(yīng)氣體濕度可調(diào)節(jié)質(zhì)子交換膜的含水量。而濕度對(duì)燃料電池電堆性能的長(zhǎng)期影響表現(xiàn)在濕度對(duì)催化劑層結(jié)構(gòu)的破壞。水管理不當(dāng)會(huì)發(fā)生膜干或水淹現(xiàn)象。膜的脫水會(huì)增強(qiáng)歐姆極化，加劇碳載體腐蝕，降低催化劑活性，使燃料電池性能衰減；“水淹”則會(huì)導(dǎo)致燃料電池輸出電壓明顯下降。

合理調(diào)節(jié)燃料電池工作溫度可以改善燃料電池的耐久性，工作溫度過(guò)高不僅會(huì)導(dǎo)致質(zhì)子交換膜脫水、收縮甚至破裂，還會(huì)加速催化劑降解。此外，燃料電池電堆內(nèi)部的溫度分布不均勻、溫差過(guò)高會(huì)使流道內(nèi)出現(xiàn)局部冷凝現(xiàn)象，導(dǎo)致燃料電池性能惡化。Lim等研究不同運(yùn)行條件對(duì)碳載體腐蝕的影響。結(jié)果顯示，反應(yīng)氣體的濕度和溫度是加劇碳載體腐蝕的主要因素。

燃料電池的性能與其氣、水、熱的控制密切相關(guān)，當(dāng)催化劑層中水含量過(guò)多時(shí)，過(guò)量的水會(huì)沖淡反應(yīng)氣體的濃度，同時(shí)阻塞反應(yīng)區(qū)的氣體通道，造成水淹電極從而影響電池性能；而當(dāng)質(zhì)子交換膜中水含量過(guò)少時(shí)會(huì)引起質(zhì)子交換膜的質(zhì)子傳導(dǎo)能力下降，導(dǎo)致電池性能變差，因此需要合適的控制器及策略來(lái)提高燃料電池的性能。

1.3 燃料電池工作條件分析

燃料電池氫氣管理系統(tǒng)須控制陽(yáng)極壓力去跟蹤陰極壓力，使電堆陰陽(yáng)極之間的壓差維持在較小范圍內(nèi)，以保證組分的傳遞和質(zhì)子交換膜的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。氫過(guò)量系數(shù)須維持在1~2之間。氫過(guò)量系數(shù)過(guò)高，陰陽(yáng)極之間壓力差增大，質(zhì)子交換膜上產(chǎn)生應(yīng)力，進(jìn)而導(dǎo)致膜的壽命降低；氫過(guò)量系數(shù)過(guò)低導(dǎo)致氫饑餓，造成電流密度分布不平衡，電池性能衰退，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致反極現(xiàn)象的發(fā)生，直接影響電池的耐久性。

對(duì)于空氣供給系統(tǒng)，氧過(guò)量系數(shù)也須維持在1~2之間，氧過(guò)量系數(shù)過(guò)低會(huì)出現(xiàn)“氧饑餓”現(xiàn)象，導(dǎo)致質(zhì)子交換膜表面產(chǎn)生熱點(diǎn)，對(duì)膜造成不可逆的損傷；氧過(guò)量系數(shù)過(guò)高會(huì)出現(xiàn)“氧飽和”現(xiàn)象，導(dǎo)致空氣壓縮機(jī)功耗升高，降低燃料電池系統(tǒng)的效率。

燃料電池的工作溫度在一般在60~80℃附近，溫度過(guò)低催化劑活性降低，活化極化損失增大，甚至出現(xiàn)液態(tài)水，發(fā)生“水淹”現(xiàn)象；若散熱不及時(shí)，過(guò)高的溫度則會(huì)導(dǎo)致“膜干”，引起質(zhì)子交換膜降解，歐姆極化損失增加，極大地降低燃料電池發(fā)電效率。此外，冷卻水進(jìn)出口溫差須控制合理，將其維持在5~7 ℃之內(nèi)。

燃料電池工作過(guò)程中還要保證水電滲作用和擴(kuò)散作用速率的相等，以維持膜內(nèi)的水平衡，避免堵塞氣體通向催化劑層的通道。因此燃料電池應(yīng)工作在一定的溫度與濕度條件下，并維持一定的陰陽(yáng)極壓差及水平衡，以保證燃料電池高效穩(wěn)定運(yùn)行。

車用工況下負(fù)載不斷變化，燃料電池只能被動(dòng)響應(yīng)，不可避免地會(huì)處于不利的工況下運(yùn)行，引起工作溫度、反應(yīng)氣體流量、濕度和壓力等參數(shù)的劇烈波動(dòng)，甚至出現(xiàn)“氧饑餓”、“膜干”和“水淹”等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響車用燃料電池系統(tǒng)的穩(wěn)定性與使用壽命。在燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)中，合理的功率分配，可改善燃料電池系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，同時(shí)結(jié)合DC/DC變換器抑制紋波，防止燃料電池內(nèi)部水管理失效或發(fā)生饑餓現(xiàn)象，改善燃料電池耐久性。

2 車用燃料電池系統(tǒng)分析

2.1 燃料電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

典型的燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)通常包含多個(gè)動(dòng)力源，主要由燃料電池系統(tǒng)、車載儲(chǔ)能裝置、DC/DC變換器和驅(qū)動(dòng)電機(jī)及其控制系統(tǒng)等構(gòu)成，其中燃料電池發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示，除燃料電池電堆外，還包括氫氣管理系統(tǒng)、空氣供給系統(tǒng)、水/熱管理系統(tǒng)等一系列輔助子系統(tǒng)，以及功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)和硬件部分的控制器等。

圖4 典型燃料電池發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

燃料電池單體電池主要由膜電極組件和雙極板構(gòu)成。單體電池輸出電壓低、電流密度小，為獲得更高的電壓和功率，通常將多個(gè)單體電池串聯(lián)構(gòu)成燃料電池電堆。雙極板可將相鄰單體電池隔開，并為單體電池提供氣體流路。

