1 前言

為解決全球氣候變暖問(wèn)題，最大限度地減少對(duì)化石燃料的需求，減少汽車(chē)排放是至關(guān)重要的途徑。由于氫燃料的可持續(xù)性，氫燃料電池的能源效率高，用氫燃料電池汽車(chē)替代傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)是未來(lái)汽車(chē)發(fā)展的一個(gè)潛在趨勢(shì)。然而，除了其顯而易見(jiàn)的優(yōu)勢(shì)之外，也存在很多不足。比如功率密度低、功率響應(yīng)慢，此外，氫氣壓力的過(guò)度波動(dòng)也會(huì)降低氫氣的利用率，影響氫燃料電池堆的工作壽命。因此，為了充分發(fā)揮氫燃料電池汽車(chē)的優(yōu)點(diǎn)并將其缺點(diǎn)降低至最小化，氫燃料電池汽車(chē)的魯棒性控制策略和控制器的設(shè)計(jì)尤為重要。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此開(kāi)展了廣泛研究，為了獲得較高的充電效率，保證電池(BAT)在最佳的工作范圍內(nèi)工作，設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制策略；為了獲得良好的系統(tǒng)性能，設(shè)計(jì)超級(jí)電容器(SCAP)控制策略；以及采用其他模糊控制策略對(duì)氫燃料電池汽車(chē)進(jìn)行最優(yōu)化控制設(shè)計(jì)研究。

2 氫燃料電池汽車(chē)硬件配置與控制策略[1]

2.1 硬件配置

為了與控制策略相匹配，氫燃料電池汽車(chē)控制機(jī)制必須具備相應(yīng)的硬件配置，比如燃料電池（FCs）、電池（BATs）、超級(jí)電容器（SCAPs）以及相應(yīng)的交直流轉(zhuǎn)換器（DC/DC）和逆變器等。此外，氫燃料電池汽車(chē)整車(chē)主要由4大核心部件組成：三相牽引電機(jī)、輔助設(shè)備、直流總線以及能量存儲(chǔ)系統(tǒng)。車(chē)輛正常運(yùn)行所需要的電能平衡和變化，以及車(chē)輛意外損壞事故的主動(dòng)防控正是通過(guò)這些組件的協(xié)調(diào)工作來(lái)保障的。

2.2 控制策略概述

為了給氫燃料電池汽車(chē)提供更高的能源管理，近年來(lái)，氫燃料電池控制器也得到了長(zhǎng)足發(fā)展和廣泛應(yīng)用，Yakup Hames提出了些控制器所能提供的4種主要控制策略：峰值能源管理策略(PPSS)、汽車(chē)行駛模式控制策略(OMCS)、模糊邏輯控制策略(FLCS)以及等效氫消耗最小化策略(ECMS)。

在確定采用何種控制策略時(shí)，應(yīng)該將這些控制策略所具有的公共特征加以綜合考慮，同時(shí)，必須對(duì)控制策略相應(yīng)的主框架加以成型設(shè)計(jì)。此外，還應(yīng)具體考慮如下這些因素：電池組充放電狀態(tài)的極限值、電池組突然充放電時(shí)電流的變化間隔以及電池充放電時(shí)間與設(shè)定參考時(shí)間的差值。

為了使車(chē)輛的能源管理得到有效控制，必須對(duì)控制策略的正確性和可行性加以全面考慮，能量控制系統(tǒng)應(yīng)能夠控制燃料電池、電池組以及超級(jí)電容器之間的能量交換。

安全、節(jié)能、高效的控制策略是未來(lái)研究的重點(diǎn)和挑戰(zhàn)，此外，就燃料經(jīng)濟(jì)性而言，氫燃料消耗最小化必須全面加以考慮，在未來(lái)一定能實(shí)現(xiàn)“綠色能源”和“氫經(jīng)濟(jì)”的發(fā)展愿景。

3 燃料電池系統(tǒng)氫氣壓力控制策略

3.1 模糊控制方法[2]

