基于MotoTron 平臺(tái)的燃料電池共軌噴射系統(tǒng)的研發(fā)

何 雍，李亞超，吳 兵，王丙龍，王鴻鵠

(上海汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司新能源和技術(shù)管理部，上海 201804)

前言

燃料電池作為新一代汽車(chē)動(dòng)力源，已被世界各大工業(yè)國(guó)視為戰(zhàn)略產(chǎn)品，世界各大汽車(chē)公司都在致力于燃料電池的研究與應(yīng)用［1］。在燃料電池中，氫氣作為能量的載體，其穩(wěn)定有效的供給與電堆的輸出功率密切相關(guān)。在常規(guī)的燃料電池中，電堆陽(yáng)極多采用二級(jí)減壓閥減壓后穩(wěn)壓定量多供應(yīng)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(mǎn)足工作要求，但在電堆低負(fù)荷區(qū)時(shí)，由于氫氣供應(yīng)過(guò)量，導(dǎo)致氫氣浪費(fèi)，有效利用率低;而在高負(fù)荷區(qū)時(shí)，由于氫氣需求量較大，將會(huì)出現(xiàn)氫氣供應(yīng)不足，并最終導(dǎo)致燃料饑餓，功率輸出不足，嚴(yán)重影響整個(gè)系統(tǒng)的工作性能［2］。

文獻(xiàn)［3］中提出在燃料電池陽(yáng)極采用共軌噴射器的方案，以滿(mǎn)足電堆的動(dòng)態(tài)需求。然而由于燃料電池本身的特殊性，對(duì)氫氣的供給也提出了許多要求，如壓力、溫度和穩(wěn)定性等。因此在電堆的陽(yáng)極不僅需要期望的氫氣量，同時(shí)還需要穩(wěn)定的氫氣壓力，即對(duì)電堆陽(yáng)極氫氣的壓力波動(dòng)也提出了嚴(yán)格要求。但在實(shí)際應(yīng)用中，尤其燃料電池車(chē)在低負(fù)荷區(qū)氫氣需求量較少時(shí)，噴射器出口的壓力將會(huì)出現(xiàn)較大的波動(dòng)，從而嚴(yán)重影響燃料電池的工作性能。

為此，本文中提出以期望和實(shí)際的氫氣壓力值為參考采用閉環(huán)控制，利用改進(jìn)型PID控制，根據(jù)入口壓力偏差和頻率以及噴嘴開(kāi)啟時(shí)間的關(guān)系來(lái)控制信號(hào)的優(yōu)化輸出，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)噴射器噴嘴以獲得期望的氫氣量和穩(wěn)定的氫氣壓力，最終達(dá)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(tǒng)的組成

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

高壓氫瓶?jī)?nèi)氫氣壓力可達(dá)35MPa;開(kāi)關(guān)閥用來(lái)控制輸送到電堆的氫氣量，當(dāng)系統(tǒng)收到供氫命令后，開(kāi)關(guān)閥打開(kāi)，儲(chǔ)氫系統(tǒng)開(kāi)始向電堆供氫，否則，開(kāi)關(guān)閥關(guān)閉，停止向電堆供氫;減壓閥和穩(wěn)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(wěn)定;傳感器主要用以測(cè)量入口與出口的氫氣壓力，并將信號(hào)值傳至控制系統(tǒng);電堆的作用是使陽(yáng)極的氫氣與陰極的空氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成水并釋放能量，提供動(dòng)力;噴射器作為供氫系統(tǒng)的被控對(duì)象是本文的研究重點(diǎn)，它由4個(gè)并行噴嘴組成，噴嘴采用Peak-Hold的電流驅(qū)動(dòng)，系統(tǒng)通過(guò)調(diào)節(jié)4個(gè)噴嘴的開(kāi)啟時(shí)間與開(kāi)啟頻次來(lái)調(diào)節(jié)供氫量，同時(shí)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(dòng)下動(dòng)態(tài)可調(diào);電控單元作為整個(gè)系統(tǒng)的控制器，通過(guò)采集各傳感器信號(hào)，判斷當(dāng)前系統(tǒng)的工況并通過(guò)控制噴射器4個(gè)噴嘴的開(kāi)啟時(shí)間與頻次決定氫氣供應(yīng)量，同時(shí)，噴射器入口與出口壓力傳感器判斷控制效果，對(duì)控制進(jìn)行修正，形成閉環(huán)控制，最終達(dá)到氫氣供應(yīng)動(dòng)態(tài)可調(diào)且壓力穩(wěn)定的目的。

