王亞雄，王軻軻，鐘順彬，何洪文，王薛超

（1.福州大學機械工程及自動化學院，福州 350108；2.北京理工大學機械與車輛學院，北京 100081）

前言

質子交換膜燃料電池（下文簡稱燃料電池）具有能量轉化效率高、結構緊湊、啟動迅速、工作溫度低、無電解液的腐蝕與流失和對負載變化響應迅速等特性，適用于交通運輸領域。將燃料電池應用到車用動力系統(tǒng)是解決汽車工業(yè)可持續(xù)發(fā)展問題、助力交通運輸領域實現(xiàn)“雙碳”目標的重要途徑之一。燃料電池汽車的研發(fā)在國內外汽車工業(yè)界已獲得了廣泛關注與重點布局。然而，車用燃料電池系統(tǒng)仍然存在耐久性差、壽命短的短板，一定程度上阻礙了燃料電池汽車大范圍推廣與大規(guī)模商業(yè)化。

燃料電池系統(tǒng)是一個涉及氣、熱、水、電、力的復雜的強耦合、非線性系統(tǒng)，且面臨著啟停、變載、怠速和高負荷等頻繁變化的工況，極端天氣條件下還會存在低溫啟動困難的問題。燃料電池汽車的運行工況和使用環(huán)境的變化，致使車用燃料電池系統(tǒng)無法始終處于高效穩(wěn)定的工作區(qū)間內運行，須快速而準確地控制其工作參數(shù)。此外，作為車用動力源，燃料電池除滿足輸出功率的快速響應性外，還須具備一定的耐久性。現(xiàn)階段提高燃料電池耐久性的研究主要聚焦在新型材料開發(fā)及關鍵部件優(yōu)化設計上。從燃料電池系統(tǒng)控制角度出發(fā)，對濕度變化、負載循環(huán)、啟/停循環(huán)等加速燃料電池衰退的主要因素進行研究，而對運行工作參數(shù)進行準確控制，也可改善燃料電池的耐久性。

本文結構如圖1所示，首先從燃料電池特性、影響耐久性參數(shù)及工作條件3方面對車用燃料電池進行概述，然后介紹燃料電池系統(tǒng)的組成并綜述了燃料電池供氣系統(tǒng)結構、水/熱管理系統(tǒng)結構、功率調節(jié)系統(tǒng)及控制器硬件等，并討論燃料電池系統(tǒng)控制策略對耐久性的影響，重點分析對比各輔助子系統(tǒng)控制策略，介紹現(xiàn)階段常用的低溫啟動方法，總結解決燃料電池汽車低溫啟動問題的研究成果及方向，最后展望車用燃料電池系統(tǒng)電控技術的發(fā)展方向。

圖1 本文結構圖

1 車用燃料電池概述

1.1 燃料電池特性分析

燃料電池的能量轉換原理是：陽極催化氫氣發(fā)生氧化反應，陰極催化空氣發(fā)生還原反應，產(chǎn)生氫離子和電子；質子交換膜實際上是一種聚合物電解質，氫離子在電解質內遷移，電子通過外電路做功并構成電的回路，如圖2所示。

圖2 燃料電池發(fā)電原理圖

燃料電池與原電池和二次電池不同，當向燃料電池內不斷送入燃料及氧化劑時，可不斷地工作并提供電能，僅排出水和熱量，對環(huán)境不造成任何污染。兩個電極發(fā)生的化學反應方程式及總的化學反應方程式如下。

陽極反應：

陰極反應：

總的化學反應：

圖3中極化曲線直觀地展現(xiàn)了燃料電池的電氣特性，即燃料電池的電壓隨電流密度的變化趨勢。電壓隨著電流密度的增加經(jīng)歷了活化極化、歐姆極化和濃差極化3個區(qū)域。為提升燃料電池耐久性、保證車用燃料電池系統(tǒng)高效穩(wěn)定運行，應盡量使其工作在歐姆極化區(qū)域。

圖3 燃料電池電氣特性圖

燃料電池單體的輸出電壓等于開路電壓減去極化損失，極化損失包括活化極化、歐姆極化和濃差極化等損耗，因此實際工作過程中燃料電池無法達到熱力學理論預計的電壓輸出。而燃料電池的開路電壓和極化損失又受到反應氣體供給、工作溫度和電流密度等參數(shù)的影響，為維持電池穩(wěn)定的電壓輸出應合理調節(jié)上述參數(shù)。

1.2 影響燃料電池耐久性的參數(shù)分析

汽車運行工況復雜多變，車載條件下燃料電池負載不斷變化、催化劑活性降低、質子交換膜性能衰減等原因均對電堆使用壽命產(chǎn)生影響，導致車用燃料電池系統(tǒng)服役時間短。在現(xiàn)有材料技術的基礎上，改進陰/陽極構型，制定并優(yōu)化氫氣管理系統(tǒng)、空氣供給系統(tǒng)、水/熱管理系統(tǒng)控制策略，減少在不利條件下工作的時間，避免“氧饑餓”、“膜干”、“水淹”等現(xiàn)象的發(fā)生，實現(xiàn)在實際運行環(huán)境中的全工況優(yōu)化管控，以達到提升車用燃料電池系統(tǒng)耐久性的目的。

在燃料電池啟動和停機的過程中在陽極出現(xiàn)的混合氣體是導致燃料電池性能衰退的最主要的因素。Reiser等提出了反向電流機理：當燃料供應不足或處于怠速工況運行時，陽極室會發(fā)生氫氣和氧氣共存現(xiàn)象，出現(xiàn)混合氣體從而形成局部氫/空界面，導致陰極局部區(qū)域出現(xiàn)高電位，加速催化劑碳載體的氧化腐蝕，從而影響燃料電池耐久性。同時怠速工況下低溫循環(huán)使質子交換膜反復膨脹和收縮，產(chǎn)生機械應力，造成膜電極的機械損傷，低負荷運行會加速質子交換膜的分解。變載工況下電位循環(huán)使催化劑Pt顆粒團聚，有效催化面積減小，降低燃料電池的使用壽命。高負荷工況運行時，燃料電池效率降低，電堆的發(fā)熱量甚至大于輸出功率，此時大功率放電導致質子交換膜及催化劑層快速衰減。

