燃料電池系統(tǒng)陰極氣體壓力及流量閉環(huán)控制*

葉璽臣 章桐 劉毅

（1.同濟大學，上海 201804；2.上海汽車集團股份有限公司商用車技術中心，上海 200438）

主題詞：燃料電池系統(tǒng) 空氣壓力 空氣流量 模糊控制

1 前言

質子交換膜燃料電池系統(tǒng)中，空氣壓力和空氣流量對于燃料電池性能的影響至關重要。理論上，對于燃料電池電壓，氧分壓是重要的制約因素，而空氣壓力與氧分壓直接相關。此外，絕大多數(shù)質子交換膜燃料電池系統(tǒng)中，陽極和陰極間的氣體壓差需要精確控制，陽極氣體壓力通常應略高于陰極氣體壓力，一般將壓差控制在20 kPa 左右，以抑制氮氣的遷移。空氣流量則決定著燃料電池電堆陰極的化學計量比和濕度。因此，精確控制燃料電池空氣壓力與流量有著十分重要的意義。

近年來，已經(jīng)有學者針對該問題進行了相關研究，全書海等設計了PID 控制器，實現(xiàn)了質子交換膜燃料電池系統(tǒng)空氣壓力的閉環(huán)控制；張立炎等分析了燃料電池空氣供應系統(tǒng)中空氣壓力和空氣流量的耦合特性，并提出了利用解耦算法進行空氣壓力和流量的閉環(huán)控制；陳鳳祥等辨識出了燃料電池空氣供應系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，通過前饋解耦算法實現(xiàn)了空氣壓力和流量的閉環(huán)控制；陳鳳祥和陳興將內模控制原理與多變量解耦控制理論相結合，提出了一套魯棒解耦控制策略，實現(xiàn)了空氣壓力和流量的雙閉環(huán)控制。

以往的解耦控制算法控制效果良好，但是空氣供應系統(tǒng)的傳遞函數(shù)獲取較為復雜。目前，離心式空壓機在燃料電池汽車領域的廣泛應用為一種新的無解耦控制算法的實現(xiàn)提供了可能。本文首先針對質子交換膜燃料電池空氣子系統(tǒng)離心式空壓機特性進行分析，然后提出一套無解耦的空氣進堆壓力及流量的閉環(huán)控制算法，最后在燃料電池空氣子系統(tǒng)臺架及真實燃料電池系統(tǒng)中進行該算法的試驗驗證。

2 質子交換膜燃料電池系統(tǒng)空氣子系統(tǒng)結構

圖1 質子交換膜燃料電池系統(tǒng)空氣子系統(tǒng)結構

3 不同種類空壓機的特性對比

燃料電池汽車中常用的空壓機有離心式空壓機、螺桿式空壓機和羅茨式空壓機等。不同種類的空壓機有著不同的壓比與流量特性，對于控制策略的選擇具有一定影響。

標準大氣壓、293 K溫度下典型離心式空壓機MAP圖如圖2 所示，其中為修正流量。從圖2 中可以看出，在同一轉速下，空氣流量的變化對壓比的影響很小。在實際燃料電池系統(tǒng)中，這意味著在同一轉速下，隨著節(jié)氣門開度的變化（導致空氣流量變化），空氣進堆壓力并不會發(fā)生太大的改變。

圖2 典型離心式空壓機MAP圖

標準大氣壓、293 K 溫度下典型的雙螺桿式空壓機MAP 圖如圖3 所示。從圖3 中可以看出，在同一轉速下，空氣壓比的變化對流量的影響很小。在實際燃料電池系統(tǒng)中，這意味著在同一轉速下，隨著節(jié)氣門開度的變化，燃料電池空氣供應子系統(tǒng)背壓發(fā)生了較明顯的變化，空氣流量并不會發(fā)生太大的改變。