2 氫噴射系統(tǒng)的控制策略

2.1 噴射器的控制模式

由伯努利方程可知，當(dāng)系統(tǒng)管徑一定時(shí)，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(tǒng)噴射器入口與出口氣體的壓力作為系統(tǒng)的輸入量與輸出量。共軌噴射器的4個(gè)噴嘴上均有控制信號(hào)的輸入端口，通過(guò)控制單元輸出的脈沖信號(hào)決定4個(gè)噴嘴的開(kāi)啟時(shí)刻、開(kāi)啟持續(xù)時(shí)間和關(guān)閉時(shí)刻。噴嘴在脈沖信號(hào)的上升沿開(kāi)啟，在脈沖信號(hào)下降沿關(guān)閉，脈沖的寬度代表噴嘴開(kāi)啟持續(xù)時(shí)間，信號(hào)脈沖的頻次代表噴嘴的開(kāi)啟次數(shù)。在設(shè)計(jì)前期，采用MotoTron程序?qū)娚淦鞯墓ぷ鲄?shù)進(jìn)行標(biāo)定調(diào)試，研究發(fā)現(xiàn)，噴射器最終出氣流量與開(kāi)啟持續(xù)時(shí)間和開(kāi)啟頻次均呈正比關(guān)系。為此，本文中提出3種控制模式，并做相應(yīng)分析。

2.1.1 固定信號(hào)脈沖寬度，改變噴嘴開(kāi)啟頻次

固定噴嘴的開(kāi)啟持續(xù)時(shí)間，根據(jù)噴嘴入口壓力偏差值和轉(zhuǎn)速的關(guān)系，進(jìn)而通過(guò)虛擬轉(zhuǎn)速改變噴嘴開(kāi)啟頻次，控制出口氫氣壓力。在噴嘴開(kāi)啟持續(xù)時(shí)間內(nèi)，氫氣在供給入口處壓力最大;在噴嘴關(guān)閉和下一個(gè)噴嘴開(kāi)啟的時(shí)間段內(nèi)，無(wú)氫氣補(bǔ)充從而出口壓力降到最低。在該控制模式下，當(dāng)氫氣需求量較少時(shí)噴嘴開(kāi)關(guān)頻次較低，導(dǎo)致嚴(yán)重壓力波動(dòng)，超出燃料電池要求的壓力波動(dòng)＜15kPa的要求。

2.1.2 固定噴嘴開(kāi)啟頻次，改變噴嘴開(kāi)啟持續(xù)時(shí)間

固定噴嘴開(kāi)啟頻次，根據(jù)噴嘴入口壓力偏差值和轉(zhuǎn)速的關(guān)系，通過(guò)虛擬轉(zhuǎn)速改變噴嘴開(kāi)啟持續(xù)時(shí)間，控制出口氫氣壓力。在該控制模式下，當(dāng)氫氣需求量較少時(shí)從一個(gè)噴嘴關(guān)閉到另一個(gè)噴嘴開(kāi)啟的時(shí)間間隔t1縮短，減少了無(wú)氫氣補(bǔ)充的時(shí)間，同時(shí)同一噴嘴開(kāi)啟持續(xù)時(shí)間t2減小，噴嘴輸出端的壓力波動(dòng)將得到改善。同時(shí)，可預(yù)見(jiàn)如果把虛擬轉(zhuǎn)速再提高，將再次縮短t1和t2，噴嘴輸出端的壓力波動(dòng)也將再次得到改善。該模式避免了低流量時(shí)因噴嘴開(kāi)啟頻次較低導(dǎo)致的壓力波動(dòng)問(wèn)題，在實(shí)際操作中可行性好。