氫氣管理系統(tǒng)中氫氣由壓力調(diào)節(jié)裝置降壓后進(jìn)入燃料電池電堆參與反應(yīng)，并根據(jù)流量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)電磁閥送入電堆的氫氣的壓力和流量，避免出現(xiàn)氫氣供給不足，未反應(yīng)的氫氣經(jīng)氫氣循環(huán)裝置送回電堆，以提高氫氣的利用率。

空氣供給系統(tǒng)中的空氣則經(jīng)空氣壓縮機(jī)增壓后送入燃料電池電堆，系統(tǒng)的發(fā)電量隨著空壓機(jī)工作壓力的增大而增大，然而空壓機(jī)功耗占燃料電池系統(tǒng)輸出功率的13%，占系統(tǒng)寄生功耗的90%。

燃料電池電堆工作時(shí)伴隨著大量的熱產(chǎn)生，冷卻水在水泵的作用下在燃料電池電堆內(nèi)部循環(huán)流動(dòng)，經(jīng)散熱器和冷卻風(fēng)扇進(jìn)行降溫，通過(guò)熱交換將部分熱量帶出堆外。熱管理系統(tǒng)根據(jù)溫度，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)水泵和冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，以控制冷卻水流量和溫度，從而達(dá)到散熱的目的。在燃料電池中，水管理與熱管理通常耦合在一起，水在氣室中的飽和壓力受溫度影響而呈指數(shù)增長(zhǎng)，這意味著高溫環(huán)境下質(zhì)子交換膜易脫水皺縮，甚至導(dǎo)致質(zhì)子交換膜破裂；液態(tài)水蒸發(fā)和水蒸氣冷凝分別伴隨著熱量的吸收和釋放。

為給負(fù)載提供穩(wěn)定的工作電壓，須對(duì)燃料電池電堆輸出功率進(jìn)行控制，根據(jù)發(fā)電系統(tǒng)內(nèi)部裝置所消耗功率和對(duì)外輸出功率的要求，通過(guò)DC/DC或DC/AC對(duì)電流、電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。

燃料電池系統(tǒng)控制器屬于整車智能控制系統(tǒng)中的一部分，須與整車控制器和上位機(jī)進(jìn)行通信。通信監(jiān)控系統(tǒng)的作用是記錄和保存運(yùn)行期間燃料電池系統(tǒng)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)。通過(guò)與整車控制器通信獲取當(dāng)前車輛的運(yùn)行信息，為各子系統(tǒng)的控制提供依據(jù)，利用上位機(jī)的組態(tài)軟件將數(shù)據(jù)直觀地顯示出來(lái)，方便研究人員進(jìn)行分析與調(diào)試。

2.2 燃料電池供氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

電控技術(shù)依賴于實(shí)際執(zhí)行器，隨著車用燃料電池系統(tǒng)的不斷發(fā)展，燃料電池供氣系統(tǒng)也逐步發(fā)展出新結(jié)構(gòu)。通過(guò)控制器、供氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等燃料電池系統(tǒng)硬件方面的改進(jìn)，適應(yīng)不斷提高的控制要求。傳統(tǒng)車用燃料電池系統(tǒng)空氣流路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為：在陰極入口處設(shè)有空氣濾清器、空氣壓縮機(jī)、加濕器等裝置，空氣經(jīng)過(guò)濾增壓和增濕等操作后泵入燃料電池電堆，并通過(guò)設(shè)置在陰極出口處的節(jié)氣門調(diào)節(jié)陰極壓力水平。為減小系統(tǒng)體積，提高冷啟動(dòng)性能，Xu等設(shè)計(jì)了一種具有陰極再循環(huán)系統(tǒng)的自增濕型燃料電池，取消外部加濕器，利用再循環(huán)閥將陰極側(cè)入口處的干燥空氣與濕潤(rùn)的廢氣混合后送入燃料電池電堆進(jìn)行反應(yīng)。結(jié)果表明，通過(guò)精確控制廢氣再循環(huán)率和運(yùn)行參數(shù)，所設(shè)計(jì)的陰極再循環(huán)式燃料電池系統(tǒng)與傳統(tǒng)燃料電池系統(tǒng)效率相當(dāng)。并在之后的研究中發(fā)現(xiàn)陰極再循環(huán)式燃料電池系統(tǒng)具有更好的增濕效果。

在車用燃料電池系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)了多種氫氣流路結(jié)構(gòu)，如氫氣死端模式、氫氣循環(huán)模式等不同的閉端技術(shù)，來(lái)回收未完全反應(yīng)的氫氣，以提高氫氣的利用率，優(yōu)化燃料電池陽(yáng)極水管理，提升燃料電池的性能和壽命。

氫氣死端模式是通過(guò)對(duì)陽(yáng)極出口進(jìn)行封堵以增加燃料電池電堆的運(yùn)行壓力，同時(shí)提高氫氣的利用率。然而，在燃料電池系統(tǒng)正常工作的過(guò)程中，由于陽(yáng)極出口處于關(guān)閉狀態(tài)，極易導(dǎo)致陽(yáng)極側(cè)發(fā)生“水淹”，并且造成雜質(zhì)在陽(yáng)極側(cè)聚集，影響使用壽命。因此，該操作模式難以滿足車用燃料電池系統(tǒng)耐久性與可靠性的使用要求，難以進(jìn)行商業(yè)化應(yīng)用。為使燃料電池處于穩(wěn)定的水、氣平衡狀態(tài)，保證其高效運(yùn)行，常采用氫氣循環(huán)方案。不同氫氣循環(huán)方案技術(shù)的對(duì)比見表1。

