質子交換膜燃料電池系統(tǒng)陽極控制策略研究

中圖分類號：TM911.4 文獻標志碼：B 文章編號：1001-2222（2025）04-0058-08

如今能源危機與環(huán)境污染問題日益嚴重，人們亟需尋求新的清潔替代能源進行能源結構轉型。氫能作為一種可以持續(xù)制備、排放無污染的清潔能源得到廣泛關注和迅速發(fā)展。質子交換膜燃料電池（PEMFC）是實現(xiàn)氫能轉變成電能的重要裝置，具有常溫常壓工作、功率密度和能量轉換率高等優(yōu)點，成為了汽車的理想替代電能供給系統(tǒng)。

燃料電池供氫系統(tǒng)是典型的非線性、多變量耦合的復雜裝置，需要應對頻繁的功率請求變化以及尾排閥周期性的開啟，充足的氫氣流量及穩(wěn)定的陽極氫氣壓力對燃料電池性能、壽命和穩(wěn)定性影響很大，因此應用于供氫系統(tǒng)的控制算法研究十分重要。

基于誤差運算的比例積分微分控制計算成本低、精度高、魯棒性好，在工程中廣泛運用，也被普遍運用于陽極壓力控制中。X.H.WANG等2]設計并制造了用于 10kW PEMFC系統(tǒng)的噴射器，并在臺架上采用比例閥和PI壓力反饋控制方法對氫氣供應和陽極進口壓力進行控制策略研究。結果表明，采用比例閥和PI壓力反饋控制方法，壓力調節(jié)準確、連續(xù)、快速。Y.K.LI等3采用PID控制器控制陰陽極壓力差，利用誤差計算控制律，不需要數(shù)學模型，但會導致控制效果不夠穩(wěn)定和精準。此外，有學者對常規(guī)PID控制做出了改進，以提高控制效果。J.CHEN等4基于改進遺傳算法，提出了一種模糊自適應PI解耦控制策略，有效減小了負載變化時的氫空壓差。為了提高氫氣壓力的響應速度，H.YUAN等5應用模糊邏輯技術實時調整PI參數(shù)，提出了一種結合負載電流前饋補償和陽極清洗干擾的前饋模糊PI控制器。

除了對陽極壓力控制的研究，還有研究集中于排氫、排水的開啟策略以及陽極側的加濕策略。都京等提出了一種關聯(lián)陽極回路溫度、壓力及反應電流的新吹掃策略，根據(jù)溫度及功率確定排氫、排水開啟和關閉的時間，利用燃料電池發(fā)動機陽極回路模型，計算出參數(shù)優(yōu)化邊界，完成了吹掃控制參數(shù)優(yōu)化擬合，有效提高了燃料電池在中、小電流區(qū)間的氫氣利用率，降低了多種工況下的百公里氫耗。

在兼顧控制陽極壓力與排氫、排水的同時，一些研究開始關注氫氣供應情況，盡可能地保持氫氣計量比的充足和穩(wěn)定。A.EBADIGHAJARI等采用模型預測控制方法，通過調壓閥控制氫氣壓力，通過流量閥控制氫氣流量，保證氫燃料電池的效率和安全性。洪凌8基于非線性模型，以燃料電池系統(tǒng)氣壓和燃料電池陽極流道氫含量作為雙重控制目標，提出了多輸入多輸出（MIMO）狀態(tài)反饋控制算法，在與單輸入單輸出比例-積分控制器的仿真效果對比中，MIMO狀態(tài)反饋控制器控制性能優(yōu)良，靜態(tài)誤差及超調量更小。H.W.HE等9提出的模型預測控制方法通過預測排氣歧管的壓力和循環(huán)泵的角速度控制循環(huán)回路的氫氣流量，實現(xiàn)質子交換膜燃料電池的穩(wěn)定運行。

本研究以實際工程運用為目的，為改進PID誤差計算控制精度低、不穩(wěn)定的不足，提出了一種基于前饋PI控制的陽極進氣壓力控制策略。根據(jù)氫氣循環(huán)量對循環(huán)泵與引射器進行選型匹配，設計氫氣循環(huán)控制策略。基于建立的燃料電池及附件系統(tǒng)模型進行控制器開發(fā)，通過硬件在環(huán)仿真驗證控制策略的有效性。最后通過 100kW 燃料電池系統(tǒng)臺架進行控制器參數(shù)標定，臺架試驗驗證陽極控制策略在變載等工況下的控制穩(wěn)定性。