2.1.3 噴嘴開(kāi)啟頻次與開(kāi)啟持續(xù)時(shí)間分時(shí)改變

噴嘴開(kāi)啟頻次與開(kāi)啟持續(xù)時(shí)間分時(shí)改變的控制策略，即當(dāng)?shù)土髁繒r(shí)固定噴嘴開(kāi)啟頻次，控制噴嘴開(kāi)啟時(shí)間;當(dāng)高流量時(shí)固定噴嘴開(kāi)啟持續(xù)時(shí)間，改變噴嘴開(kāi)啟頻次。可以預(yù)見(jiàn)，該策略同樣可避免低流量時(shí)因噴嘴開(kāi)啟頻次較低導(dǎo)致的壓力波動(dòng)問(wèn)題。但由于兩種不同的控制目標(biāo)，需要兩套不同的PID算法和PID參數(shù)，其開(kāi)發(fā)和試驗(yàn)周期將會(huì)延長(zhǎng)。

根據(jù)以上分析，本文中提出采用固定噴嘴開(kāi)啟頻次，改變噴嘴開(kāi)啟持續(xù)時(shí)間的控制策略，通過(guò)PID由實(shí)際壓差決定開(kāi)啟持續(xù)時(shí)間，進(jìn)而控制出氣壓力與流量。

2.2 氫噴射系統(tǒng)PID控制研究

在燃料電池氫噴射系統(tǒng)中，由于噴嘴后端氫氣壓力受?chē)娮扉_(kāi)啟頻次、噴氣時(shí)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(duì)象具有非線(xiàn)性和時(shí)滯性的特點(diǎn)。PID控制具有無(wú)須建立精確的數(shù)學(xué)模型、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、參數(shù)整定方便和結(jié)構(gòu)更改靈活等特點(diǎn)，從而被廣泛應(yīng)用。為實(shí)現(xiàn)出口氫氣流量實(shí)時(shí)快速地跟蹤響應(yīng)且壓力波動(dòng)較小的目的，本文中選用增量式數(shù)字PID控制算法，根據(jù)出口處氫氣壓力實(shí)際值與期望值之差，對(duì)噴嘴后端的氫氣壓力進(jìn)行控制，如圖2所示。圖中，pr為出口氫氣期望壓力，p為實(shí)際壓力，而pe=pr-p即壓力偏差。

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

理想的連續(xù)PID調(diào)節(jié)器有如下表達(dá)式［4］:式中:k為采樣序號(hào);p0為開(kāi)始進(jìn)行PID控制時(shí)壓力初始值;pe(k)為當(dāng)前壓力偏差;pe(k-1)為上一時(shí)刻壓力偏差;pe(j)為歷次壓力偏差。由式(2)可見(jiàn)，p(k)控制輸出不僅取決于pe(k)和pe(k-1)，還與pe(j)有關(guān)。這種算法不僅計(jì)算繁瑣，且易造成誤差的疊加，嚴(yán)重影響最終噴射器的控制性能與效果。為此應(yīng)采用由式(2)整理推出的增量式數(shù)字PID控制:

式中:c0、c1、c2均為控制系統(tǒng)常數(shù)。只須知道最近3個(gè)時(shí)刻的壓力偏差值，便可通過(guò)式(4)算出噴射器為調(diào)節(jié)氫氣流量所需要的調(diào)節(jié)增量，可方便地嵌入到控制系統(tǒng)中。由于調(diào)節(jié)量?jī)H與最近3次誤差采樣值有關(guān)，控制器計(jì)算誤差對(duì)控制量影響較小，誤動(dòng)作影響也較?。?］。

3 氫噴射系統(tǒng)平臺(tái)的建立與算法移植

3.1 氫噴射系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)的建立

為實(shí)現(xiàn)氫噴射系統(tǒng)控制算法的驗(yàn)證與參數(shù)優(yōu)化，系統(tǒng)采用MotoTron 128pinECU-565-128控制單元，它采用32位MPC565微處理器，支持復(fù)雜的控制策略。