表1 氫氣循環(huán)方案技術(shù)對(duì)比

氫氣循環(huán)方案是未來(lái)主流的技術(shù)發(fā)展方向，通過(guò)氫氣的循環(huán)再利用不僅提高了燃料經(jīng)濟(jì)性，而且可使氫氣和水分均勻分布在燃料電池電堆內(nèi)部，優(yōu)化陽(yáng)極側(cè)水管理，延長(zhǎng)燃料電池的使用壽命。目前商業(yè)化裝車應(yīng)用較為廣泛的是單氫氣循環(huán)泵循環(huán)方案和單引射器循環(huán)方案。為解決氫氣循環(huán)泵寄生功耗高等問(wèn)題，開發(fā)結(jié)構(gòu)緊湊、性能高、功耗低的氫氣循環(huán)泵是未來(lái)技術(shù)發(fā)展方向。針對(duì)低功率下引射器工作效果不佳、穩(wěn)定性差等問(wèn)題，可通過(guò)優(yōu)化結(jié)構(gòu)等方式提高引射性能，擴(kuò)大工作范圍，進(jìn)而保證氫氣循環(huán)的效果。在未來(lái)高性能車用燃料電池系統(tǒng)中，應(yīng)采用氫氣循環(huán)泵或引射器多級(jí)循環(huán)裝置并聯(lián)的氫氣循環(huán)方案，同時(shí)引入智能控制策略，解決多級(jí)循環(huán)裝置間匹配與協(xié)同工作問(wèn)題，這有望提升車用燃料電池系統(tǒng)的綜合性能。

2.3 燃料電池水/熱管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

通過(guò)對(duì)流場(chǎng)的形狀、尺寸、布置等方面的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和參數(shù)優(yōu)化可改進(jìn)系統(tǒng)水管理性能，但相應(yīng)地這些改進(jìn)措施也在一定程度上增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性與成本。對(duì)于水管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)主要可以從增濕與排水兩方面入手，同時(shí)結(jié)合熱管理技術(shù)促進(jìn)液態(tài)水的蒸發(fā)并減小氣態(tài)水的冷凝。

燃料電池汽車啟動(dòng)時(shí)，電堆溫度低，冷卻液不經(jīng)散熱器進(jìn)行小循環(huán)從而使電堆溫度快速上升，當(dāng)電堆溫度上升至合適工作溫度后，冷卻液經(jīng)過(guò)散熱器進(jìn)行大循環(huán)降低電堆溫度。通過(guò)節(jié)溫器可以根據(jù)冷卻液溫度調(diào)節(jié)進(jìn)入散熱器的水量，其布置又分為一進(jìn)兩出和兩進(jìn)一出兩種結(jié)構(gòu)形式，二者的不同之處在于節(jié)溫器布置在散熱器的上游或下游。一進(jìn)兩出的布置形式，溫度響應(yīng)迅速，冷卻液溫度低；兩進(jìn)一出的布置形式，對(duì)水溫的控制相對(duì)延遲，可減小冷熱沖擊。

2.4 燃料電池功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

受內(nèi)部材料活性及外部負(fù)載變化的影響，燃料電池輸出范圍較寬。同時(shí)燃料電池需要一定的電化學(xué)反應(yīng)時(shí)間完成能量的轉(zhuǎn)換，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度較慢，無(wú)法滿足復(fù)雜多變的汽車運(yùn)行工況下的功率輸出需求。由于燃料電池自身不能作為儲(chǔ)能裝置，大多數(shù)車用燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)均配有蓄電池、超級(jí)電容等車載儲(chǔ)能裝置。為保證燃料電池高效安全穩(wěn)定地向負(fù)載供電，緩解車載狀態(tài)下燃料電池性能衰減，可采用能量管理和功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行功率控制，通過(guò)DC/DC變換器對(duì)電流電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，提供符合使用要求的功率輸出，實(shí)現(xiàn)車用燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)功率分配，提高燃料電池汽車整車效率。

DC/DC變換器可將燃料電池輸出的直流電能轉(zhuǎn)化為負(fù)載所需的電壓或者電流可控的直流電能，通過(guò)DC/DC變換器進(jìn)行功率控制，使燃料電池輸出穩(wěn)定、高質(zhì)量的電流，從而起到改善燃料電池耐久性的作用。常用分類標(biāo)準(zhǔn)中按是否有變壓器將DC/DC變換器拓?fù)錂C(jī)構(gòu)分為隔離型和非隔離型兩類。其中，非隔離型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)開關(guān)器件少、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉。但單極拓?fù)錂C(jī)構(gòu)受限于增益比，在車用燃料電池系統(tǒng)等大功率應(yīng)用場(chǎng)景中，隨著增益比增加其轉(zhuǎn)換效率逐漸降低。隔離型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中引入高頻變壓器實(shí)現(xiàn)高低壓側(cè)的電氣隔離，在提高安全性的同時(shí)增大了變換范圍。但由于體積的增大與損耗增加等原因，降低了系統(tǒng)功率密度，同時(shí)高效大功率高頻變壓器也面臨設(shè)計(jì)難度大、制作工藝復(fù)雜等問(wèn)題。

2.5 燃料電池控制器

車用燃料電池系統(tǒng)的特點(diǎn)就是負(fù)載不斷變化，頻繁經(jīng)歷啟停工況、變載工況、怠速工況和高負(fù)荷工況，極端運(yùn)行條件下甚至面臨低溫啟動(dòng)困難問(wèn)題。為了使內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)根據(jù)不同工況的輸出需求進(jìn)行，通過(guò)燃料電池系統(tǒng)控制器完成各種控制。控制器的優(yōu)劣決定了燃料電池電堆的使用性能、安全性和壽命。燃料電池系統(tǒng)控制器硬件設(shè)計(jì)方案一般有集中式控制和分布式控制兩種。