1燃料電池系統(tǒng)結構

本研究所設計開發(fā)的 100kW 氫燃料電池發(fā)動機系統(tǒng)，包括燃料電池電堆、電池電壓監(jiān)測系統(tǒng)（CVM）、空氣進氣系統(tǒng)、氫氣進氣系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)、燃料電池升壓DC/DC變換器（DCF）和 燃料電池控制單元（FCU）。其結構簡圖如圖1所示。空氣經(jīng)過空壓機、中冷器和增濕器后進入電堆參與反應，空氣進氣系統(tǒng)中的空壓機與進氣節(jié)氣門共同作用控制進氣流量和壓力；氫氣進氣系統(tǒng)中，比例閥控制氫氣入堆的壓力，氫氣循環(huán)系統(tǒng)采用氫氣循環(huán)泵和引射器并聯(lián)的方案，將未反應完的過量氣體引回電堆入口，尾排閥循環(huán)開啟排出陽極側積累的氮氣和液態(tài)水[10]。系統(tǒng)的控制程序由MATLABR2020a開發(fā)并編譯，通過Meca上位機寫人FCU，實現(xiàn)對系統(tǒng)參數(shù)的實時監(jiān)測和控制，CVM可以監(jiān)測單片電池的電壓，以確保電堆的安全性，并估計控制效果。

圖1 100kW 燃料電池系統(tǒng)結構簡圖

2 陽極控制策略研究

2.1氫氣供氣壓力控制策略

燃料電池系統(tǒng)陰陽極壓力差會顯著影響質子交換膜的壽命和性能，因此在電堆陰極側的壓力和流量解耦的情況下，陽極側的氫氣供應需要與陰極側保持一致。研究認為，當陽極側氫氣壓力達到需求功率下電堆正常運行的條件時，其對應的氫氣流量能夠滿足電化學反應的消耗量，故陽極側的氫氣流量一般基于壓力控制[11]。燃料電池在工作時，如果氫、空兩側壓差過大，會導致質子交換膜破裂，空氣側的時滯性相比氫氣側更強，因此采用氫氣進氣壓力跟隨空氣進氣壓力的方式調節(jié)。在實際工作中，為了延長燃料電池的使用壽命，防止氫氣壓力超調，發(fā)生氫氣壓力低于空氣壓力的情況，通常要求陽極的進氣壓力比陰極的進氣壓力高約 20kPa 。陽極側氫氣供氣控制的目的就是在滿足當前需求功率的氫氣消耗前提下，保證陰陽極壓力差值維持在穩(wěn)定的區(qū)間，從而提高質子交換膜的壽命與性能。

在實際工程應用中，基于誤差反饋控制的PID控制是發(fā)展最早的控制算法之一，其原理簡單，實用性強，控制參數(shù)彼此獨立，而且對于一階滯后 + 純滯后與二階滯后 + 純滯后的控制系統(tǒng)是一種最優(yōu)的控制算法。在氫氣路控制策略中采用PI反饋調節(jié)，由實時測得的電堆陰極壓力計算得到目標氫氣壓力，減去傳感器實際測得的陽極壓力得到壓力偏差，壓力偏差經(jīng)過PI控制器計算得到比例閥所需的開度[12]，通過控制比例閥開度實現(xiàn)燃料電池氫氣入堆壓力的控制。PI反饋控制是以氫氣路實際壓力作為閉環(huán)控制量來調節(jié)比例閥的開關控制量，雖然可以在氫氣壓力誤差出現(xiàn)時將誤差降低到系統(tǒng)接受范圍內，但往往表現(xiàn)出一定程度的滯后性，當發(fā)生較大的壓力擾動時，這種滯后性難以將系統(tǒng)迅速穩(wěn)定到正常偏差范圍內，會造成氫氣系統(tǒng)回路出現(xiàn)壓力突降的情況[13]。考慮到這種控制方法的缺陷，引入前饋控制方法，通過前饋預估擾動帶來的偏差大幅改變，對尾排閥開啟、負載突增等工況提前進行壓力補償，減小PI反饋調節(jié)不及時的影響，實現(xiàn)氫氣系統(tǒng)壓力跟隨空氣系統(tǒng)壓力的目標，其主要控制策略如圖2所示。

圖2陽極側氫氣控制策略

根據(jù)供應商提供的規(guī)格書及比例閥測試數(shù)據(jù)，依據(jù)式（1）確定不同比例閥開度時閥體前后壓差與氫氣流量之間關系[14]，擬合流通系數(shù) k_v 。