氫氣壓力的精確控制對(duì)氫燃料電池系統(tǒng)的魯棒性和耐久性來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。傳統(tǒng)方法中一直采用的PID控制器，當(dāng)氫氣閥開(kāi)關(guān)或負(fù)載急劇變化時(shí)，氫氣壓力波動(dòng)劇烈，整個(gè)系統(tǒng)會(huì)發(fā)生嚴(yán)重振動(dòng)。在國(guó)內(nèi)外最近的研究成果中，同濟(jì)大學(xué)的Ye提出了一種新的控制策略：改進(jìn)的共軌噴射系統(tǒng)—?dú)鋰娚淦骺偝伞?/p>

在總成結(jié)構(gòu)中，氫水分離器將未反應(yīng)的氫氣與反應(yīng)生成的水分離，部分氫氣通過(guò)噴射器總成被噴射回去，其余的氫氣和反應(yīng)生成的水通過(guò)氫氣凈化閥排放到緩沖池中。緩沖池的主要作用是降低排放到大氣中的氫氣濃度，降低環(huán)境污染并且保證系統(tǒng)的安全與高效。

噴射器總成系統(tǒng)是一個(gè)非線性系統(tǒng)。腔內(nèi)壓力受一系列因素的影響，因此，建立精確的數(shù)學(xué)控制模型是相當(dāng)困難的。研究發(fā)現(xiàn)，曼達(dá)尼模糊控制器的結(jié)構(gòu)與PID控制器的結(jié)構(gòu)存在顯著差異。除了計(jì)算氫氣壓力設(shè)定值與實(shí)際氫氣壓力之間的誤差e之外，還引入了誤差變化率ec物理量作為模糊控制器的另一個(gè)輸入；曼達(dá)尼模糊控制器的輸出也不同于傳統(tǒng)的PID控制器，傳統(tǒng)PID控制器的輸出是電磁閥的脈沖寬度，而曼達(dá)尼模糊控制器的輸出則是電磁閥脈沖寬度的變化。

如圖1所示的氫氣壓力模糊控制結(jié)構(gòu)，模糊控制器首先利用隸屬函數(shù)對(duì)輸入e和誤差變化率ec進(jìn)行模糊化，然后根據(jù)所建立的模糊控制規(guī)則進(jìn)行模糊推理，得到模糊輸出，最后通過(guò)去模糊化得到了電磁閥脈沖寬度的變化DPW。

通過(guò)對(duì)曼達(dá)尼模糊控制器與傳統(tǒng)PID控制器進(jìn)行比較，研究結(jié)果表明，采用模糊控制器的氫氣壓力穩(wěn)定性明顯優(yōu)于采用PID控制器，該研究對(duì)氫燃料電池系統(tǒng)的優(yōu)化和集約控制具有一定的指導(dǎo)意義。

3.2 氫氣壓力調(diào)節(jié)器建?？刂芠3]

福特公司的Chen建立一個(gè)氫氣壓力調(diào)節(jié)器模型來(lái)捕捉從壓縮氫罐到燃料電池堆的氫排放行為，該模型的重點(diǎn)是在給定儲(chǔ)罐入口條件下，建立調(diào)壓器出口壓力和溫度的關(guān)系。除了基于理想氣體的壓力響應(yīng)推導(dǎo)外，該模型還采用了恒焓方法來(lái)捕捉由于焦利特森效應(yīng)引起的壓力下降而導(dǎo)致的氫氣溫度升高的現(xiàn)象。研究建立的綜合調(diào)節(jié)器模型為儲(chǔ)氫系統(tǒng)關(guān)鍵動(dòng)態(tài)元件的評(píng)估和優(yōu)化提供了必要基礎(chǔ)。

圖1 氫氣壓力模糊控制結(jié)構(gòu)[2]

如圖2所示，Chen通過(guò)將幾個(gè)理想氣體控制容積方程與調(diào)節(jié)器到下游壓力傳感器的物理容積相對(duì)應(yīng)，建立相應(yīng)模型。VH表示通孔前的總?cè)莘e，其中包括從儲(chǔ)罐到調(diào)節(jié)閥的管道容積。VL為從節(jié)流口到調(diào)節(jié)閥出口的體積，Vtr為從節(jié)流口到壓力傳感器的體積。