當燃料電池處于上述工況或在幾種工況之間頻繁切換時，不僅會直接損壞燃料電池內部結構，而且還會造成燃料電池工作溫度、濕度、壓力的波動等不穩(wěn)定現(xiàn)象的發(fā)生，對燃料電池造成進一步的損害，影響燃料電池輸出功率和耐久性等。從燃料電池內部來看，工作溫度、流量、濕度和壓力等運行參數(shù)是影響燃料電池耐久性的系統(tǒng)因素，而質子交換膜的厚度、結構材料和催化劑等屬于本征因素，在燃料電池被制造時就已確定，無法通過電控技術改變。因此需要合適的電控技術控制系統(tǒng)因素，來提升燃料電池的耐久性。

控制脈沖壓力可以增強傳質過程，緩解質子交換膜性能的衰減，提升燃料電池性能與耐久性。高背壓和壓力波動會影響燃料電池耐久性。燃料電池系統(tǒng)的電功率隨背壓的增加而增加，而相應的空壓機的功耗也隨之增加。若電堆在高背壓下運行時，液態(tài)水不能被廢氣及時帶走，會導致“水淹”現(xiàn)象的發(fā)生。

通過控制反應氣體濕度可調節(jié)質子交換膜的含水量。而濕度對燃料電池電堆性能的長期影響表現(xiàn)在濕度對催化劑層結構的破壞。水管理不當會發(fā)生膜干或水淹現(xiàn)象。膜的脫水會增強歐姆極化，加劇碳載體腐蝕，降低催化劑活性，使燃料電池性能衰減；“水淹”則會導致燃料電池輸出電壓明顯下降。

合理調節(jié)燃料電池工作溫度可以改善燃料電池的耐久性，工作溫度過高不僅會導致質子交換膜脫水、收縮甚至破裂，還會加速催化劑降解。此外，燃料電池電堆內部的溫度分布不均勻、溫差過高會使流道內出現(xiàn)局部冷凝現(xiàn)象，導致燃料電池性能惡化。Lim等研究不同運行條件對碳載體腐蝕的影響。結果顯示，反應氣體的濕度和溫度是加劇碳載體腐蝕的主要因素。

燃料電池的性能與其氣、水、熱的控制密切相關，當催化劑層中水含量過多時，過量的水會沖淡反應氣體的濃度，同時阻塞反應區(qū)的氣體通道，造成水淹電極從而影響電池性能；而當質子交換膜中水含量過少時會引起質子交換膜的質子傳導能力下降，導致電池性能變差，因此需要合適的控制器及策略來提高燃料電池的性能。

1.3 燃料電池工作條件分析

燃料電池氫氣管理系統(tǒng)須控制陽極壓力去跟蹤陰極壓力，使電堆陰陽極之間的壓差維持在較小范圍內，以保證組分的傳遞和質子交換膜的結構穩(wěn)定。氫過量系數(shù)須維持在1~2之間。氫過量系數(shù)過高，陰陽極之間壓力差增大，質子交換膜上產(chǎn)生應力，進而導致膜的壽命降低；氫過量系數(shù)過低導致氫饑餓，造成電流密度分布不平衡，電池性能衰退，嚴重時甚至會導致反極現(xiàn)象的發(fā)生，直接影響電池的耐久性。

對于空氣供給系統(tǒng)，氧過量系數(shù)也須維持在1~2之間，氧過量系數(shù)過低會出現(xiàn)“氧饑餓”現(xiàn)象，導致質子交換膜表面產(chǎn)生熱點，對膜造成不可逆的損傷；氧過量系數(shù)過高會出現(xiàn)“氧飽和”現(xiàn)象，導致空氣壓縮機功耗升高，降低燃料電池系統(tǒng)的效率。

燃料電池的工作溫度在一般在60~80℃附近，溫度過低催化劑活性降低，活化極化損失增大，甚至出現(xiàn)液態(tài)水，發(fā)生“水淹”現(xiàn)象；若散熱不及時，過高的溫度則會導致“膜干”，引起質子交換膜降解，歐姆極化損失增加，極大地降低燃料電池發(fā)電效率。此外，冷卻水進出口溫差須控制合理，將其維持在5~7 ℃之內。

燃料電池工作過程中還要保證水電滲作用和擴散作用速率的相等，以維持膜內的水平衡，避免堵塞氣體通向催化劑層的通道。因此燃料電池應工作在一定的溫度與濕度條件下，并維持一定的陰陽極壓差及水平衡，以保證燃料電池高效穩(wěn)定運行。

車用工況下負載不斷變化，燃料電池只能被動響應，不可避免地會處于不利的工況下運行，引起工作溫度、反應氣體流量、濕度和壓力等參數(shù)的劇烈波動，甚至出現(xiàn)“氧饑餓”、“膜干”和“水淹”等現(xiàn)象，嚴重影響車用燃料電池系統(tǒng)的穩(wěn)定性與使用壽命。在燃料電池動力系統(tǒng)中，合理的功率分配，可改善燃料電池系統(tǒng)的動態(tài)響應，同時結合DC/DC變換器抑制紋波，防止燃料電池內部水管理失效或發(fā)生饑餓現(xiàn)象，改善燃料電池耐久性。