式中： k_v 為流通系數(shù)； Q_N 為標準流量； T₁ 為氣體溫度； 為進口壓力； 為出口壓力； Δp 為進出口壓差； ?ρ_N 為標準密度。

依據(jù)標定好的引射器模型，根據(jù)式（2）計算獲得不同電流下的一次需求流量[15]，計算引射器噴嘴前端壓力，即比例閥后端壓力。比例閥前端壓力設定為 1.5MPa ，根據(jù)計算獲得的不同電流下比例閥后端壓力及流量與比例閥前后壓差關系，確定比例閥電流前饋開度（見圖3a）。

式中： m_co 為氫氣一次需求流量； n 為電堆片數(shù)； I 為電流； F 為法拉第常數(shù)； M_H2 為氫氣摩爾質量。

比例閥的排氣開啟前饋開度通過臺架試驗標定得到，在試驗臺架上對電堆進行穩(wěn)態(tài)拉載仿真，記錄輸出功率穩(wěn)定后，在各個電流下，排氣閥開啟時的比例閥開度相比排氣閥關閉時的增大值，得到比例閥排氣開啟前饋開度表，如圖3b所示。

圖3比例閥前饋值

2.2氫氣循環(huán)控制策略

依據(jù)系統(tǒng)方案，氫氣路采用循環(huán)泵與引射器并聯(lián)的循環(huán)方案。氫氣路基于壓力控制，需要保證陽極壓力，滿足氫氣流量需求，防正系統(tǒng)出現(xiàn)氫饑餓，同時要控制尾排閥purge策略，提高系統(tǒng)的氫氣利用率。

2.2.1 循環(huán)泵控制策略

為了提高燃料電池的反應效率，減少燃料電池在加速時的反應時間，燃料電池的氫氣供給量會大于氫氣的理論消耗量，過量的氫氣如果直接隨尾氣排放會造成氫氣的大量浪費，降低氫氣利用率，因此氫氣循環(huán)利用是提升系統(tǒng)反應效率和氫氣利用率的重要手段。但是在氫氣循環(huán)過程中，陰極空氣中的氮氣和反應產(chǎn)生的水會透過質子交換膜在陽極累積，同樣發(fā)生累積的還有氫氣中的雜質[16]。長時間循環(huán)封閉運行會造成陽極側氫氣分壓的降低，并且產(chǎn)生的液態(tài)水會阻礙氫氣與催化劑層的接觸，造成電堆電壓下降，甚至局部氫氣饑餓，使得質子交換膜發(fā)生電化學腐蝕，嚴重影響電堆壽命[17]，因此需要在運行過程中周期性地打開尾排閥進行吹掃，排出陽極側累積的雜質、氮氣和水。氫氣循環(huán)系統(tǒng)由引射器與氫氣循環(huán)泵并聯(lián)組成，由于引射器為被動元件，因此主要通過調節(jié)循環(huán)泵轉速使氫氣循環(huán)量滿足氫氣過量系數(shù)的需求。氫氣循環(huán)總量為引射器循環(huán)量與循環(huán)泵循環(huán)量之和，在需求功率較低時陽極側氫氣壓力較小，需要的氫氣過量系數(shù)較高，引射器的作用比較微弱，此時控制循環(huán)泵高速運轉，對氫氣循環(huán)起主要作用；隨著需求功率的升高，需要的氫氣過量系數(shù)降低，引射器循環(huán)量能夠滿足需求，此時循環(huán)泵的轉速逐漸降低。具體的實現(xiàn)方式為循環(huán)泵根據(jù)當前電流查前饋值標定表得到當前轉速，循環(huán)泵轉速前饋值隨電流增大逐漸減小，最終降至 0r/min 。

2.2.2 循環(huán)泵前饋值計算

根據(jù)循環(huán)泵測試數(shù)據(jù)建立循環(huán)泵前饋值標定表，圖4a示出氫氣路循環(huán)壓升，圖4b示出二次流流量需求。因為在90A之前引射器無引射能力，循環(huán)泵轉速較高，隨著電流增加，一次流流量增加，引射器循環(huán)能力增加，循環(huán)泵轉速逐漸降低，在 150A 后循環(huán)泵關閉。根據(jù)二次流流量及壓升需求通過查表得到氫氣循環(huán)泵的轉速前饋值（見圖4c）。