考慮到氫氣的焦耳漢森效應(yīng)壓力調(diào)節(jié)器模型能夠捕捉到氫氣輸送過(guò)程中的壓力響應(yīng)以及由于壓力降低而導(dǎo)致的系統(tǒng)溫度升高的現(xiàn)象，因此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)各種動(dòng)態(tài)流動(dòng)條件對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行了模型驗(yàn)證，結(jié)果表明，驗(yàn)證后的模型可廣泛應(yīng)用于操作和設(shè)計(jì)因素的研究設(shè)計(jì)。例如，參數(shù)化研究表明，流量升速對(duì)穩(wěn)態(tài)壓力和溫度的影響可以忽略不計(jì)，而改變調(diào)節(jié)器入口壓力和溫度可以有效地影響調(diào)節(jié)器出口的穩(wěn)態(tài)溫度，穩(wěn)態(tài)出口溫度相對(duì)于進(jìn)口溫度而言，其敏感性較高，但由于焦耳漢森效應(yīng)，限制進(jìn)口壓力以避免出口過(guò)熱可能更為可行，通過(guò)相關(guān)模型的建立，更方便了系統(tǒng)的進(jìn)一步研究控制。

圖2 模型域和方程[3]

4 節(jié)省燃料和延長(zhǎng)氫燃料電池汽車(chē)生命周期的控制策略[4]

隨著氫燃料電池汽車(chē)(HFCEV)發(fā)展進(jìn)程的日益加快，如何最大限度地利用氫燃料電池堆中所儲(chǔ)存的能量，進(jìn)而高效地利用氫燃料電池汽車(chē)已成為一個(gè)十分重要的研究問(wèn)題。

近年來(lái)，學(xué)者Kaya提出了兩種新的針對(duì)氫燃料電池汽車(chē)的控制策略，并且探討了其在不同道路模型下對(duì)車(chē)輛燃油經(jīng)濟(jì)性，動(dòng)力性以及系統(tǒng)部件生命周期的影響。由于控制策略的結(jié)構(gòu)和參數(shù)并不復(fù)雜，因此只需對(duì)控制參數(shù)進(jìn)行調(diào)整便可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同道路模型下車(chē)輛的控制，再者，針對(duì)不同的氫燃料電池汽車(chē)，兩種控制策略也各有優(yōu)劣，應(yīng)分別加以試驗(yàn)。在此基礎(chǔ)上，Kaya從整車(chē)油耗、系統(tǒng)部件壽命、儲(chǔ)能技術(shù)功率共享以及系統(tǒng)性能等方面對(duì)控制策略進(jìn)行了比較。

4.1 氫燃料節(jié)約控制方法(HFS-CS)

就成本而言，研究氫燃料電池汽車(chē)在不同的道路模型中所消耗的氫氣是非常重要的。Kaya提出的控制策略的目標(biāo)是通過(guò)將更多的電池、電池堆和超級(jí)電容器集成到燃料電池中來(lái)以降低燃料電池的燃料消耗，利用車(chē)輛存儲(chǔ)再生制動(dòng)能量的能力來(lái)保證車(chē)輛的燃油經(jīng)濟(jì)性。

上述控制策略算法的SOC模擬計(jì)算結(jié)果表明。最大自由電荷狀態(tài)(SOCLiB)保持在60%到90%之間。當(dāng)車(chē)輛開(kāi)始移動(dòng)時(shí)，檢查SOCLiB，如果大于電池的最小充電狀態(tài)(SOCLiB_min)，則車(chē)輛開(kāi)始在質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)和(LiB)的控制下運(yùn)行；而在高功率需求時(shí)，超級(jí)電容器會(huì)響應(yīng)車(chē)輛的功率需求(Pdmd)。在氫燃料節(jié)約控制策略(HFS-CS)中，當(dāng)PEMFC和LiB一起工作時(shí)，SCAP被包含在系統(tǒng)中，以滿足過(guò)剩的電力需求。

4.2 生命周期延長(zhǎng)控制方法(LCS-CS)