2 車用燃料電池系統(tǒng)分析

2.1 燃料電池系統(tǒng)結構

典型的燃料電池動力系統(tǒng)通常包含多個動力源，主要由燃料電池系統(tǒng)、車載儲能裝置、DC/DC變換器和驅動電機及其控制系統(tǒng)等構成，其中燃料電池發(fā)電系統(tǒng)結構如圖4所示，除燃料電池電堆外，還包括氫氣管理系統(tǒng)、空氣供給系統(tǒng)、水/熱管理系統(tǒng)等一系列輔助子系統(tǒng)，以及功率調節(jié)系統(tǒng)和硬件部分的控制器等。

圖4 典型燃料電池發(fā)電系統(tǒng)結構圖

燃料電池單體電池主要由膜電極組件和雙極板構成。單體電池輸出電壓低、電流密度小，為獲得更高的電壓和功率，通常將多個單體電池串聯(lián)構成燃料電池電堆。雙極板可將相鄰單體電池隔開，并為單體電池提供氣體流路。

氫氣管理系統(tǒng)中氫氣由壓力調節(jié)裝置降壓后進入燃料電池電堆參與反應，并根據(jù)流量數(shù)據(jù)實時調節(jié)電磁閥送入電堆的氫氣的壓力和流量，避免出現(xiàn)氫氣供給不足，未反應的氫氣經(jīng)氫氣循環(huán)裝置送回電堆，以提高氫氣的利用率。

空氣供給系統(tǒng)中的空氣則經(jīng)空氣壓縮機增壓后送入燃料電池電堆，系統(tǒng)的發(fā)電量隨著空壓機工作壓力的增大而增大，然而空壓機功耗占燃料電池系統(tǒng)輸出功率的13%，占系統(tǒng)寄生功耗的90%。

燃料電池電堆工作時伴隨著大量的熱產(chǎn)生，冷卻水在水泵的作用下在燃料電池電堆內部循環(huán)流動，經(jīng)散熱器和冷卻風扇進行降溫，通過熱交換將部分熱量帶出堆外。熱管理系統(tǒng)根據(jù)溫度，實時調節(jié)水泵和冷卻風扇轉速，以控制冷卻水流量和溫度，從而達到散熱的目的。在燃料電池中，水管理與熱管理通常耦合在一起，水在氣室中的飽和壓力受溫度影響而呈指數(shù)增長，這意味著高溫環(huán)境下質子交換膜易脫水皺縮，甚至導致質子交換膜破裂；液態(tài)水蒸發(fā)和水蒸氣冷凝分別伴隨著熱量的吸收和釋放。

為給負載提供穩(wěn)定的工作電壓，須對燃料電池電堆輸出功率進行控制，根據(jù)發(fā)電系統(tǒng)內部裝置所消耗功率和對外輸出功率的要求，通過DC/DC或DC/AC對電流、電壓進行調節(jié)。

燃料電池系統(tǒng)控制器屬于整車智能控制系統(tǒng)中的一部分，須與整車控制器和上位機進行通信。通信監(jiān)控系統(tǒng)的作用是記錄和保存運行期間燃料電池系統(tǒng)的各項數(shù)據(jù)。通過與整車控制器通信獲取當前車輛的運行信息，為各子系統(tǒng)的控制提供依據(jù)，利用上位機的組態(tài)軟件將數(shù)據(jù)直觀地顯示出來，方便研究人員進行分析與調試。

2.2 燃料電池供氣系統(tǒng)結構

電控技術依賴于實際執(zhí)行器，隨著車用燃料電池系統(tǒng)的不斷發(fā)展，燃料電池供氣系統(tǒng)也逐步發(fā)展出新結構。通過控制器、供氣系統(tǒng)結構等燃料電池系統(tǒng)硬件方面的改進，適應不斷提高的控制要求。傳統(tǒng)車用燃料電池系統(tǒng)空氣流路結構設計為：在陰極入口處設有空氣濾清器、空氣壓縮機、加濕器等裝置，空氣經(jīng)過濾增壓和增濕等操作后泵入燃料電池電堆，并通過設置在陰極出口處的節(jié)氣門調節(jié)陰極壓力水平。為減小系統(tǒng)體積，提高冷啟動性能，Xu等設計了一種具有陰極再循環(huán)系統(tǒng)的自增濕型燃料電池，取消外部加濕器，利用再循環(huán)閥將陰極側入口處的干燥空氣與濕潤的廢氣混合后送入燃料電池電堆進行反應。結果表明，通過精確控制廢氣再循環(huán)率和運行參數(shù)，所設計的陰極再循環(huán)式燃料電池系統(tǒng)與傳統(tǒng)燃料電池系統(tǒng)效率相當。并在之后的研究中發(fā)現(xiàn)陰極再循環(huán)式燃料電池系統(tǒng)具有更好的增濕效果。

在車用燃料電池系統(tǒng)中，設計了多種氫氣流路結構，如氫氣死端模式、氫氣循環(huán)模式等不同的閉端技術，來回收未完全反應的氫氣，以提高氫氣的利用率，優(yōu)化燃料電池陽極水管理，提升燃料電池的性能和壽命。

氫氣死端模式是通過對陽極出口進行封堵以增加燃料電池電堆的運行壓力，同時提高氫氣的利用率。然而，在燃料電池系統(tǒng)正常工作的過程中，由于陽極出口處于關閉狀態(tài)，極易導致陽極側發(fā)生“水淹”，并且造成雜質在陽極側聚集，影響使用壽命。因此，該操作模式難以滿足車用燃料電池系統(tǒng)耐久性與可靠性的使用要求，難以進行商業(yè)化應用。為使燃料電池處于穩(wěn)定的水、氣平衡狀態(tài)，保證其高效運行，常采用氫氣循環(huán)方案。不同氫氣循環(huán)方案技術的對比見表1。