集中式控制設(shè)計(jì)方案，即所有信號(hào)都匯聚到一塊主板上，控制信號(hào)也從主板發(fā)出，所有模塊之間可以直接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。但這種控制方案具有主板運(yùn)算量大、擴(kuò)展與升級(jí)難度大等缺點(diǎn)。

胡佳麗以STM32芯片為核心進(jìn)行燃料電池系統(tǒng)控制器的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)多路模擬信號(hào)采集、多路控制信號(hào)輸出、通信和報(bào)警等功能，并驗(yàn)證了控制器的有效性。潘瑞則以飛思卡爾汽車級(jí)16位微處理器MC9S12XEP100為核心，結(jié)合電源、傳感器模塊和外圍電路完成燃料電池系統(tǒng)控制器的硬件設(shè)計(jì)；軟件設(shè)計(jì)方面，分別基于μC/OS II操作系統(tǒng)和MATLAB/Simulink完成底層軟件與應(yīng)用層軟件的開發(fā)；設(shè)置多個(gè)CAN總線接口，實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)及單體電壓檢測(cè)模塊通信；此外，基于模塊化設(shè)計(jì)方法采用LabVIEW建立燃料電池通信與監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)燃料電池系統(tǒng)工作過(guò)程中的各項(xiàng)參數(shù)。智能化與網(wǎng)聯(lián)化技術(shù)為新能源汽車發(fā)展賦能，電控單元集成化發(fā)展的趨勢(shì)推動(dòng)域控制的實(shí)現(xiàn)，將汽車電子按域劃分，利用中央網(wǎng)關(guān)及高性能處理器等軟硬件設(shè)備，在傳感器等設(shè)備逐漸增多、系統(tǒng)架構(gòu)逐漸復(fù)雜的情況下保證汽車安全、可靠運(yùn)行。

分布式控制設(shè)計(jì)方案，則將控制信號(hào)和測(cè)量信號(hào)分開，采用多個(gè)獨(dú)立的控制器分別控制各輔助子系統(tǒng)。但這種控制方案會(huì)因?yàn)閮蓚€(gè)或多個(gè)板之間進(jìn)行通信而造成延時(shí)，從而導(dǎo)致無(wú)法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，影響控制效果。

李正輝等以飛思卡爾MPC5634為控制器核心，完成控制器模塊各種器件的通信。對(duì)燃料電池系統(tǒng)各輔助子系統(tǒng)進(jìn)行控制。陳尚云等以32位DSP芯片TMS320F2812為控制器核心，根據(jù)傳感器及控制對(duì)象信號(hào)進(jìn)行接口模塊和控制器硬件的設(shè)計(jì)，并利用CAN通信模塊實(shí)現(xiàn)與上層控制器的通信。宋英睿等以嵌入式芯片PIC16F876A?I/SP為控制系統(tǒng)核心，將控制器分為主控模塊、電壓檢測(cè)模塊、監(jiān)控模塊和顯示模塊4部分，并完成硬件設(shè)計(jì)。董超等以STM32F103單片機(jī)作為控制器核心，設(shè)計(jì)了由單體電壓采集模塊、混合動(dòng)力模塊、控制器模塊3部分組成的控制器硬件系統(tǒng)。配合所設(shè)計(jì)的控制策略實(shí)現(xiàn)對(duì)燃料電池系統(tǒng)的啟動(dòng)、運(yùn)行和關(guān)機(jī)的控制。

DSP、PIC、MPC等芯片系列運(yùn)算能力強(qiáng)，能夠處理的數(shù)據(jù)量大，并保證較高的數(shù)據(jù)處理速度，能夠滿足燃料電池控制器的工作要求。針對(duì)輸入輸出信號(hào)通道多且控制算法復(fù)雜的燃料電池系統(tǒng)，集中式控制不同模塊間可直接進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，但不易實(shí)現(xiàn)模型解耦，控制器開發(fā)難度高；目前控制器硬件多采用分布式設(shè)計(jì)思想，各子系統(tǒng)能夠獨(dú)立開發(fā)調(diào)試，但分布式控制對(duì)實(shí)時(shí)性、數(shù)據(jù)監(jiān)控、故障診斷和數(shù)據(jù)傳輸?shù)纫蟾撸掖嬖诰€束冗雜等問(wèn)題，不利于燃料電池系統(tǒng)集成化。隨著汽車智能化任務(wù)增多，車輛電子元件數(shù)量逐漸增加，域控制器使分布式架構(gòu)向集成式架構(gòu)的轉(zhuǎn)變成為可能。

3 車用燃料電池系統(tǒng)控制策略

燃料電池系統(tǒng)是一種典型的強(qiáng)耦合、強(qiáng)滯后的非線性系統(tǒng)，存在建模困難、計(jì)算量大等問(wèn)題。許多學(xué)者對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行了研究，在權(quán)衡誤差及計(jì)算量的基礎(chǔ)上對(duì)燃料電池系統(tǒng)進(jìn)行控制以提升燃料電池的耐久性。當(dāng)燃料供應(yīng)不足時(shí)，控制器通過(guò)控制氫氣循環(huán)泵轉(zhuǎn)速或氫氣控制閥的開度增大燃料供給；當(dāng)氧氣供給不足時(shí)，可提高循環(huán)泵轉(zhuǎn)速，增加進(jìn)入電堆的空氣量；燃料電池溫度過(guò)高時(shí)，通過(guò)提高風(fēng)扇轉(zhuǎn)速增加散熱量，溫度過(guò)低時(shí)則可結(jié)合燃料電池冷卻水的大小循環(huán)提高燃料電池溫度；當(dāng)燃料燃料電池內(nèi)部水分過(guò)少，出現(xiàn)“膜干”等現(xiàn)象時(shí)，可利用增濕器增加水蒸氣；水分過(guò)多，甚至發(fā)生“水淹”的情況下，則可及時(shí)打開排氣閥將多余的水分、雜質(zhì)排出；燃料電池工作在啟停、怠速、變載、高負(fù)荷等工況時(shí)，可通過(guò)功率控制、能量管理，利用儲(chǔ)能裝置補(bǔ)充燃料電池不足的功率，縮短燃料電池處于上述工況的時(shí)間。根據(jù)燃料電池的運(yùn)行狀態(tài)，通過(guò)合適的控制策略在上述不利于燃料電池耐久性的情況下能快速、穩(wěn)定地響應(yīng)，將狀態(tài)調(diào)節(jié)到正常范圍內(nèi)并具有一定的抗干擾能力。

