sf4来源 | 2019 SAECCE论⽂集，AUTO⾏家
作者 | 丁天威，黄兴，王宁鹏，由禄成，都京，浦及，赵⼦亮，马秋⽟
导读：氢燃料电池汽车被认为是应对环境保护问题的解决⽅案之⼀，本⽂在分析燃料电池氢⽓供给系统结构及原理的基础上，重点研究了氢⽓压⼒控制⽅法，基于氢回路中的质量守恒和能量守恒，建⽴了氢⽓回路AMESim仿真模型，⽤于分析燃料电池中氢⽓⼦系统压⼒变化，基于仿真结果在50kW 燃料电池系统中对传统 PID 控制与增加前馈控制的氢⽓压⼒波动情况进⾏了对⽐试验。结果表明增加前馈控制策略能使压⼒控制精度得到明显改善，能够有效解决压⼒控制迟滞现象，有利于延长电堆的使⽤寿命。
引⾔
近年来，随着⼯业的发展，化⽯燃料的应⽤⽇渐增多，在给⼈类⽣活带来便利的同时，对环境的影响也不容忽视，汽车尾⽓的排放也是影响环境的众多因素之⼀，为此许多国家制定了计划禁售燃油车的时间点，新能源车备受关注。其中，氢燃料电池汽车作为新能源车的⼀个重要分⽀，具有燃料加注速度快、效率⾼和绿⾊环保零排放等诸多优点，被认为是汽车动⼒的终极解决⽅案之⼀。燃料电池汽车在⽇韩欧美等国家和地区起步较早，近⼆⼗年我国才逐渐有部分整车企业推出燃料电池功能样车、⽰范运⾏车或量产车。
⽬前国内燃料电池汽车的寿命相⽐国外还有差距，在现有基础上尽量提升燃料电池耐久性显得尤为重要。有研究表明，燃料电池⽓体压⼒波动将加速燃料电池系统⽼化，国内外学者针对供⽓压⼒控制进⾏了⼴泛的研究。Yoshitomo ASAI 等将氢消耗视为系统扰动，建⽴了基于数学模型的空⽓压⼒和质量流量两变量滑膜控制策略。Imad Matraji等提出了基于螺旋算法的⼆阶滑膜压⼒调节控制策略，在负载变化情况下具有良好的瞬态响应。清华⼤学⽅川等建⽴了基于物理⾮线性模型的仿真试验台，并对鲁棒预测控制、模型预测控制和H控制的控制效果进⾏了对⽐。同济⼤学陈凤祥等建⽴了⼀个基于共轨的供氢系统模型，通过分析系统参数，有效控制了燃料电池系统的氢⽓压⼒波动。Alireza Ebadighajari 等提出了采⽤两个⽐例控制阀作为执⾏器的模型预测控制⽅法，并⽤于9-cell燃料电池电堆氢⽓压⼒控制仿真和试验。Rupendra Kumar Pachauri等提出了基于⽐例积分、模糊逻辑和神经⽹络的氢⽓和氧⽓流量压⼒控制⽅案，通过实测对⽐得出神经⽹络控制在响应速度和氢耗上具有优势。
常规车载燃料电池系统的⽓体供给，空⽓端为空压机提供的压缩空⽓，氢⽓端为⾼压氢瓶经减压后提供的氢⽓，由于空压机的固有特性，使得空⽓压⼒控制的时间长于氢⽓压⼒，故常采⽤氢⽓压⼒跟随空⽓压⼒控制的策略，因此氢⽓压⼒的控制效果尤为重要。本⽂结合实际车载燃料电池系统，对氢⽓供给回路进⾏了建模，并提出了基于前馈调节的氢⽓压⼒控制策略，经过仿真与台架测试，具有较好的实际控制效果，程序逻辑清晰且⾼效简洁，易于在车载控制器中实现氢⽓压⼒实时控制。
1、车⽤燃料电池氢⽓供应系统
1.1氢⽓⼦系统原理
氢⽓供应系统作为车⽤燃料电池系统的重要组成部分，与电堆、空⽓供应系统、⽔热管理系统和电⼦电⼒系统协同⼯作，保证氢⽓流量、压⼒的稳定供应，并实现氢⽓循环利⽤。保福寺 法拉利