表1 氫氣循環(huán)方案技術對比

氫氣循環(huán)方案是未來主流的技術發(fā)展方向，通過氫氣的循環(huán)再利用不僅提高了燃料經(jīng)濟性，而且可使氫氣和水分均勻分布在燃料電池電堆內部，優(yōu)化陽極側水管理，延長燃料電池的使用壽命。目前商業(yè)化裝車應用較為廣泛的是單氫氣循環(huán)泵循環(huán)方案和單引射器循環(huán)方案。為解決氫氣循環(huán)泵寄生功耗高等問題，開發(fā)結構緊湊、性能高、功耗低的氫氣循環(huán)泵是未來技術發(fā)展方向。針對低功率下引射器工作效果不佳、穩(wěn)定性差等問題，可通過優(yōu)化結構等方式提高引射性能，擴大工作范圍，進而保證氫氣循環(huán)的效果。在未來高性能車用燃料電池系統(tǒng)中，應采用氫氣循環(huán)泵或引射器多級循環(huán)裝置并聯(lián)的氫氣循環(huán)方案，同時引入智能控制策略，解決多級循環(huán)裝置間匹配與協(xié)同工作問題，這有望提升車用燃料電池系統(tǒng)的綜合性能。

2.3 燃料電池水/熱管理系統(tǒng)結構

通過對流場的形狀、尺寸、布置等方面的結構設計和參數(shù)優(yōu)化可改進系統(tǒng)水管理性能，但相應地這些改進措施也在一定程度上增加了系統(tǒng)的復雜性與成本。對于水管理系統(tǒng)結構的改進主要可以從增濕與排水兩方面入手，同時結合熱管理技術促進液態(tài)水的蒸發(fā)并減小氣態(tài)水的冷凝。

燃料電池汽車啟動時，電堆溫度低，冷卻液不經(jīng)散熱器進行小循環(huán)從而使電堆溫度快速上升，當電堆溫度上升至合適工作溫度后，冷卻液經(jīng)過散熱器進行大循環(huán)降低電堆溫度。通過節(jié)溫器可以根據(jù)冷卻液溫度調節(jié)進入散熱器的水量，其布置又分為一進兩出和兩進一出兩種結構形式，二者的不同之處在于節(jié)溫器布置在散熱器的上游或下游。一進兩出的布置形式，溫度響應迅速，冷卻液溫度低；兩進一出的布置形式，對水溫的控制相對延遲，可減小冷熱沖擊。

2.4 燃料電池功率調節(jié)系統(tǒng)結構

受內部材料活性及外部負載變化的影響，燃料電池輸出范圍較寬。同時燃料電池需要一定的電化學反應時間完成能量的轉換，動態(tài)響應速度較慢，無法滿足復雜多變的汽車運行工況下的功率輸出需求。由于燃料電池自身不能作為儲能裝置，大多數(shù)車用燃料電池動力系統(tǒng)均配有蓄電池、超級電容等車載儲能裝置。為保證燃料電池高效安全穩(wěn)定地向負載供電，緩解車載狀態(tài)下燃料電池性能衰減，可采用能量管理和功率調節(jié)系統(tǒng)進行功率控制，通過DC/DC變換器對電流電壓進行調節(jié)，提供符合使用要求的功率輸出，實現(xiàn)車用燃料電池動力系統(tǒng)功率分配，提高燃料電池汽車整車效率。

DC/DC變換器可將燃料電池輸出的直流電能轉化為負載所需的電壓或者電流可控的直流電能，通過DC/DC變換器進行功率控制，使燃料電池輸出穩(wěn)定、高質量的電流，從而起到改善燃料電池耐久性的作用。常用分類標準中按是否有變壓器將DC/DC變換器拓撲機構分為隔離型和非隔離型兩類。其中，非隔離型拓撲結構開關器件少、結構簡單、成本低廉。但單極拓撲機構受限于增益比，在車用燃料電池系統(tǒng)等大功率應用場景中，隨著增益比增加其轉換效率逐漸降低。隔離型拓撲結構中引入高頻變壓器實現(xiàn)高低壓側的電氣隔離，在提高安全性的同時增大了變換范圍。但由于體積的增大與損耗增加等原因，降低了系統(tǒng)功率密度，同時高效大功率高頻變壓器也面臨設計難度大、制作工藝復雜等問題。

2.5 燃料電池控制器

車用燃料電池系統(tǒng)的特點就是負載不斷變化，頻繁經(jīng)歷啟停工況、變載工況、怠速工況和高負荷工況，極端運行條件下甚至面臨低溫啟動困難問題。為了使內部的化學反應根據(jù)不同工況的輸出需求進行，通過燃料電池系統(tǒng)控制器完成各種控制?？刂破鞯膬?yōu)劣決定了燃料電池電堆的使用性能、安全性和壽命。燃料電池系統(tǒng)控制器硬件設計方案一般有集中式控制和分布式控制兩種。

集中式控制設計方案，即所有信號都匯聚到一塊主板上，控制信號也從主板發(fā)出，所有模塊之間可以直接進行數(shù)據(jù)交換。但這種控制方案具有主板運算量大、擴展與升級難度大等缺點。