現(xiàn)階段燃料電池系統(tǒng)控制器采用簡(jiǎn)單的邏輯控制策略實(shí)現(xiàn)燃料電池系統(tǒng)的掃氣、啟動(dòng)、運(yùn)行和關(guān)機(jī)等流程。根據(jù)燃料電池系統(tǒng)在不同工作狀態(tài)下的功能要求制定對(duì)應(yīng)的控制策略。這種控制策略雖然能保證燃料電池新系統(tǒng)正常工作，但是無(wú)法達(dá)到延長(zhǎng)燃料電池電堆使用壽命的目的。因此，在全面了解不同參數(shù)對(duì)燃料電池耐久性影響的基礎(chǔ)上，以提升燃料電池耐久性為目的，研究各輔助子系統(tǒng)控制策略。

3.1 氫氣管理系統(tǒng)控制策略

燃料電池系統(tǒng)性能與氫氣管理系統(tǒng)密切相關(guān)。利用泵對(duì)氫氣進(jìn)行再循環(huán)可以提高氫氣利用率，改善燃料電池系統(tǒng)性能；但為避免陰極擴(kuò)散到陽(yáng)極的雜質(zhì)稀釋氫氣，從而對(duì)燃料電池功率、內(nèi)部結(jié)構(gòu)等造成影響。Lee等提出了一種陽(yáng)極循環(huán)結(jié)構(gòu)及其控制策略，在循環(huán)回路上安裝兩個(gè)閥門，陽(yáng)極能夠在死端、再循環(huán)、壓縮、吹掃4種模式下工作，并根據(jù)電流密度切換工作模式，可以有效延長(zhǎng)燃料電池工作時(shí)間。Tong等利用滑模控制實(shí)現(xiàn)電池系統(tǒng)的輸出跟蹤控制，利用積分控制消除穩(wěn)態(tài)誤差，通過(guò)控制氫氣質(zhì)量流量計(jì)或空氣質(zhì)量流量計(jì)的電壓調(diào)節(jié)電堆輸出電壓，避免了傳統(tǒng)控制下電流無(wú)法及時(shí)跟蹤負(fù)載變化造成的電堆水淹、缺氫、缺氧等現(xiàn)象。Liu等考慮氫氣系統(tǒng)中的氮?dú)怆s質(zhì)，提出一種基于氮?dú)鉂舛扔^測(cè)的陽(yáng)極吹掃方案，根據(jù)陽(yáng)極氮濃度確定吹掃間隔時(shí)間及持續(xù)時(shí)間，將氫利用率提高到99%，并改善了燃料電池的耐久性。Ye等設(shè)計(jì)一種模糊控制器應(yīng)用于氫氣管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)氫氣壓力調(diào)節(jié)，并與傳統(tǒng)PID控制器進(jìn)行比較，模糊控制器可解決在負(fù)荷變化時(shí)氫氣壓力劇烈波動(dòng)問(wèn)題，且性能優(yōu)于傳統(tǒng)PID控制器。He等在分段線性化模型的基礎(chǔ)上為氫氣循環(huán)系統(tǒng)提出了一種切換模型預(yù)測(cè)控制方案，預(yù)測(cè)回流歧管壓力與泵的角速度，在負(fù)載變化的情況下仍具有較快的響應(yīng)速度和跟蹤精度，避免陽(yáng)極組件的退化，保證燃料電池高效穩(wěn)定運(yùn)行。

3.2 空氣供給系統(tǒng)控制策略

燃料電池空氣供給系統(tǒng)是高度非線性的多輸入多輸出耦合動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，由于空氣流量與進(jìn)氣壓力耦合性較強(qiáng)，直接控制難度較大，傳統(tǒng)控制策略效果不佳。有必要采用合適的控制策略實(shí)現(xiàn)空氣供應(yīng)的流量和壓力的優(yōu)化協(xié)調(diào)控制，從而使燃料電池系統(tǒng)獲得良好的動(dòng)靜態(tài)特性，提升其使用壽命。為此，Zhao等基于自抗擾控制提出了一種動(dòng)態(tài)擾動(dòng)解耦控制策略用于控制離心式壓縮機(jī)，同時(shí)調(diào)節(jié)質(zhì)量流量和氣體壓力，比傳統(tǒng)的PID控制策略具有更好的輸出特性；而Liu等采用復(fù)合前饋PID控制策略實(shí)現(xiàn)空氣壓縮機(jī)的動(dòng)態(tài)控制，在燃料電池輸出電流階躍變化的過(guò)程中，空氣壓縮機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間明顯縮短且波動(dòng)較小，有效避免了負(fù)載變化時(shí)“氧饑餓”現(xiàn)象的發(fā)生，延長(zhǎng)燃料電池使用壽命；Ou等則將模糊控制策略與傳統(tǒng)PID控制策略相結(jié)合，開發(fā)了一種前饋模糊PID控制策略，實(shí)現(xiàn)氧過(guò)量系數(shù)的控制，仿真結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的控制器可有效調(diào)節(jié)燃料電池輸出電流突變時(shí)的氧過(guò)量系數(shù)并降低了空氣壓縮機(jī)寄生功耗，避免“氧饑餓”與“氧飽和”現(xiàn)象的發(fā)生，提升燃料電池系統(tǒng)效率的同時(shí)延長(zhǎng)其使用壽命。此外，模糊控制不依賴于精確的數(shù)學(xué)模型，適合于的復(fù)雜動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。為賦予控制器更強(qiáng)的自適應(yīng)能力，引入自適應(yīng)控制算法，有利于改善穩(wěn)定性與魯棒性。周蘇等針對(duì)前饋補(bǔ)償解耦控制策略的缺點(diǎn)，增加自適應(yīng)查表算法，提出一種自適應(yīng)解耦控制策略，改進(jìn)后的控制策略可有效提升空氣壓縮機(jī)響應(yīng)速度并優(yōu)化進(jìn)入燃料電池電堆空氣流量的控制效果。Deng等提出了一種自適應(yīng)滑模控制策略，調(diào)節(jié)空氣供給系統(tǒng)氧過(guò)量系數(shù)，所設(shè)計(jì)的控制器抗干擾性、魯棒性和系統(tǒng)響應(yīng)方面均優(yōu)于傳統(tǒng)滑模控制器。Na等基于所建立的非線性模型設(shè)計(jì)了一種非線性控制器實(shí)現(xiàn)陰陽(yáng)極之間氣體壓差、相對(duì)濕度的控制，以延長(zhǎng)燃料電池使用壽命。Jiang等提出了一種基于觀測(cè)器的模型預(yù)測(cè)控制策略，無(wú)需空氣流量傳感器，即可實(shí)現(xiàn)氧過(guò)量系數(shù)控制，且具有更好的抗干擾性能。