噴射系統(tǒng)采用兩路傳感器，即噴射器入口和出口各一個(gè)壓力傳感器，針對(duì)噴射系統(tǒng)要求將控制策略運(yùn)行在MotoTron硬件平臺(tái)上，將產(chǎn)生的Peak-Hold電流信號(hào)外加于噴射器4個(gè)噴嘴從而驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)噴射。其開(kāi)發(fā)平臺(tái)組成與功能描述如圖3所示［6］。

考慮到系統(tǒng)測(cè)量精度和氣密性，系統(tǒng)中兩個(gè)壓力傳感器均采用精度高且密封性?xún)?yōu)良的AST4700系列壓力傳感器。在前期實(shí)驗(yàn)中，測(cè)試出其氫泄漏極限小于整車(chē)要求，符合設(shè)計(jì)需要。同時(shí)，作為系統(tǒng)中最重要的執(zhí)行器——共軌噴射器，采用防爆電磁式結(jié)構(gòu)，不僅滿(mǎn)足泄漏極限小于50×10-6要求，而且反應(yīng)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(shè)計(jì)與算法移植

為簡(jiǎn)化系統(tǒng)并控制系統(tǒng)復(fù)雜度，將噴嘴開(kāi)啟頻次視為常數(shù)，而將噴嘴開(kāi)啟持續(xù)時(shí)間作為系統(tǒng)控制量，從而氫氣噴射系統(tǒng)可簡(jiǎn)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(tǒng)。在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際氫氣需求量應(yīng)用增量式數(shù)字PID控制策略對(duì)噴射器噴嘴開(kāi)啟持續(xù)時(shí)間進(jìn)行閉環(huán)控制，維持出口氫氣壓力在目標(biāo)壓力附近，如圖4所示。

實(shí)際目標(biāo)壓力由系統(tǒng)實(shí)際需求給定，將目標(biāo)壓力pr(k)與當(dāng)前出口壓力p(k)進(jìn)行比較，系統(tǒng)記錄最近3個(gè)時(shí)刻的壓力偏差值pe(k)、pe(k-1)和pe(k-2)，通過(guò)增量式數(shù)字PID計(jì)算噴嘴須調(diào)節(jié)的時(shí)間增量，以達(dá)到出口壓力實(shí)時(shí)跟蹤目標(biāo)壓力的目的。

首先根據(jù)確定的系統(tǒng)功能建立系統(tǒng)框架的底層操作系統(tǒng)(operating system)，主要包含:ECU類(lèi)型、存儲(chǔ)器資源分配、觸發(fā)器資源分配、CAN通信和CCP模塊等的定義，如圖5所示。

根據(jù)已確定的控制算法，將MotoHawk開(kāi)發(fā)環(huán)境中的驅(qū)動(dòng)和標(biāo)定模塊進(jìn)行匹配，并將系統(tǒng)中傳感器和執(zhí)行器的標(biāo)定參數(shù)帶入算法中與ECU硬件進(jìn)行匹配，主要由圖6中6個(gè)模塊組成。其中，模塊INP主要進(jìn)行壓力等傳感器的信號(hào)采集和濾波;模塊APP根據(jù)傳感器信號(hào)和氫氣壓力目標(biāo)值計(jì)算噴嘴開(kāi)啟的時(shí)間;OUT模塊的功能則是對(duì)噴嘴進(jìn)行驅(qū)動(dòng);VARDEF模塊主要定義了程序中用到的變量、表變量和標(biāo)定表格等;模塊DIAG主要對(duì)各傳感器、執(zhí)行器和功能系統(tǒng)故障進(jìn)行診斷;而PCM模塊則是對(duì)目標(biāo)板、編譯器、CAN、CCP和實(shí)時(shí)任務(wù)基準(zhǔn)時(shí)間進(jìn)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(dòng)生成可刷寫(xiě)的SRZ代碼。

3.3 標(biāo)定實(shí)驗(yàn)