胡佳麗以STM32芯片為核心進行燃料電池系統(tǒng)控制器的設計，實現(xiàn)多路模擬信號采集、多路控制信號輸出、通信和報警等功能，并驗證了控制器的有效性。潘瑞則以飛思卡爾汽車級16位微處理器MC9S12XEP100為核心，結合電源、傳感器模塊和外圍電路完成燃料電池系統(tǒng)控制器的硬件設計；軟件設計方面，分別基于μC/OS II操作系統(tǒng)和MATLAB/Simulink完成底層軟件與應用層軟件的開發(fā)；設置多個CAN總線接口，實現(xiàn)與上位機及單體電壓檢測模塊通信；此外，基于模塊化設計方法采用LabVIEW建立燃料電池通信與監(jiān)控系統(tǒng)，實時在線監(jiān)測燃料電池系統(tǒng)工作過程中的各項參數(shù)。智能化與網(wǎng)聯(lián)化技術為新能源汽車發(fā)展賦能，電控單元集成化發(fā)展的趨勢推動域控制的實現(xiàn)，將汽車電子按域劃分，利用中央網(wǎng)關及高性能處理器等軟硬件設備，在傳感器等設備逐漸增多、系統(tǒng)架構逐漸復雜的情況下保證汽車安全、可靠運行。

分布式控制設計方案，則將控制信號和測量信號分開，采用多個獨立的控制器分別控制各輔助子系統(tǒng)。但這種控制方案會因為兩個或多個板之間進行通信而造成延時，從而導致無法對系統(tǒng)進行實時控制，影響控制效果。

李正輝等以飛思卡爾MPC5634為控制器核心，完成控制器模塊各種器件的通信。對燃料電池系統(tǒng)各輔助子系統(tǒng)進行控制。陳尚云等以32位DSP芯片TMS320F2812為控制器核心，根據(jù)傳感器及控制對象信號進行接口模塊和控制器硬件的設計，并利用CAN通信模塊實現(xiàn)與上層控制器的通信。宋英睿等以嵌入式芯片PIC16F876A?I/SP為控制系統(tǒng)核心，將控制器分為主控模塊、電壓檢測模塊、監(jiān)控模塊和顯示模塊4部分，并完成硬件設計。董超等以STM32F103單片機作為控制器核心，設計了由單體電壓采集模塊、混合動力模塊、控制器模塊3部分組成的控制器硬件系統(tǒng)。配合所設計的控制策略實現(xiàn)對燃料電池系統(tǒng)的啟動、運行和關機的控制。

DSP、PIC、MPC等芯片系列運算能力強，能夠處理的數(shù)據(jù)量大，并保證較高的數(shù)據(jù)處理速度，能夠滿足燃料電池控制器的工作要求。針對輸入輸出信號通道多且控制算法復雜的燃料電池系統(tǒng)，集中式控制不同模塊間可直接進行數(shù)據(jù)交互，但不易實現(xiàn)模型解耦，控制器開發(fā)難度高；目前控制器硬件多采用分布式設計思想，各子系統(tǒng)能夠獨立開發(fā)調試，但分布式控制對實時性、數(shù)據(jù)監(jiān)控、故障診斷和數(shù)據(jù)傳輸?shù)纫蟾?，且存在線束冗雜等問題，不利于燃料電池系統(tǒng)集成化。隨著汽車智能化任務增多，車輛電子元件數(shù)量逐漸增加，域控制器使分布式架構向集成式架構的轉變成為可能。

3 車用燃料電池系統(tǒng)控制策略

燃料電池系統(tǒng)是一種典型的強耦合、強滯后的非線性系統(tǒng)，存在建模困難、計算量大等問題。許多學者對這一問題進行了研究，在權衡誤差及計算量的基礎上對燃料電池系統(tǒng)進行控制以提升燃料電池的耐久性。當燃料供應不足時，控制器通過控制氫氣循環(huán)泵轉速或氫氣控制閥的開度增大燃料供給；當氧氣供給不足時，可提高循環(huán)泵轉速，增加進入電堆的空氣量；燃料電池溫度過高時，通過提高風扇轉速增加散熱量，溫度過低時則可結合燃料電池冷卻水的大小循環(huán)提高燃料電池溫度；當燃料燃料電池內部水分過少，出現(xiàn)“膜干”等現(xiàn)象時，可利用增濕器增加水蒸氣；水分過多，甚至發(fā)生“水淹”的情況下，則可及時打開排氣閥將多余的水分、雜質排出；燃料電池工作在啟停、怠速、變載、高負荷等工況時，可通過功率控制、能量管理，利用儲能裝置補充燃料電池不足的功率，縮短燃料電池處于上述工況的時間。根據(jù)燃料電池的運行狀態(tài)，通過合適的控制策略在上述不利于燃料電池耐久性的情況下能快速、穩(wěn)定地響應，將狀態(tài)調節(jié)到正常范圍內并具有一定的抗干擾能力。

現(xiàn)階段燃料電池系統(tǒng)控制器采用簡單的邏輯控制策略實現(xiàn)燃料電池系統(tǒng)的掃氣、啟動、運行和關機等流程。根據(jù)燃料電池系統(tǒng)在不同工作狀態(tài)下的功能要求制定對應的控制策略。這種控制策略雖然能保證燃料電池新系統(tǒng)正常工作，但是無法達到延長燃料電池電堆使用壽命的目的。因此，在全面了解不同參數(shù)對燃料電池耐久性影響的基礎上，以提升燃料電池耐久性為目的，研究各輔助子系統(tǒng)控制策略。