表2對(duì)氫氣管理系統(tǒng)和空氣供給系統(tǒng)的控制策略進(jìn)行了比較。根據(jù)控制目標(biāo)的不同，經(jīng)典控制策略和智能控制策略在氫氣管理系統(tǒng)和空氣供給系統(tǒng)中均有應(yīng)用。但這些控制策略在控制精度、響應(yīng)速度、抗干擾性和魯棒性等方面存在一定的差異。傳統(tǒng)PID控制策略具有簡(jiǎn)單易用、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，能夠改善燃料電池輸出性能，提升燃料電池耐久性。但其響應(yīng)速度慢，對(duì)于強(qiáng)耦合、非線性的氫氣管理系統(tǒng)和空氣供給系統(tǒng)控制效果差；模型預(yù)測(cè)控制對(duì)于約束、變量較多的系統(tǒng)有較好的控制效果，但它面臨計(jì)算量大的問(wèn)題，實(shí)時(shí)控制器的開發(fā)難度較大；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制具有很強(qiáng)的非線性擬合能力，可提升系統(tǒng)的響應(yīng)速度，但它需要大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，且控制器性能還與訓(xùn)練數(shù)據(jù)的質(zhì)量相關(guān)，數(shù)據(jù)量不足或質(zhì)量不高會(huì)導(dǎo)致控制效果不佳；滑模控制可以克服系統(tǒng)的不確定性，適用于非線性系統(tǒng)控制，但是它存在抖振現(xiàn)象，在一定程度上限制了滑模控制的應(yīng)用。燃料電池氫氣管理與空氣供給系統(tǒng)的控制目標(biāo)除滿足快速響應(yīng)和穩(wěn)定性外，還須考慮控制策略的抗干擾性、車用燃料電池系統(tǒng)燃料經(jīng)濟(jì)性和使用壽命。智能控制策略比經(jīng)典控制策略有更好的適用性，是控制策略發(fā)展的前瞻方向。此外，為應(yīng)對(duì)車用燃料電池系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展需求，引入了新的功能性部件，形成了不同的構(gòu)型，針對(duì)新的構(gòu)型提出對(duì)應(yīng)的智能化控制策略是今后的研究方向。

表2 氫氣管理系統(tǒng)和空氣供給系統(tǒng)控制策略比較

3.3 水/熱管理系統(tǒng)控制策略

燃料電池水管理指維持電池內(nèi)的水平衡在最佳狀態(tài)，其措施是對(duì)燃料電池電堆內(nèi)部進(jìn)行增濕并及時(shí)排出多余的液態(tài)水，避免膜干和水淹現(xiàn)象發(fā)生，主要包括增濕和排水兩個(gè)方面。

燃料電池的增濕方法可以分為外部增濕、內(nèi)部增濕和自增濕3種。利用水蒸氣隨反應(yīng)氣體一起進(jìn)入燃料電池電堆的簡(jiǎn)單外部增濕，適用于進(jìn)氣流速小的燃料電池系統(tǒng)，將液態(tài)水直接注入燃料電池電堆進(jìn)行增濕的濕化法其補(bǔ)償能力更強(qiáng)，可同時(shí)冷卻電極，但可能會(huì)堵塞氫氣流道，引發(fā)催化劑表面毒化。利用水在滲透膜中的濃差擴(kuò)散的滲透膜法，或采用多孔碳板構(gòu)成氣體通道，通過(guò)碳板孔隙加濕反應(yīng)氣體的內(nèi)部增濕方法，無(wú)需獨(dú)立增濕裝置，增濕器和燃料電池電堆構(gòu)成一個(gè)整體，降低了系統(tǒng)復(fù)雜度，但也增大了電堆體積。壓力遷移自增濕法通過(guò)提升陰極氣室壓力，使陰極生成的水向陽(yáng)極遷移，但提升氣室壓力對(duì)電堆的密封性和質(zhì)子交換膜強(qiáng)度提出了較高的要求。Pt?PEM膜自增濕法利用Pt顆粒催化擴(kuò)散到膜內(nèi)部的氫氣和氧氣發(fā)生反應(yīng)生成水對(duì)膜進(jìn)行增濕，具有良好的增濕效果，但是可能會(huì)導(dǎo)致H穿過(guò)質(zhì)子交換膜直接到達(dá)陰極。