圖4循環(huán)泵參數(shù)計算

圖5尾排閥控制策略流程圖

2.2.3尾排閥控制策略

尾排閥的主要作用是及時排出陽極側累積的氮氣和生成的水，避免出現(xiàn)質子交換膜水淹現(xiàn)象[18]，尾排閥的控制策略主要根據(jù)CVM監(jiān)測的單體電壓設計，控制算法流程如圖5所示。當CVM監(jiān)測的單體電壓數(shù)據(jù)在安全范圍內時，排氫閥為短排控制模式，通過間歇性地開啟使陽極側氫氣壓力產(chǎn)生波動從而帶走氫氣流道內附著的液態(tài)水；當CVM監(jiān)測的單體電壓數(shù)據(jù)低于安全保護界限時，排氫閥進入長排控制模式，此時通過過量氫氣對陽極流道進行吹掃；當氫空壓差超出安全范圍時，排氫閥常開，通過對噴氫閥的控制進而實現(xiàn)對堆內的氣體流道和質子交換膜進行吹掃，使單體電壓或氫空壓差恢復到安全范圍。

圖6氫氣尾排閥參數(shù)計算

2.2.4尾排閥前饋值計算

因缺乏氮氣跨膜滲透率數(shù)據(jù)，根據(jù)文獻資料滲透數(shù)據(jù)[19]，建立氮氣跨膜滲透模型。依據(jù)氫氣尾排閥的特性（如圖6a所示），參考空氣路背壓閥方程建立氫氣尾排閥模型[20]，通過仿真方法獲得不同負載電流下的氫氣尾排閥前饋值，進一步在測試臺架上進行修改標定，獲得如圖6b所示的氫氣尾排閥前饋值。

圖7硬件在環(huán)測試結果

3控制器硬件在環(huán)測試

基于dSPACE實時仿真平臺，使用MicroAutoBoxⅡ和SCALEXIO硬件工具，對搭建的控制策略模型進行在線實時測試，從半實物層面對控制策略進行驗證。搭建基于HIL測試的控制對象模型，使用dSPACE半實物仿真的軟硬件工作平臺，與控制器對接，設置相應 I/O 接口通道，完成整套HIL測試環(huán)境配置。

對陽極氫氣供應的動態(tài)前饋 +PI 反饋的壓力控制策略進行測試，采用階躍電流信號作為輸入請求，陽極入堆壓力作為觀測結果。圖7a示出PI反饋調節(jié)的控制結果，可以看出變載時響應的速度較慢，無穩(wěn)態(tài)誤差。圖7b示出加入電流擾動與排氫擾動的前饋補償后的控制結果，可以看出相比PI反饋控制，響應速度大幅提升，控制效果更佳。

4燃料電池系統(tǒng)臺架測試

對控制策略進行了 100kW 燃料電池系統(tǒng)臺架測試驗證。本次測試的臺架試驗是基于蘇州英特模汽車有限公司的燃料電池測試臺架，該臺架可提供最大 150kW 輸出功率的燃料電池系統(tǒng)測試，提供輔助系統(tǒng)散熱和電堆散熱功能。在該系統(tǒng)臺架上進行了穩(wěn)態(tài)測試、CLTC動態(tài)測試、額定功率測試、峰值功率測試和動態(tài)響應測試。測試結果及性能分析如下。

穩(wěn)態(tài)測試中，以 10kW 為間隔，進行功率階躍拉載，每個功率下穩(wěn)定運行 300s 。電堆冷卻液出口溫度控制在 68～83° ，陰極進氣壓力控制在0.115～0.241MPa 。測試結果表明，陽極壓力控制精度達到 98.93% ，功率跟隨控制精度達 98.78% 燃料電池電堆最高效率達到 72.06% ，燃料電池發(fā)電系統(tǒng)最高效率達到 57.85% 。圖8a和圖8b示出穩(wěn)態(tài)測試條件下的陰陽極入口壓力曲線和系統(tǒng)凈輸出功率曲線，圖8c和圖8d示出穩(wěn)態(tài)測試條件下電堆和系統(tǒng)的效率-功率曲線。

采用CLTC工況進行動態(tài)測試，試驗結果表明：陽極瞬態(tài)跟蹤控制精度達到 94.47% ，功率跟隨控制精度達到 85.68% 。圖9a和圖9b分別示出動態(tài)測試條件下的陰陽極入口壓力曲線和系統(tǒng)凈輸出功率曲線。