3.1 氫氣管理系統(tǒng)控制策略

燃料電池系統(tǒng)性能與氫氣管理系統(tǒng)密切相關。利用泵對氫氣進行再循環(huán)可以提高氫氣利用率，改善燃料電池系統(tǒng)性能；但為避免陰極擴散到陽極的雜質稀釋氫氣，從而對燃料電池功率、內部結構等造成影響。Lee等提出了一種陽極循環(huán)結構及其控制策略，在循環(huán)回路上安裝兩個閥門，陽極能夠在死端、再循環(huán)、壓縮、吹掃4種模式下工作，并根據(jù)電流密度切換工作模式，可以有效延長燃料電池工作時間。Tong等利用滑?？刂茖崿F(xiàn)電池系統(tǒng)的輸出跟蹤控制，利用積分控制消除穩(wěn)態(tài)誤差，通過控制氫氣質量流量計或空氣質量流量計的電壓調節(jié)電堆輸出電壓，避免了傳統(tǒng)控制下電流無法及時跟蹤負載變化造成的電堆水淹、缺氫、缺氧等現(xiàn)象。Liu等考慮氫氣系統(tǒng)中的氮氣雜質，提出一種基于氮氣濃度觀測的陽極吹掃方案，根據(jù)陽極氮濃度確定吹掃間隔時間及持續(xù)時間，將氫利用率提高到99%，并改善了燃料電池的耐久性。Ye等設計一種模糊控制器應用于氫氣管理系統(tǒng)，實現(xiàn)氫氣壓力調節(jié)，并與傳統(tǒng)PID控制器進行比較，模糊控制器可解決在負荷變化時氫氣壓力劇烈波動問題，且性能優(yōu)于傳統(tǒng)PID控制器。He等在分段線性化模型的基礎上為氫氣循環(huán)系統(tǒng)提出了一種切換模型預測控制方案，預測回流歧管壓力與泵的角速度，在負載變化的情況下仍具有較快的響應速度和跟蹤精度，避免陽極組件的退化，保證燃料電池高效穩(wěn)定運行。

3.2 空氣供給系統(tǒng)控制策略

燃料電池空氣供給系統(tǒng)是高度非線性的多輸入多輸出耦合動態(tài)系統(tǒng)，由于空氣流量與進氣壓力耦合性較強，直接控制難度較大，傳統(tǒng)控制策略效果不佳。有必要采用合適的控制策略實現(xiàn)空氣供應的流量和壓力的優(yōu)化協(xié)調控制，從而使燃料電池系統(tǒng)獲得良好的動靜態(tài)特性，提升其使用壽命。為此，Zhao等基于自抗擾控制提出了一種動態(tài)擾動解耦控制策略用于控制離心式壓縮機，同時調節(jié)質量流量和氣體壓力，比傳統(tǒng)的PID控制策略具有更好的輸出特性；而Liu等采用復合前饋PID控制策略實現(xiàn)空氣壓縮機的動態(tài)控制，在燃料電池輸出電流階躍變化的過程中，空氣壓縮機的動態(tài)響應時間明顯縮短且波動較小，有效避免了負載變化時“氧饑餓”現(xiàn)象的發(fā)生，延長燃料電池使用壽命；Ou等則將模糊控制策略與傳統(tǒng)PID控制策略相結合，開發(fā)了一種前饋模糊PID控制策略，實現(xiàn)氧過量系數(shù)的控制，仿真結果表明所設計的控制器可有效調節(jié)燃料電池輸出電流突變時的氧過量系數(shù)并降低了空氣壓縮機寄生功耗，避免“氧饑餓”與“氧飽和”現(xiàn)象的發(fā)生，提升燃料電池系統(tǒng)效率的同時延長其使用壽命。此外，模糊控制不依賴于精確的數(shù)學模型，適合于的復雜動態(tài)系統(tǒng)。為賦予控制器更強的自適應能力，引入自適應控制算法，有利于改善穩(wěn)定性與魯棒性。周蘇等針對前饋補償解耦控制策略的缺點，增加自適應查表算法，提出一種自適應解耦控制策略，改進后的控制策略可有效提升空氣壓縮機響應速度并優(yōu)化進入燃料電池電堆空氣流量的控制效果。Deng等提出了一種自適應滑?？刂撇呗?，調節(jié)空氣供給系統(tǒng)氧過量系數(shù)，所設計的控制器抗干擾性、魯棒性和系統(tǒng)響應方面均優(yōu)于傳統(tǒng)滑模控制器。Na等基于所建立的非線性模型設計了一種非線性控制器實現(xiàn)陰陽極之間氣體壓差、相對濕度的控制，以延長燃料電池使用壽命。Jiang等提出了一種基于觀測器的模型預測控制策略，無需空氣流量傳感器，即可實現(xiàn)氧過量系數(shù)控制，且具有更好的抗干擾性能。

表2對氫氣管理系統(tǒng)和空氣供給系統(tǒng)的控制策略進行了比較。根據(jù)控制目標的不同，經(jīng)典控制策略和智能控制策略在氫氣管理系統(tǒng)和空氣供給系統(tǒng)中均有應用。但這些控制策略在控制精度、響應速度、抗干擾性和魯棒性等方面存在一定的差異。傳統(tǒng)PID控制策略具有簡單易用、應用范圍廣等優(yōu)點，能夠改善燃料電池輸出性能，提升燃料電池耐久性。但其響應速度慢，對于強耦合、非線性的氫氣管理系統(tǒng)和空氣供給系統(tǒng)控制效果差；模型預測控制對于約束、變量較多的系統(tǒng)有較好的控制效果，但它面臨計算量大的問題，實時控制器的開發(fā)難度較大；神經(jīng)網(wǎng)絡控制具有很強的非線性擬合能力，可提升系統(tǒng)的響應速度，但它需要大量的數(shù)據(jù)進行訓練，且控制器性能還與訓練數(shù)據(jù)的質量相關，數(shù)據(jù)量不足或質量不高會導致控制效果不佳；滑?？刂瓶梢钥朔到y(tǒng)的不確定性，適用于非線性系統(tǒng)控制，但是它存在抖振現(xiàn)象，在一定程度上限制了滑?？刂频膽?。燃料電池氫氣管理與空氣供給系統(tǒng)的控制目標除滿足快速響應和穩(wěn)定性外，還須考慮控制策略的抗干擾性、車用燃料電池系統(tǒng)燃料經(jīng)濟性和使用壽命。智能控制策略比經(jīng)典控制策略有更好的適用性，是控制策略發(fā)展的前瞻方向。此外，為應對車用燃料電池系統(tǒng)技術發(fā)展需求，引入了新的功能性部件，形成了不同的構型，針對新的構型提出對應的智能化控制策略是今后的研究方向。