為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的優(yōu)化，須對(duì)各參數(shù)進(jìn)行調(diào)試優(yōu)化，即建立標(biāo)定系統(tǒng)。在標(biāo)定實(shí)驗(yàn)中，優(yōu)化并確定噴油時(shí)間和PID控制參數(shù)，須監(jiān)測(cè)信號(hào)輸入的壓力信號(hào)和噴射時(shí)間等變量，并用ATI Vision軟件對(duì)輸出的壓力值進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。由于無(wú)法獲取精確的噴射器數(shù)學(xué)模型，選用工程整定法［5］整定數(shù)字PID控制參數(shù)，根據(jù)各PID控制參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的影響規(guī)律，對(duì)其反復(fù)調(diào)整，直至得到令人滿(mǎn)意的結(jié)果。在通過(guò)標(biāo)定并確定相應(yīng)PID控制參數(shù)后，通過(guò)ATI Vision軟件可得到噴射器出口的實(shí)際壓力曲線(xiàn)圖。

3.4 結(jié)果分析

為保證噴射器在不同氫需求量下的出口壓力波動(dòng)均符合系統(tǒng)要求，設(shè)定目標(biāo)壓力分別為50、60、80和90kPa，用ATI Vision軟件在對(duì)PID控制參數(shù)進(jìn)行微調(diào)后實(shí)時(shí)采集實(shí)際壓力值，實(shí)際壓力和目標(biāo)壓力曲線(xiàn)如圖7所示。

相對(duì)于圖7實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在常規(guī)燃料電池供氫系統(tǒng)中由于采用的是二級(jí)減壓閥減壓后穩(wěn)壓定量供給方式，因而氫氣供給相對(duì)恒定，與實(shí)際氫需求也并無(wú)聯(lián)系，其測(cè)試數(shù)據(jù)如圖8所示。

由圖可見(jiàn):在常規(guī)燃料電池供氫系統(tǒng)中，入口壓力變化時(shí)，出口氫氣壓力即供應(yīng)至電堆的氫氣壓力幾乎不變，均未達(dá)到80kPa;而采用氫共軌噴射技術(shù)后，系統(tǒng)能夠根據(jù)實(shí)際氫需求，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整目標(biāo)輸出氫氣，保證了氫氣合理有效的供給，避免了采用常規(guī)供氫方式氫氣需求量低時(shí)氫氣供應(yīng)相對(duì)過(guò)量，而氫氣需求高時(shí)氫氣供應(yīng)不足所造成的燃料饑餓現(xiàn)象。而在燃料饑餓過(guò)程中，由于供應(yīng)和倒吸入電池的氫氣均含有雜質(zhì)無(wú)法排除，必然在電堆陽(yáng)極內(nèi)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(fā)電池反極，加速電池性能的衰減，嚴(yán)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(zhì)子交換膜其厚度僅為0.05～0.18mm，因此維持陽(yáng)極和陰極之間合適的壓差，最大程度地降低對(duì)質(zhì)子交換膜的機(jī)械損傷，對(duì)延長(zhǎng)燃料電池的壽命至關(guān)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(dòng)遠(yuǎn)小于電池電堆要求的陽(yáng)極端壓力波動(dòng)＜15kPa的技術(shù)要求，穩(wěn)態(tài)誤差小，符合設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

在深入研究PID控制技術(shù)基礎(chǔ)上，從整個(gè)開(kāi)發(fā)流程著手基于MotoTron快速原型開(kāi)發(fā)平臺(tái)，較好且快速地完成了氫共軌噴射控制算法的設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)表明，采用閉環(huán)增量式數(shù)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(kāi)啟持續(xù)時(shí)間作為控制量的氫噴射系統(tǒng)表現(xiàn)出良好的控制效果，保證了燃料電池的效率與系統(tǒng)性能，滿(mǎn)足了燃料電池電堆技術(shù)要求，解決了常規(guī)供氫系統(tǒng)采用穩(wěn)壓定量供給方式的低需求供應(yīng)過(guò)量、高需求供給不足的問(wèn)題;由于出口氫氣流量動(dòng)態(tài)可調(diào)且壓力波動(dòng)較小，因而大大提高了氫氣利用率，延長(zhǎng)了質(zhì)子交換膜燃料電池的使用壽命;噴射系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)具有良好的工程可移植性，為后續(xù)整車(chē)開(kāi)發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

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