圖9動態(tài)測試結果

圖8穩(wěn)態(tài)測試結果

額定功率試驗中，將系統(tǒng)加載到額定功率100kW 后運行 60min ，記錄系統(tǒng)運行參數(shù)。額定功率運行時，電堆進、出水口溫度分別為 77.8‰ 和84.6° ，空氣流量為 124.8g/s ，氫氣進口壓力為0.2606MPa 。各項系統(tǒng)輸出參數(shù)及燃料電池參數(shù)正常，運行無故障。峰值功率試驗中，系統(tǒng)以峰值功率 120kW 運行 3min ，記錄系統(tǒng)運行參數(shù)。峰值功率運行時，電堆進水口、出水口溫度分別為 85.5° 和 92.1° ，空氣流量為 144.2g/s ，氫氣進口壓力為0.264 8MPa 。各項系統(tǒng)輸出參數(shù)及燃料電池參數(shù)正常，運行無故障。動態(tài)響應試驗中，通過發(fā)送動態(tài)階躍加載指令，驗證加、減載斜率，結果如圖10所示。動態(tài)加載由 13kW 拉載到 120kW ，用時 4s A動態(tài)減載由 120kW 減載至 13kW ，用時 3s ，達到預期指標。

圖10動態(tài)響應試驗結果

測試結果表明，基于前饋PI控制的進氣策略能夠實現(xiàn)陽極側氫氣壓力對陰極側空氣壓力的穩(wěn)定跟隨，并且保證了系統(tǒng)運行過程中的氫氣流量消耗，克服了傳統(tǒng)機械減壓閥壓力和流量響應慢的缺點。同時，在穩(wěn)態(tài)測試條件下，燃料電池堆最高效率為72.06% ，燃料電池發(fā)電系統(tǒng)最高效率為 57.85% ，氫氣利用率達到 96.10% ，在保證電堆穩(wěn)定運行的同時，實現(xiàn)了陽極氫氣循環(huán)的優(yōu)化控制，系統(tǒng)的反應效率和氫氣利用率得到了有效提高。

5 結束語

根據(jù)氫氣供給系統(tǒng)的特點，建立了基于前饋PI控制的陽極進氣控制策略，對氫氣入堆壓力進行穩(wěn)定控制。針對引射器、循環(huán)泵并聯(lián)的氫氣循環(huán)系統(tǒng)，設計了循環(huán)泵和尾排閥的前饋控制策略。對控制策略進行了控制器硬件在環(huán)測試和燃料電池系統(tǒng)臺架測試，測試結果表明：電堆氫氣入堆壓力穩(wěn)定，能夠很好地跟隨陰極空氣壓力的變化，與傳統(tǒng)PI控制相比，引入尾排前饋補償?shù)那梆丳I控制后，響應速度和穩(wěn)定性均有所提高，穩(wěn)態(tài)工況下氫氣壓力跟隨控制精度達到 98.93% ，動態(tài)工況下氫氣壓力跟隨控制精度達到 94.47% ，動態(tài)加載時由怠速 13kW 拉載到 120kW 用時4s。氫氣循環(huán)泵轉速設置合理，在低功率區(qū)配合引射器工作，氫氣循環(huán)量能滿足氫氣子系統(tǒng)的需求。仿真和臺架試驗的結果證明，基于前饋PI控制的進氣控制策略有效實現(xiàn)了燃料電池系統(tǒng)氫氣供給系統(tǒng)的穩(wěn)定控制。

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Abstract：Stable hydrogen supply helpsto enhance the eficiency，lifespan and stabilityoffuelcellsystems.For the 100kW fuelcellsystem，thedevelopmentofanodecontrolstrategywasconducted.AfeedforwardPIcontrolerwasusedtoregulatethe anodehydrogeninletpressre.Furthermore，thecontrolstrategyofthecirculationpumpandtheexhaustvalveweredesigned. ThesimulationresultsindicatethatthefeedforwardPIcontrolofersfasterresponsevelocityandhigherstabilitythantraditional PI control. The bench test results demonstrate that the anode pressure control accuracy reaches 98.93% ，and the power tracking control accuracy achieves 98.78% .Themaximum efficiency of fuel cell stack reaches 72.06% ，while the maximum efficiency of fuel cell power generation system reahces 57.85% .This anode control strategy effectively achieves the stable control of hydrogen supply system in fuel cells.

Keywords：fuel cell;pressure control;feedforward control;HIL;bench tes'

[編輯：姜曉博]