表2 氫氣管理系統(tǒng)和空氣供給系統(tǒng)控制策略比較

3.3 水/熱管理系統(tǒng)控制策略

燃料電池水管理指維持電池內的水平衡在最佳狀態(tài)，其措施是對燃料電池電堆內部進行增濕并及時排出多余的液態(tài)水，避免膜干和水淹現(xiàn)象發(fā)生，主要包括增濕和排水兩個方面。

燃料電池的增濕方法可以分為外部增濕、內部增濕和自增濕3種。利用水蒸氣隨反應氣體一起進入燃料電池電堆的簡單外部增濕，適用于進氣流速小的燃料電池系統(tǒng)，將液態(tài)水直接注入燃料電池電堆進行增濕的濕化法其補償能力更強，可同時冷卻電極，但可能會堵塞氫氣流道，引發(fā)催化劑表面毒化。利用水在滲透膜中的濃差擴散的滲透膜法，或采用多孔碳板構成氣體通道，通過碳板孔隙加濕反應氣體的內部增濕方法，無需獨立增濕裝置，增濕器和燃料電池電堆構成一個整體，降低了系統(tǒng)復雜度，但也增大了電堆體積。壓力遷移自增濕法通過提升陰極氣室壓力，使陰極生成的水向陽極遷移，但提升氣室壓力對電堆的密封性和質子交換膜強度提出了較高的要求。Pt?PEM膜自增濕法利用Pt顆粒催化擴散到膜內部的氫氣和氧氣發(fā)生反應生成水對膜進行增濕，具有良好的增濕效果，但是可能會導致H穿過質子交換膜直接到達陰極。

燃料電池工作溫度低于100℃，所以反應生成的水以液態(tài)水的形式存在。液態(tài)水的積累會導致傳質過程受阻、淹沒催化劑活性點、質子交換膜電導率下降等問題。目前開發(fā)出的排水方法有靜態(tài)排水和動態(tài)排水兩種。靜態(tài)排水是利用材料的毛細作用將液態(tài)水排出；動態(tài)排水法則是利用尾氣吹掃方法將液態(tài)水排出。

燃料電池熱管理研究內容是電池內熱量的生成與傳遞、溫度場分布和冷卻方式，目的是促使整個電池溫度場分布均勻，現(xiàn)階段熱管理系統(tǒng)無法完全覆蓋全工況范圍，當燃料電池溫度升高，熱管理系統(tǒng)提供的散熱量有限，可結合控制策略限制功率輸出，以提高整車耐久性。

鄭文杰等利用燃料電池熱管理系統(tǒng)模型計算不同工況下電堆的出水溫度，有利于整車熱管理的優(yōu)化設計。Saygili等基于水/熱管理系統(tǒng)半經(jīng)驗模型，利用反饋PI控制策略控制轉速，以達到最佳的溫度控制效果。Ou等提出一種多輸入多輸出模糊控制器，控制風扇轉速使溫度保持在合適的范圍內，利用加濕器對入口處的氫氣進行加濕以控制膜的含水量。童正明等建立了一套三維模糊控制策略實現(xiàn)對燃料電池系統(tǒng)溫度的控制，并進行極端工況性能測試，結果表明，該散熱系統(tǒng)可滿足散熱需求，溫度控制效果良好。Wang等建立了一個多變量燃料電池系統(tǒng)模型，結合魯棒控制和PID控制的優(yōu)點，提出了一種魯棒PID控制策略應用于冷卻系統(tǒng)。Chatrattanawet等分析輸入?yún)?shù)對燃料電池電堆溫度的影響，提出了一種基于線性時變模型的模型預測控制和離線魯棒模型預測控制策略實現(xiàn)對溫度的控制。Han等針對燃料電池模型參數(shù)的不確定性問題，設計了一種包含模型參考自適應反饋控制器，對燃料電池電堆和冷卻水入口處溫度進行魯棒控制。Huang等針對變載工況產(chǎn)生的溫度急劇變化現(xiàn)象所導致的燃料電池性能衰減問題，設計了一種自適應控制策略控制冷卻水流量，控制策略的控制精度與適應能力均優(yōu)于PI控制策略。表3分別對基于誤差和基于模型的熱管理相關控制策略進行了對比分析，展示了不同策略的特點。

表3 面向耐久性提升的熱管理系統(tǒng)控制策略比較

燃料電池水/熱管理系統(tǒng)具有很強的耦合性，水管理與熱管理并非單獨作用。為有效控制燃料電池的工作溫度，保證其平穩(wěn)運行，須聯(lián)合控制多個功能性部件，而各部件在響應速度和控制范圍等方面均存在一定差異，在動態(tài)調節(jié)過程中控制難度較大。傳統(tǒng)的控制策略雖然可以應用于水/熱管理系統(tǒng)中，但響應速度慢，無法在短時間內使系統(tǒng)達到穩(wěn)定狀態(tài)；而模型預測控制穩(wěn)定時間短，振蕩次數(shù)少，但它在實際應用中需要較長的在線計算時間進行優(yōu)化算法的選擇；模糊控制是一種非線性智能控制策略，尤其適用于復雜非線性系統(tǒng)的控制，但它缺乏系統(tǒng)的設計過程，理論分析困難。當前控制策略大多針對單方面的影響因素，在設計過程中對其他因素進行理想化假設。雖然可達到預期的控制效果，但忽略了各參數(shù)之間的耦合關系，因此，考慮多種影響因素實現(xiàn)優(yōu)化控制將是今后研究的一個熱點，具有更高的工程實踐價值。