车⽤燃料电池氢⽓供应系统简化结构如图1所⽰。⾼压储氢罐是系统的氢⽓来源，氢⽓经过减压阀，压⼒降⾄适宜系统使⽤的范围，通常情况为10bar左右。氢进阀⽤于控制进⼊电堆的氢⽓量，进⽽控制电堆氢⽓回路的压⼒，氢进阀的具体形式可以为⽐例调节阀、开关阀或多个开关阀组。简化图中将电堆氢⽓流道及氢循环结构作为⼀个整体，氢循环结构常⽤氢⽓循环泵或者引射器实现，通过氢循环不仅提⾼了氢⽓的利⽤率，也有助于电堆内部⽔的排出，进⽽保证了电堆单体的⼀致性。尾排阀⽤于排出氢⽓回路中的⽔以及从电堆阴极渗透到氢⽓回路中的氮⽓等⽓体杂质，具体形式可以在尾排处安装分⽔器，并设置排氢阀和排⽔阀，按照系统⼯况通过程序计算排⽔和排⽓的时间与周期。
燃料电池阳极的反应如式（1）所⽰，氢⽓在电堆催化剂层的作⽤下，活化能降低，每个氢分⼦离解为2个氢离⼦和2个电⼦，氢离⼦透过电堆质⼦交换膜，电⼦通过外部电路到达阴极，形成电流。
1.2氢⽓⼦系统压⼒控制
由于燃料电池⾃⾝膜电极的厚度逐渐降低，其机械强度相应下降，因此空⽓侧及氢⽓侧压⼒的动态控制对于整个燃料电池系统可靠性尤为重要，然⽽，在实际应⽤的过程中，由于负载变化所导致的氢⽓消耗、排氢阀和排⽔阀的周期性⼯作及系统氢⽓路压⼒设定等诸多因素耦合。正负反馈对系统氢⽓路压⼒影响，对于系统氢⽓路控制带来很⼤的难度。
其中传统的PID控制是以氢⽓路实际压⼒作为闭环控制量来调节氢进电磁阀的开关控制量，此种控制⽅式弊端是只有当误差出现时才会对控制量进⾏修正，当条件出现突变的情况时，如排氢阀与排⽔阀开启、负载突然增加等情况出现均会造成氢⽓⼦系统回路出现压⼒突降的情况。
考虑到PID控制⽅法的缺陷，引⼊前馈控制⽅法，对于排氢阀与排⽔阀开启、负载突然增加等⼯况进⾏提前压⼒补偿，最终实现氢⽓⼦系统压⼒跟随命令压⼒的⼯程⽬标。
wey拿铁2、模型描述⾔
2.1氢⽓系统模型
燃料电池系统氢⽓利⽤率对于燃料电池系统的⼴泛使⽤具有重要意义，因此，基于此考虑的燃料电池系统氢⽓路控制策略搭建对于燃料电池系统控制⼯程化应⽤具有重要意义。
针对以上影响因素，列燃料电池氢⽓⼦回路氢⽓平衡⽅程如式（2）所⽰：
暂省略热管理、⽔管理与供氢回氢等组件，并设定以下假设条件：
1）燃料电池电堆温度维持75°C。
www.faw-vw2）燃料电池电堆湿度维持80% 。
3）氢⽓供⽓压⼒稳定，并⽐空⽓供⽓压⼒⾼0. 2bar。
4）空⽓计量⽐遵循电堆供应商的建议值。
5）背压阀开度调节满⾜空⽓路压⼒变化需求。
6）限定燃料电池电堆⼯作在0.6~0.85V的正常电压区间。
2.2反应⼯质条件设定
燃料电池仿真涉及到的⽓体组分包括氢⽓、氧⽓、氮⽓、⽔蒸⽓、⼆氧化碳、氮氧化合物、惰性⽓体等。出于理想状态，并考虑燃料电池系统氢⽓路仿真，针对燃料电池系统氢⽓⼦回路理想状态，本⽂只考虑氢⽓、氧⽓、⽔蒸⽓和氮⽓四种主要⽓体及其混合⽓，⽽忽略其他⽓体种类的影响。此外，⽔有⽔蒸⽓、液态⽔和固体冰的三种状态，本⽂仿真不涉及低温环境，因此模型只需要考虑液态⽔与⽓态⽔两种状态。考虑到在反应中可能涉及到的⽓液相变，需要定义液态⽔的蒸发及冷凝的基本特性。电堆热容在本模型中并不影响仿真的计算结果，但作为电堆模块的主要参数，仍需要定义，此处定义为2500J/kg·K。
通过本案例中使⽤的电堆模型为数表插值类模型，且系统氢⽓路压⼒是跟随空⽓路压⼒进⾏控制，基于不同氢⽓压⼒和输出电流，查表得出输出电压值，仿真模型如图2所⽰，具体数据源⾃⽬前已商⽤的某款电堆实测数据，如图3 所⽰。同时该模型可根据反应机理，计算出电堆阴极和阳极物质反应组分的变化与热功率的实际情况。此外，在电堆模型阳
