1.4 燃料电池系统控制

系统硬件集成后，仍需要一套完整的控制方案对燃料电池系统的空气供给、氢气供给、热管理子系统进行控制。如果说巧妙的系统集成设计为燃料电池提供了一副强健的“体魄”，那么合理的控制技术就是燃料电池系统的“大脑”。“大脑”先进程度直接决定了燃料电池系统零部件的执行与配合表现，从而决定了系统运行效果。从燃料电池系统结构角度分析，燃料电池系统控制主要由空气供给子系统控制、氢气供给子系统控制及热管理子系统控制等功能模块组成。此外，燃料电池在某些极端条件下的控制也正在得到越来越多的关注，从而提升系统的环境适应性，典型的案例是燃料电池低温冷启动控制。

1.4.1 空气供给子系统控制

反应物的供给直接决定了系统的输出表现，相比于氢气供给子系统降压型控制，空气供给子系统是升压型控制，需要例如空压机的外部做功器件来对空气进行加压，保证阴极侧还原反应具有足够流量和压力的空气。此外，空气供给子系统构成相对较为复杂，控制执行机构较多，同时控制过程中流量和压力之间具有较强的耦合性，进而导致空气供给控制成为燃料电池系统控制技术中的一大难点。

在空气供给子系统控制过程中，一般采用氧气过量系数作为当前氧气供给是否充足的指标，氧气过量系数定义为进入燃料电池的氧气流量与反应所需的氧气流量比值。过低的氧气过量系数会使燃料电池处于缺氧状态，导致燃料电池传质损失和电荷传递损失快速上升，输出电压急剧下降，严重缺氧甚至会造成催化剂脱落聚集和碳层腐蚀等一系列不可逆损伤。而过高的氧气过量系数会导致压缩机能耗较高，导致燃料电池系统净输出功率降低。因此在车用复杂工况下，要求空气供给子系统能实时根据负载需求变化将氧气过量系数快速准确地控制在合适的水平，从而保障燃料电池的持续正常工作。

针对燃料电池空气供给子系统氧气过量系数的控制，目前最成熟且常用的是通过比例-积分-微分（PID）算法对空压机和背压阀进行协同控制。因为算法简单，PID控制可以在燃料电池控制单元（fuel-cell control unit，FCU）中以较小的储存空间和计算资源实现对空气侧流量与压力的目标值实时追踪。然而在应对复杂多变的车用工况时，PID因其控制参数固定，通常在响应速度和控制精度上难以同时达到较好的表现。因此，随着燃料电池系统控制更高要求的提出以及先进控制算法的普遍应用，空气供给子系统控制技术也不断进步。例如，考虑到模糊控制在处理非线性控制问题上具有高效、高鲁棒性等优势，有研究人员采用模糊逻辑与PID结合的方法对空压机转速进行实时控制，即PID参数通过模糊规则根据目标流量和实际流量的差值及差值变化率实时修正，结果表明引入模糊规则后流量和压力波动明显减小，适用于更复杂的车用工况。滑模控制算法也具有鲁棒性强、响应速度快、实时性好等优点，这使得它在燃料电池空气供给控制中也得到了相关应用，结果显示滑模控制在空气流量和压力快速响应方面具有一定的优越性。

对于燃料电池空气供给子系统中的流量和压力耦合性问题，基于传统双PID控制空压机和背压阀的方式通常有较大的流量误差和压力波动。因此，燃料电池空气路流量-压力解耦控制也引起了关注。为了解决耦合问题，有学者研究系统输入-输出响应，利用系统传递函数特性对控制信号进行解耦，但随着燃料电池系统执行机构增多，空气路控制将面临多输入-多输出问题，因此基于模型的控制方法因其可实时优化的优势而得到发展。例如，可利用模型预测控制（model predictive control，MPC）对氧气过量系数和压力进行控制，基于实时优化结果得到执行器控制输入。此外，目前大部分车用燃料电池系统采用的是离心式空压机。由于高转速特性，离心式压缩机在运行过程中存在喘振现象，容易造成空压机和电堆损伤。因此，对于目前的燃料电池空气供给子系统，不仅需要关注氧气过量系数的精确控制，也要关注燃料电池系统运行安全与零部件使用寿命，并针对性地设计具有高鲁棒性、高精确性且具有喘振故障保护的控制策略。