圖3 典型的雙螺桿式空壓機MAP圖

4 離心式空壓機空氣子系統(tǒng)雙閉環(huán)控制策略

4.1 無解耦控制算法框架

根據(jù)上一節(jié)的比對分析，針對離心式空壓機空氣供應子系統(tǒng)，本文提出一套新的雙閉環(huán)控制策略，如圖4所示。首先，根據(jù)燃料電池請求功率得到所需的空氣壓力、空氣流量設定值。其次，根據(jù)空氣壓力設定值通過一套傳統(tǒng)的PID 控制器來調節(jié)空壓機轉速以實現(xiàn)空氣進堆壓力的閉環(huán)控制。空氣流量設定值則通過Mamdani 型模糊控制器調節(jié)節(jié)氣門開度以實現(xiàn)空氣流量的閉環(huán)控制。PID 控制器與模糊控制器之間沒有任何耦合關系，這是該算法與目前常用的解耦算法之間最根本的差異。

圖4 無解耦雙閉環(huán)控制算法結構框圖

4.2 PID控制器的設計

空氣進堆壓力控制環(huán)節(jié)采用常用的PID控制器，其結構如圖5所示。

圖5 PID控制器結構框圖

首先計算第個采樣周期空氣進堆壓力誤差()：

式中，()、()分別為空氣進堆壓力的設定值和傳感器讀數(shù)。

離散時間系統(tǒng)中，PID控制器的計算公式為：

式中，()為PID控制器第個采樣周期的輸出；K、K和K分別為PID控制器的比例、積分和微分參數(shù)。

為提高控制器在燃料電池系統(tǒng)大幅度變載情況下的響應速率，增加前饋查表環(huán)節(jié)以提升控制器的調節(jié)能力。

4.3 模糊控制器的設計

模糊控制技術越來越多地運用到燃料電池系統(tǒng)控制上，本文采用典型的Mamdani型模糊控制器對空氣流量進行控制，其結構如圖6所示。

圖6 Mamdani型模糊控制器結構框圖

模糊控制器中有誤差及其變化量共2個輸入量和1個輸出量，即節(jié)氣門開啟占空比的變化量?。和的表達式分別為：

在模糊化和解模糊化過程中，采用相同的三角形隸屬度函數(shù)，如圖7所示。其中NL表示遠小于0，NM表示小于0，NS表示稍小于0，ZO表示等于0，PS表示稍大于0，PM表示大于0，PL表示遠大于0。

圖7 三角形隸屬度函數(shù)

模糊控制規(guī)則的制定主要基于經(jīng)驗和基本推理。本文采用的模糊控制規(guī)則如表1所示。

表1 模糊控制規(guī)則

5 測試結果

5.1 空氣子系統(tǒng)臺架測試

為了驗證本文提出的無解耦雙閉環(huán)控制算法，搭建空氣供應子系統(tǒng)測試臺架，結構如圖8 所示。其中，安裝可調節(jié)的手閥模擬電堆阻力，并在手閥和節(jié)氣門之間安裝罐狀容器以模擬電堆陰極容腔。

圖8 空氣子系統(tǒng)臺架結構示意

空氣子系統(tǒng)臺架中主要設備參數(shù)如表2所示。

表2 空氣子系統(tǒng)臺架主要設備參數(shù)

在空氣子系統(tǒng)臺架測試過程中，所采用的工作點是某款60 kW功率等級燃料電池系統(tǒng)的實際工作點，其功率與空氣壓力及流量的關系如圖9 所示。測試工況如圖10所示，其中加載和降載速率均為10 kW/s。

圖9 空氣子系統(tǒng)臺架工作點

圖10 空氣子系統(tǒng)臺架測試工況

在空氣子系統(tǒng)臺架上進行測試，壓力閉環(huán)控制的結果如圖11 所示。由圖11 可知：穩(wěn)態(tài)運行時，空氣進堆壓力的絕對誤差在1 kPa 以下（控制器設置的死區(qū)為±1 kPa）。動態(tài)變載過程中，絕對誤差會上升至最高3 kPa左右，然后迅速回到1 kPa以下。