同时该模型可根据反应机理，计算出电堆阴极和阳极物质反应组分的变化与热功率的实际情况。此外，在电堆模型阳极的出⼝处增加节流孔，⽤以模拟真实管路由于排氢阀物理结构所导致的氢⽓⼦回路压降的物理特性。
根据实际仿真需求，也可增加不同湿度、不同温度的测试数据作为输⼊条件，实现燃料电池电堆多维度仿真。
图2所⽰为氢⽓⼦系统仿真结果，其中压⼒下降是由于氢⽓排氢阀开启所导致的，氢⽓排氢阀的开启会严重影响系统压⼒稳定，因此需要建⽴新的控制⽅法保证系统压⼒稳定。
2.3电堆消耗氢⽓计算
如上所述反应⽅程式（2），基于燃料电池反应的基础化学反应⽅程式可得，因此其反应过⾏程中数值变化与电堆相关参数（即电堆单体数量、单体活化⾯积等）和反应相关参数（即电堆反应电流）相关。
因此对于已知系统，电堆相关参数已经确定，⽽燃料电池反映所造成的氢⽓质量消耗可近似认为与反应电流成正⽐关系。由此可通过数表对于燃料电池系统中由于反应所造成的氢⽓消耗进⾏标定。
2.4电堆排氢阀开关氢⽓消耗计算
本田所有车型电堆排氢阀开关对于燃料电池氢⽓消耗产⽣的影响最⼤，⽽通过排氢阀所造成的氢⽓压⼒损失可通过
燃料电池系统仿真模型进⾏模拟，得出反正数据，从⽽拟合系统燃料电池氢⽓⼦回路尾排阀开启时长对于系统压⼒降所产⽣的影响。
通过此过程的拟合对于燃料电池系统氢⽓供应进⾏前馈调节。
3、基于前馈调节的氢⽓路压⼒控制
如上所述，电堆的氢⽓消耗与排氢阀的开启关闭对于燃料电池氢⽓⼦回路压⼒的影响⼗分明显，因此可通过氢⽓消耗与排氢阀开启关闭时间作为燃料电池系统氢⽓⼦回路压⼒控制中前馈控制，来对系统氢⽓路压⼒进⾏预估及供氢组件及时修正，此种控制⽅式有效避免由于氢⽓消耗与排氢阀开启所导致的氢⽓路压⼒降，为燃料电池系统进⾏功率跟随控制提供必要保障。
传统压⼒反馈控制是通过检测氢回路压⼒，结合⽬标氢压，控制氢进阀的开启状态，实现氢⽓压⼒的控制，虽然该⽅式也能对氢消耗和排氢等压⼒扰动进⾏反馈调节，但反馈控制总是会滞后于扰动，因此引⼊图5中虚线框中的前馈控制，通过控制氢进阀输⼊补偿氢消耗与排氢扰动的影响。
如图6所⽰，为氢⽓预测压⼒控制模型简图，通过前馈控制⽅式，对传统PI压⼒控制器进⾏控制修正。其修正原理为基于仿真结果，以系统氢⽓压⼒与系统当前负载的物理模型所得出的修正值，在排氢阀与排⽔阀开启过程进⾏压⼒补偿，从⽽实现氢⽓压⼒预测补偿功能。
基于系统仿真及系统集成要求进⾏燃料电池系统集成, 并对氢⽓路压⼒控制进⾏台架验证，如下图7所⽰为燃料电池系统测试图⽚。
如图8、图9所⽰，为传统PI氢⽓⼦回路压⼒控制和基于前馈预测的氢⽓⼦回路压⼒控制的操作数据对⽐。其中图 7所⽰为传统PI控制，由于排氢阀与系统氢⽓消耗所导致的氢⽓压⼒下降需要通过PI调节
进⾏恢复因此出现图中压⼒跌落与压⼒回升现象，⽽图8所⽰压⼒控制⽅法为基于负载与系统排氢阀开关所进⾏的氢⽓压⼒预测控制⽅法，有效避免了由于氢⽓消耗和排氢阀开关所导致的氢⽓⼦回路压⼒波动现象。
对⽐两阶段数据，能够看出采⽤具有前馈预测的氢⽓压⼒控制⽅法对于氢⽓压⼒平稳控制具有显著影响。利⽤传统 PI控制，压⼒波动幅度在0.5 ~0.7bar之间；系统采⽤前馈控制后，压⼒波动仅为0. 2〜0. 3bar之间，压⼒波动明显减低。
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