1.4.2 氢气供给子系统控制

氢气压力对燃料电池输出性能具有直接影响，供氢压力过低会引起氢饥饿现象，同时考虑燃料电池的耐久性和可靠性，阳极和阴极之间的供气压差应严格控制在合理范围内，压差过大易导致膜承受过度的机械应力，引起膜裂纹损伤，增加气体渗透率和氟化物释放速率，最终导致燃料电池性能下降甚至损坏，因此对阳极压力波动控制具有较高要求。

就商业化燃料电池系统而言，阴极进气由空压机提供，通过空压机转速和背压阀开度同步控制空气质量流量和压力。空压机升压时具有固有滞后特性，而氢气则存储在高压储氢瓶中，是降压型控制，所以阴极侧压力调节速度明显比阳极侧慢。因此，通常采用阳极目标压力主动跟踪阴极侧压力方式将阴、阳极压差控制在合理范围内。因此，阳极控制主要目标一方面是减小膜受到的压力冲击，另一方面是避免氢饥饿。

目前，氢气供给子系统通常具有循环回路设计，以提高氢气利用率。气液分离器和排氢阀也安装在阳极侧出口处，以定期或不定期地排放从阴极侧渗透的液态水和氮气，以避免阳极侧水淹和缺气。当排氢阀从关闭状态打开时，氢气质量流量会突然增加，但此时氢气比例阀响应具有迟滞，导致氢气压力将瞬时降低，从而造成较为严重的氢气压力波动。早期阳极侧压力控制主要基于压差比例控制器，使阳极压力能够快速跟随阴极压力的变化，而这种方式在实际应用中仍未解决排氢过程导致的氢气压力波动大的问题。对此，有研究在阳极侧引入了状态反馈控制器，同时调节了阳极侧的压力和湿度，通过反馈控制减小了排氢的影响。也有学者针对氢气供给子系统非线性特性问题，引入非线性模型预测控制策略，通过串级控制结构，实现阳极内部的湿度和压力耦合调节。此外，也可将电流信号和排氢信号作为前馈以提升比例阀对于排氢的响应，从而减小氢气压力波动。也有相关学者开展了鲁棒预测控制器、基于模型控制器和H_∞控制器的氢气压力控制研究，发现基于模型控制器比传统反馈控制具有更好的性能。进一步地，合理地将阳极侧水和氮气及时排出防止水淹，同时维持压力稳定供给，提升氢气利用率等因素综合考虑，也是氢气供给控制研究重点。

1.4.3 热管理子系统控制

不同于传统燃油车辆通过废气和散热回路可以将温度在大范围内维持稳定，燃料电池系统是化学反应装置，一半左右的反应能量会转化为不可逆热量，排气输出热量占比小，绝大部分热量需要通过辅助散热带出。燃料电池电化学特性使其对运行温度的敏感性远大于传统内燃机，因此燃料电池工作温度需要被精确控制。除了温度本身对电化学反应具有影响外，燃料电池内部水和热同样具有强耦合，温度对内部含水量的影响也会进一步影响燃料电池输出性能。例如，低温会降低燃料电池内部催化活性，同时饱和水蒸气压低，内部水蒸气易冷凝形成液态水，容易导致电堆出现水淹故障。高温容易引起燃料电池膜和催化材料降解，易造成膜干、局部烧蚀和穿孔现象。通常，对于功率小于10kW的小型燃料电池系统而言，可以采用风冷或者自然冷却的方式进行温度调节。然而，对于车用燃料电池系统，其功率较大，此时电堆集成度高且单体间散热不一致性明显，需要设计专用冷却液流道加强实时换热，并通过冷却液将多余热量带出。与稳态工作时不同，动态工况下燃料电池输出在变化的同时产热也不稳定，需要通过反馈控制来调整冷却液温度和流量，从而保证电堆温度稳定性。

然而，燃料电池热管理系统比较复杂，管路和腔体较多，冷却液热容效应明显。随着燃料电池汽车向着全功率形式发展，动态工况下燃料电池承担功率也逐渐增大。而车用大功率燃料电池系统的温度闭环控制会存在明显的非线性和迟滞特征。在动态工况下，系统温度误差和波动将进一步加大，降低了车用燃料电池实时运行表现。