LCS-CS算法的SOC模擬計(jì)算中的算法邏輯如下：車(chē)輛的電力需求只由質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)提供，高功率需求除外。然而，不同路況對(duì)車(chē)輛運(yùn)行和控制方法性能的影響也是不可忽略的，當(dāng)車(chē)輛遇到斜坡或加速行駛時(shí)，SCAP和LiB將分別作為輔助電源被包含在系統(tǒng)中，而在筆直的良好路面上行駛時(shí)，車(chē)輛則單獨(dú)由PEMFC提供電力需求。在車(chē)輛緊急制動(dòng)過(guò)程中，其所產(chǎn)生的再生制動(dòng)能量存儲(chǔ)在SCAP中；在弱制動(dòng)和慢制動(dòng)過(guò)程中，再生制動(dòng)能量?jī)?chǔ)存在LiB中，用于車(chē)輛的再啟動(dòng)。因此，這種車(chē)輛控制方法既節(jié)省了燃料，又延長(zhǎng)氫燃料電池的壽命。通過(guò)這種方式，車(chē)輛的動(dòng)力系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)高效運(yùn)行。

5 混合可再生系統(tǒng)的先進(jìn)控制策略[5]

5.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及模型框架

為提高混合能源系統(tǒng)的效率，宏觀建模和動(dòng)態(tài)分析是許多學(xué)者在該領(lǐng)域探討的主題，而混合能源模塊中關(guān)鍵子系統(tǒng)的有效實(shí)現(xiàn)和操作的可靠性是控制算法開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵要求。新加坡國(guó)立大學(xué)學(xué)者Scarlett Chen在大量研究的基礎(chǔ)上提出了一種由不同子系統(tǒng)組成的混合可再生能源系統(tǒng)，并提出了該系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)最優(yōu)調(diào)度策略。系統(tǒng)的控制配置顯示，固體氧化物燃料電池(SOFC)是其關(guān)鍵示例子系統(tǒng)之一，其局部控制策略是通過(guò)兩種方法實(shí)現(xiàn)的，一種是基于模型的帶約束收縮層模型預(yù)測(cè)控制(MPC)算法，另一種是基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的虛擬參考反饋調(diào)優(yōu)(VRFT)方法來(lái)識(shí)別控制器參數(shù)。分別對(duì)1 h和24 h的固定電流負(fù)載和固定轉(zhuǎn)換效率進(jìn)行評(píng)估。

5.2 理論分析及仿真驗(yàn)證

Chen對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行大量的理論分析，最終證明了基于模型的收縮層MPC控制器以及基于VRFT方法調(diào)整的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的離散時(shí)間PID控制器的有效性，實(shí)現(xiàn)了固體氧化物燃料電池堆功率輸出的局部控制和自動(dòng)跟蹤。對(duì)不同的控制方法進(jìn)行仿真，結(jié)果表明，兩種控制方法都能在邊界受限且無(wú)超調(diào)的情況下提供高魯棒性的功率跟蹤性能，VRFT方法的穩(wěn)定性至少是MPC方法的10倍。雖然這兩種方法在技術(shù)實(shí)現(xiàn)上是完全不同的，但它們?cè)诠I(yè)電力負(fù)荷下都是可行和有效的，這就驗(yàn)證了混合能源系統(tǒng)的可行性，同時(shí)向研究人員提供了廣泛的局部控制選擇。

6 結(jié)束語(yǔ)

作為新能源汽車(chē)的主要研究方向之一，氫燃料電池汽車(chē)的發(fā)展一直是業(yè)內(nèi)關(guān)注的焦點(diǎn)。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在氫燃料電池的控制策略方面的研究上取得了較大突破。而我國(guó)在氫燃料電池汽車(chē)上的開(kāi)發(fā)起步相對(duì)較晚，研發(fā)技術(shù)相對(duì)于發(fā)達(dá)國(guó)家也比較落后。整體來(lái)說(shuō)，我國(guó)在氫燃料電池汽車(chē)的發(fā)展上仍處于探索和起步階段，目前正在研究的單位和機(jī)構(gòu)并不多，主要以高等院校為主。但高等院校對(duì)于氫燃料電池的研究大多處于理論研究階段，缺少具體的操作實(shí)踐，在實(shí)車(chē)上的驗(yàn)證也相對(duì)較少，尤其在控制策略及控制算法方面仍有待進(jìn)一步提高。