燃料電池工作溫度低于100℃，所以反應(yīng)生成的水以液態(tài)水的形式存在。液態(tài)水的積累會(huì)導(dǎo)致傳質(zhì)過(guò)程受阻、淹沒催化劑活性點(diǎn)、質(zhì)子交換膜電導(dǎo)率下降等問(wèn)題。目前開發(fā)出的排水方法有靜態(tài)排水和動(dòng)態(tài)排水兩種。靜態(tài)排水是利用材料的毛細(xì)作用將液態(tài)水排出；動(dòng)態(tài)排水法則是利用尾氣吹掃方法將液態(tài)水排出。

燃料電池?zé)峁芾硌芯績(jī)?nèi)容是電池內(nèi)熱量的生成與傳遞、溫度場(chǎng)分布和冷卻方式，目的是促使整個(gè)電池溫度場(chǎng)分布均勻，現(xiàn)階段熱管理系統(tǒng)無(wú)法完全覆蓋全工況范圍，當(dāng)燃料電池溫度升高，熱管理系統(tǒng)提供的散熱量有限，可結(jié)合控制策略限制功率輸出，以提高整車耐久性。

鄭文杰等利用燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)模型計(jì)算不同工況下電堆的出水溫度，有利于整車熱管理的優(yōu)化設(shè)計(jì)。Saygili等基于水/熱管理系統(tǒng)半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停梅答丳I控制策略控制轉(zhuǎn)速，以達(dá)到最佳的溫度控制效果。Ou等提出一種多輸入多輸出模糊控制器，控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速使溫度保持在合適的范圍內(nèi)，利用加濕器對(duì)入口處的氫氣進(jìn)行加濕以控制膜的含水量。童正明等建立了一套三維模糊控制策略實(shí)現(xiàn)對(duì)燃料電池系統(tǒng)溫度的控制，并進(jìn)行極端工況性能測(cè)試，結(jié)果表明，該散熱系統(tǒng)可滿足散熱需求，溫度控制效果良好。Wang等建立了一個(gè)多變量燃料電池系統(tǒng)模型，結(jié)合魯棒控制和PID控制的優(yōu)點(diǎn)，提出了一種魯棒PID控制策略應(yīng)用于冷卻系統(tǒng)。Chatrattanawet等分析輸入?yún)?shù)對(duì)燃料電池電堆溫度的影響，提出了一種基于線性時(shí)變模型的模型預(yù)測(cè)控制和離線魯棒模型預(yù)測(cè)控制策略實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的控制。Han等針對(duì)燃料電池模型參數(shù)的不確定性問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種包含模型參考自適應(yīng)反饋控制器，對(duì)燃料電池電堆和冷卻水入口處溫度進(jìn)行魯棒控制。Huang等針對(duì)變載工況產(chǎn)生的溫度急劇變化現(xiàn)象所導(dǎo)致的燃料電池性能衰減問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種自適應(yīng)控制策略控制冷卻水流量，控制策略的控制精度與適應(yīng)能力均優(yōu)于PI控制策略。表3分別對(duì)基于誤差和基于模型的熱管理相關(guān)控制策略進(jìn)行了對(duì)比分析，展示了不同策略的特點(diǎn)。

表3 面向耐久性提升的熱管理系統(tǒng)控制策略比較

燃料電池水/熱管理系統(tǒng)具有很強(qiáng)的耦合性，水管理與熱管理并非單獨(dú)作用。為有效控制燃料電池的工作溫度，保證其平穩(wěn)運(yùn)行，須聯(lián)合控制多個(gè)功能性部件，而各部件在響應(yīng)速度和控制范圍等方面均存在一定差異，在動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)過(guò)程中控制難度較大。傳統(tǒng)的控制策略雖然可以應(yīng)用于水/熱管理系統(tǒng)中，但響應(yīng)速度慢，無(wú)法在短時(shí)間內(nèi)使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)；而模型預(yù)測(cè)控制穩(wěn)定時(shí)間短，振蕩次數(shù)少，但它在實(shí)際應(yīng)用中需要較長(zhǎng)的在線計(jì)算時(shí)間進(jìn)行優(yōu)化算法的選擇；模糊控制是一種非線性智能控制策略，尤其適用于復(fù)雜非線性系統(tǒng)的控制，但它缺乏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程，理論分析困難。當(dāng)前控制策略大多針對(duì)單方面的影響因素，在設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)其他因素進(jìn)行理想化假設(shè)。雖然可達(dá)到預(yù)期的控制效果，但忽略了各參數(shù)之間的耦合關(guān)系，因此，考慮多種影響因素實(shí)現(xiàn)優(yōu)化控制將是今后研究的一個(gè)熱點(diǎn)，具有更高的工程實(shí)踐價(jià)值。

3.4 燃料電池功率控制策略

現(xiàn)階段，車用燃料電池技術(shù)尚未真正成熟，核心技術(shù)還有待突破。若僅采用燃料電池作為單一動(dòng)力源，無(wú)法滿足車輛啟停、變載、怠速、高負(fù)荷等頻繁變化工況下的功率需求。因此常引入蓄電池、超級(jí)電容等車載儲(chǔ)能裝置構(gòu)成電?電混合動(dòng)力系統(tǒng)應(yīng)用于燃料電池汽車，針對(duì)不同的車用工況，通過(guò)能量分配、功率控制等手段彌補(bǔ)燃料電池功率的不足，并通過(guò)功率調(diào)節(jié)與優(yōu)化，進(jìn)而減少燃料電池的不利運(yùn)行狀態(tài)，降低負(fù)載對(duì)燃料電池的沖擊，提高車輛整體的響應(yīng)速度，同時(shí)配合制動(dòng)能量的回收，提高能量利用率。