圖11 空氣子系統(tǒng)臺架壓力閉環(huán)控制測試結果

臺架測試流量閉環(huán)控制結果如圖12所示。由圖12可知：穩(wěn)態(tài)運行時，空氣流量的絕對誤差在1 g/s 左右（控制器設置的死區(qū)為±1 g/s）；動態(tài)變載過程中，空氣流量的絕對誤差會上升至最大6 g/s，后回到約1 g/s。

圖12 空氣子系統(tǒng)臺架流量閉環(huán)控制測試結果

為防止空壓機損壞，在空氣壓力和流量雙閉環(huán)控制過程中，應盡量避免空壓機進入喘振區(qū)。將系統(tǒng)運行工作線與喘振線繪制在空壓機MAP圖上，如圖13所示。

圖13 系統(tǒng)運行工作點與喘振線比對

從圖13中可以看出，工作線離喘振線較遠。因此，在該算法控制下，選擇合適的工作點，能有效避免空壓機喘振問題的出現(xiàn)。

5.2 實際燃料電池系統(tǒng)測試

在空氣子系統(tǒng)臺架充分驗證的基礎上，本文將該控制算法在實際凈輸出功率為30 kW 的燃料電池系統(tǒng)上進行再次驗證，該燃料電池的主要參數(shù)如表3所示。

表3 某30 kW燃料電池系統(tǒng)主要設備參數(shù)

在實際燃料電池系統(tǒng)測試過程中，燃料電池系統(tǒng)需求功率與所需求的空氣壓力及流量的關系如圖14 所示。

圖14 某實際30 kW燃料電池系統(tǒng)工作點

實際燃料電池系統(tǒng)測試中，使用圖15 所示的測試工況。該測試工況中既包含了穩(wěn)態(tài)功率輸出工作點，亦有急加載與急降載工作點，具有很好的測試意義。

圖15 實際燃料電池系統(tǒng)測試工況

燃料電池測試系統(tǒng)空氣壓力閉環(huán)控制的效果如圖16所示。由圖16可知：快速加載過程中，壓力絕對誤差會上升至約4 kPa，后回到控制死區(qū)1 kPa 左右；快速降載過程中，壓力絕對誤差會升至5 kPa 左右，后回到死區(qū)；穩(wěn)態(tài)運行時，壓力絕對誤差基本控制在1 kPa以內。

圖16 實際燃料電池系統(tǒng)壓力閉環(huán)控制測試結果

空氣流量閉環(huán)控制的效果如圖17 所示。快速加載、減載過程中，空氣流量在系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行時，流量絕對誤差基本在1 g/s以內。

圖17 實際燃料電池系統(tǒng)流量閉環(huán)控制測試結果

測試過程中，燃料電池電壓-電流實測值與參考值的比對結果如圖18所示。從圖18中可以看出，在同一電流下，使用該算法所獲得的燃料電池電壓實測值與燃料電池電壓參考值相差較小，燃料電池性能較為穩(wěn)定。

圖18 燃料電池電壓-電流特性

由以上測試結果可知，與空氣子系統(tǒng)臺架測試效果相同，該控制算法在實際燃料電池系統(tǒng)測試中亦可獲得良好的空氣壓力和流量控制效果，驗證了本文所提出控制策略的可行性與有效性。

6 結束語

本文在對比分析目前燃料電池汽車常用的離心式空壓機的特性曲線基礎上，提出了一種針對離心式空壓機空氣供應子系統(tǒng)的無解耦空氣壓力、流量雙閉環(huán)控制算法。采用傳統(tǒng)的PID控制器閉環(huán)控制空氣壓力，并設計Mamdani型模糊控制器實現(xiàn)空氣流量的閉環(huán)控制。

最后分別在空氣供應子系統(tǒng)測試臺架和30 kW 凈輸出燃料電池系統(tǒng)上對該算法進行了測試。結果表明：該控制算法精度滿足實際需求，具有很好的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)控制效果，且在工作點選擇合適的情況下，可以有效避免進入空壓機喘振區(qū)。

本文的控制算法有效解決了以往傳遞函數(shù)獲取較為復雜等問題，未來的研究將聚焦在空氣子系統(tǒng)的故障診斷及容錯控制上，如空氣進堆壓力傳感器或空氣流量傳感器故障。