3.4 燃料電池功率控制策略

現(xiàn)階段，車用燃料電池技術尚未真正成熟，核心技術還有待突破。若僅采用燃料電池作為單一動力源，無法滿足車輛啟停、變載、怠速、高負荷等頻繁變化工況下的功率需求。因此常引入蓄電池、超級電容等車載儲能裝置構成電?電混合動力系統(tǒng)應用于燃料電池汽車，針對不同的車用工況，通過能量分配、功率控制等手段彌補燃料電池功率的不足，并通過功率調節(jié)與優(yōu)化，進而減少燃料電池的不利運行狀態(tài)，降低負載對燃料電池的沖擊，提高車輛整體的響應速度，同時配合制動能量的回收，提高能量利用率。

為避免燃料電池輸出功率的頻繁變化，可采用頻率分離的能量分配方法在兩個動力源之間對功率需求進行分配，將功率的低頻分量分配給燃料電池，高頻分量分配給儲能裝置，這樣可有效改善燃料電池的耐久性。考慮到燃料電池動態(tài)輸出能力弱，以蓄電池和超級電容作為輔助儲能裝置補充動力系統(tǒng)大功率需求，使燃料電池在車輛運行過程中平穩(wěn)輸出，提出的分級優(yōu)化能量管理策略可基于電機功率需求、荷電狀態(tài)等實現(xiàn)燃料電池功率跟隨控制，減少燃料電池變載、開關機次數(shù)，保證燃料電池的耐久性。Zhou 等提出的基于模型預測控制的多模式能量管理策略，對多種工況下的功率需求可進行有效分配，可有效改善燃料電池的動態(tài)性能，并減少氫氣消耗量，改善經(jīng)濟性。

為保證燃料電池輸出功率滿足整車動力系統(tǒng)功率需求，需要DC/DC變換器良好的配合。周盟在所建立的預測模型基礎上，設計了模型預測控制器，與PI控制器進行對比具有更好的動態(tài)與穩(wěn)態(tài)性能，所設計的DC/DC變換器采用了兩級式結構，能夠有效抑制電流紋波，改善燃料電池耐久性。Suh等對裝有壓縮機和DC/DC轉換器的燃料電池系統(tǒng)進行了建模和分析，并設計了兩個獨立的基于模型的控制器來調節(jié)壓縮機和DC/DC，同時設計了一個協(xié)調控制器，對兩個控制器進行通信協(xié)調，實現(xiàn)了大功率范圍內的功率控制。馮興田等結合燃料電池堆的極化特性曲線計算最優(yōu)輸出功率對應的燃料電池系統(tǒng)工作電流，通過燃料電池系統(tǒng)側的DC/DC變換器追蹤參考電流，使得燃料電池系統(tǒng)輸出最優(yōu)功率。DC/DC變換器旨在控制燃料電池的輸出功率，同時確保燃料電池的電流紋波維持在一個較低的水平，以延緩燃料電池性能的衰減。

4 結論

綜合考慮車用燃料電池系統(tǒng)電控技術中存在的問題和當前的發(fā)展趨勢，簡述了燃料電池工作條件和影響燃料電池耐久性的相關因素。綜述了現(xiàn)階段燃料電池供氣系統(tǒng)結構、水/熱管理系統(tǒng)結構、功率調節(jié)系統(tǒng)和控制器硬件，并從控制目標、控制方式、優(yōu)缺點等方面對各輔助子系統(tǒng)控制策略進行對比分析。

陰/陽極構型方面，氫氣供給結構設計需考量方案效率、成本、控制難度、系統(tǒng)復雜度和技術成熟度等多方面因素。氫氣循環(huán)泵與引射器是氫氣循環(huán)系統(tǒng)設計方案中的核心部件，若在系統(tǒng)中同時引入氫氣循環(huán)泵與引射器，則面臨二者協(xié)同工作的問題。未來可通過開發(fā)高性能、低功耗的氫氣循環(huán)泵和優(yōu)化引射器結構等方式提高車用燃料電池系統(tǒng)綜合性能，針對多級循環(huán)裝置間匹配與協(xié)同工作問題，可向此方案中引入智能控制策略，擴大運行工況范圍，保證其運行過程中的穩(wěn)定性。此外，受限于車用燃料電池輸出特性偏弱、動態(tài)響應慢、能量單向流動等缺點，整車動力系統(tǒng)常引入蓄電池、超級電容等儲能裝置，通過能量分配、功率控制等手段縮短燃料電池處于不利運行狀態(tài)下的時間，延緩燃料電池性能的衰減，滿足頻繁變化工況下耐久性的要求。

控制器硬件設計方面目前多采用分布式控制，控制信號與測量信號分離，子系統(tǒng)能夠進行獨立開發(fā)調試，但線束冗雜不利于燃料電池系統(tǒng)集成。集中式硬件設計方案，模塊間可直接進行數(shù)據(jù)交換，但面對復雜的控制算法，實現(xiàn)難度高，未來結合域控制器的集成化控制或可改進現(xiàn)有集中式設計方案的不足。

車用燃料電池系統(tǒng)的控制目標除滿足功率的快速響應外，還須考慮控制策略對燃料電池耐久性的影響。現(xiàn)階段燃料電池系統(tǒng)控制器多采用簡單的邏輯控制策略，但對提升燃料電池的耐久性不利?；谀Ｐ偷目刂撇呗匀缒Ｐ皖A測控制、智能控制等對具有非線性、強耦合特性的燃料電池系統(tǒng)有更好的適用性，具有較大的發(fā)展?jié)摿Γ彩俏磥砜刂撇呗缘陌l(fā)展方向。