為避免燃料電池輸出功率的頻繁變化，可采用頻率分離的能量分配方法在兩個(gè)動(dòng)力源之間對(duì)功率需求進(jìn)行分配，將功率的低頻分量分配給燃料電池，高頻分量分配給儲(chǔ)能裝置，這樣可有效改善燃料電池的耐久性。考慮到燃料電池動(dòng)態(tài)輸出能力弱，以蓄電池和超級(jí)電容作為輔助儲(chǔ)能裝置補(bǔ)充動(dòng)力系統(tǒng)大功率需求，使燃料電池在車輛運(yùn)行過(guò)程中平穩(wěn)輸出，提出的分級(jí)優(yōu)化能量管理策略可基于電機(jī)功率需求、荷電狀態(tài)等實(shí)現(xiàn)燃料電池功率跟隨控制，減少燃料電池變載、開關(guān)機(jī)次數(shù)，保證燃料電池的耐久性。Zhou 等提出的基于模型預(yù)測(cè)控制的多模式能量管理策略，對(duì)多種工況下的功率需求可進(jìn)行有效分配，可有效改善燃料電池的動(dòng)態(tài)性能，并減少氫氣消耗量，改善經(jīng)濟(jì)性。

為保證燃料電池輸出功率滿足整車動(dòng)力系統(tǒng)功率需求，需要DC/DC變換器良好的配合。周盟在所建立的預(yù)測(cè)模型基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了模型預(yù)測(cè)控制器，與PI控制器進(jìn)行對(duì)比具有更好的動(dòng)態(tài)與穩(wěn)態(tài)性能，所設(shè)計(jì)的DC/DC變換器采用了兩級(jí)式結(jié)構(gòu)，能夠有效抑制電流紋波，改善燃料電池耐久性。Suh等對(duì)裝有壓縮機(jī)和DC/DC轉(zhuǎn)換器的燃料電池系統(tǒng)進(jìn)行了建模和分析，并設(shè)計(jì)了兩個(gè)獨(dú)立的基于模型的控制器來(lái)調(diào)節(jié)壓縮機(jī)和DC/DC，同時(shí)設(shè)計(jì)了一個(gè)協(xié)調(diào)控制器，對(duì)兩個(gè)控制器進(jìn)行通信協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)了大功率范圍內(nèi)的功率控制。馮興田等結(jié)合燃料電池堆的極化特性曲線計(jì)算最優(yōu)輸出功率對(duì)應(yīng)的燃料電池系統(tǒng)工作電流，通過(guò)燃料電池系統(tǒng)側(cè)的DC/DC變換器追蹤參考電流，使得燃料電池系統(tǒng)輸出最優(yōu)功率。DC/DC變換器旨在控制燃料電池的輸出功率，同時(shí)確保燃料電池的電流紋波維持在一個(gè)較低的水平，以延緩燃料電池性能的衰減。

4 結(jié)論

綜合考慮車用燃料電池系統(tǒng)電控技術(shù)中存在的問(wèn)題和當(dāng)前的發(fā)展趨勢(shì)，簡(jiǎn)述了燃料電池工作條件和影響燃料電池耐久性的相關(guān)因素。綜述了現(xiàn)階段燃料電池供氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、水/熱管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)和控制器硬件，并從控制目標(biāo)、控制方式、優(yōu)缺點(diǎn)等方面對(duì)各輔助子系統(tǒng)控制策略進(jìn)行對(duì)比分析。

陰/陽(yáng)極構(gòu)型方面，氫氣供給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需考量方案效率、成本、控制難度、系統(tǒng)復(fù)雜度和技術(shù)成熟度等多方面因素。氫氣循環(huán)泵與引射器是氫氣循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案中的核心部件，若在系統(tǒng)中同時(shí)引入氫氣循環(huán)泵與引射器，則面臨二者協(xié)同工作的問(wèn)題。未來(lái)可通過(guò)開發(fā)高性能、低功耗的氫氣循環(huán)泵和優(yōu)化引射器結(jié)構(gòu)等方式提高車用燃料電池系統(tǒng)綜合性能，針對(duì)多級(jí)循環(huán)裝置間匹配與協(xié)同工作問(wèn)題，可向此方案中引入智能控制策略，擴(kuò)大運(yùn)行工況范圍，保證其運(yùn)行過(guò)程中的穩(wěn)定性。此外，受限于車用燃料電池輸出特性偏弱、動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢、能量單向流動(dòng)等缺點(diǎn)，整車動(dòng)力系統(tǒng)常引入蓄電池、超級(jí)電容等儲(chǔ)能裝置，通過(guò)能量分配、功率控制等手段縮短燃料電池處于不利運(yùn)行狀態(tài)下的時(shí)間，延緩燃料電池性能的衰減，滿足頻繁變化工況下耐久性的要求。

控制器硬件設(shè)計(jì)方面目前多采用分布式控制，控制信號(hào)與測(cè)量信號(hào)分離，子系統(tǒng)能夠進(jìn)行獨(dú)立開發(fā)調(diào)試，但線束冗雜不利于燃料電池系統(tǒng)集成。集中式硬件設(shè)計(jì)方案，模塊間可直接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，但面對(duì)復(fù)雜的控制算法，實(shí)現(xiàn)難度高，未來(lái)結(jié)合域控制器的集成化控制或可改進(jìn)現(xiàn)有集中式設(shè)計(jì)方案的不足。

車用燃料電池系統(tǒng)的控制目標(biāo)除滿足功率的快速響應(yīng)外，還須考慮控制策略對(duì)燃料電池耐久性的影響。現(xiàn)階段燃料電池系統(tǒng)控制器多采用簡(jiǎn)單的邏輯控制策略，但對(duì)提升燃料電池的耐久性不利。基于模型的控制策略如模型預(yù)測(cè)控制、智能控制等對(duì)具有非線性、強(qiáng)耦合特性的燃料電池系統(tǒng)有更好的適用性，具有較大的發(fā)展?jié)摿Γ彩俏磥?lái)控制策略的發(fā)展方向。