针对燃料电池主动温度控制，最为广泛运用的是PID控制方法，其虽然简单易于执行，但由于调节参数固定，在动态工况下温控响应较慢、波动较大。为更好地处理燃料电池系统复杂非线性问题，模糊逻辑控制常用于温度控制。基于实际调节经验，针对不同外部工况设计离线的模糊规则，从而使温度控制具有一定的动态工况和非线性适应能力。同时，采用模糊规则也可以在一定程度上实现温度-湿度解耦效果。例如，有研究采用了多输入-多输出模糊控制对温度和湿度进行协同控制，控制结果比传统PID有所提升。此外，随着智能控制的兴起，其他的先进控制算法也被用于燃料电池热管理中，例如，通过建立参考模型和自适应机制，根据控制模型与参考模型温差以及当前实际温度情况更新控制增益，从而应对温度控制中的不确定性。另外，滑模控制、自抗扰控制策略等也被引入热管理控制问题中，比传统方式具有更好的效果。模型预测控制作为一种快速兴起的智能控制算法，因其具有对模型要求低、适合处理多输入-多输出情况，同时在每个控制时刻实时求解带约束的最优控制问题等多个优势，在燃料电池热管理系统的多输入-多输出优化控制中也越来越受关注。

1.4.4 低温冷启动控制

低温冷启动过程中，燃料电池生成水结冰会产生不平衡应力，当冰由于升温融化而体积变小时，应力逐渐消失。随着不断的结冰与融化，燃料电池中不平衡应力的重复产生和消失将在一定程度上损害关键部件（如质子交换膜、催化层、气体扩散层等）的结构，进而造成燃料电池性能的衰减和寿命的降低。为了深入了解冷启动机理，许多学者对燃料电池冷启动水热传输特性进行了研究。通过可视化研究发现，当质子交换膜燃料电池温度在-10℃时，生成水仍可能以过冷水的形式存在，而随着过冷水的凝固放热，出现温度相应升高现象。进一步地，如果不对燃料电池进行气体吹扫，残留水在冷冻后会在多孔介质中结冰，形成的冰又会促使启动过程生成的过冷水更容易在气体扩散层和膜电极界面处逐渐累积结冰；如果在冷启动之前进行气体吹扫，由于缺少被吹扫掉的残留水形成的杂质冰核，反应生成水在气体流道和气体扩散层中会更容易以过冷水的形式存在。也有研究发现阴极催化层中的水积累很快，而膜和阳极催化层的水增加很慢，这是由于低温状态下产水速率大于水扩散速率。有学者使用了热容更小的金属双极板，与使用石墨双极板相比，电池升温更快，更利于冷启动成功。除了产水的影响，启动电流也是冷启动的关键因素。在较大的电流密度下，电化学反应放出的热量可以防止电池内部生成的水冻结，保证电池稳定运行，但是由于电池由内而外存在温度梯度，在阴极外侧的低温区域还是会有冰生成。

目前燃料电池低温冷启动方法有自加热法、外加热法、保温法等，其目的都是加快电池温度上升、抑制冰的形成，从而提高电池低温冷启动性能。针对电池内部产热升温实现低温冷启动的自加热法，主要可以分为以下三种：第一种是通过控制电堆输出特性来实现自加热，该类方法又可细分为控制电流加载法和控制电压加载法等，该类方法相比于其他方法具有更好的节能效果；第二种是通过反应物饥饿产热来实现加热，具体原理为通过减少反应气体供应或者多次短暂大电流加载，使电池内部产生较大过电势，导致内阻增大和内部发热增加，从而实现快速产热，虽然这种方法对于电堆升温极其有效，但该方法也会导致电堆衰减速率加快；第三种是向电堆通入反应混合气体以实现自升温，主要原理是将少量氢气混入阴极供气端，混合后的气体将在电堆阴极催化层上发生类似于催化燃烧的反应，混合气体的化学能将全部转化为热量，使电堆迅速升温，也有相关文献进行了类似的向阳极侧混入氧化物来加热电堆的方案，不过会使得空气中的氮气及其他物质在阳极大量堆积。