葉璽臣 章桐 劉毅

（1.同濟(jì)大學(xué)，上海 201804；2.上海汽車集團(tuán)股份有限公司商用車技術(shù)中心，上海 200438）

主題詞：燃料電池系統(tǒng) 空氣壓力 空氣流量 模糊控制

1 前言

質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)中，空氣壓力和空氣流量對于燃料電池性能的影響至關(guān)重要。理論上，對于燃料電池電壓，氧分壓是重要的制約因素，而空氣壓力與氧分壓直接相關(guān)。此外，絕大多數(shù)質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)中，陽極和陰極間的氣體壓差需要精確控制，陽極氣體壓力通常應(yīng)略高于陰極氣體壓力，一般將壓差控制在20 kPa 左右，以抑制氮?dú)獾倪w移?？諝饬髁縿t決定著燃料電池電堆陰極的化學(xué)計量比和濕度。因此，精確控制燃料電池空氣壓力與流量有著十分重要的意義。

近年來，已經(jīng)有學(xué)者針對該問題進(jìn)行了相關(guān)研究，全書海等設(shè)計了PID 控制器，實(shí)現(xiàn)了質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)空氣壓力的閉環(huán)控制；張立炎等分析了燃料電池空氣供應(yīng)系統(tǒng)中空氣壓力和空氣流量的耦合特性，并提出了利用解耦算法進(jìn)行空氣壓力和流量的閉環(huán)控制；陳鳳祥等辨識出了燃料電池空氣供應(yīng)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，通過前饋解耦算法實(shí)現(xiàn)了空氣壓力和流量的閉環(huán)控制；陳鳳祥和陳興將內(nèi)?？刂圃砼c多變量解耦控制理論相結(jié)合，提出了一套魯棒解耦控制策略，實(shí)現(xiàn)了空氣壓力和流量的雙閉環(huán)控制。

以往的解耦控制算法控制效果良好，但是空氣供應(yīng)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)獲取較為復(fù)雜。目前，離心式空壓機(jī)在燃料電池汽車領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用為一種新的無解耦控制算法的實(shí)現(xiàn)提供了可能。本文首先針對質(zhì)子交換膜燃料電池空氣子系統(tǒng)離心式空壓機(jī)特性進(jìn)行分析，然后提出一套無解耦的空氣進(jìn)堆壓力及流量的閉環(huán)控制算法，最后在燃料電池空氣子系統(tǒng)臺架及真實(shí)燃料電池系統(tǒng)中進(jìn)行該算法的試驗(yàn)驗(yàn)證。

2 質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)空氣子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1 質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)空氣子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 不同種類空壓機(jī)的特性對比

燃料電池汽車中常用的空壓機(jī)有離心式空壓機(jī)、螺桿式空壓機(jī)和羅茨式空壓機(jī)等。不同種類的空壓機(jī)有著不同的壓比與流量特性，對于控制策略的選擇具有一定影響。

標(biāo)準(zhǔn)大氣壓、293 K溫度下典型離心式空壓機(jī)MAP圖如圖2 所示，其中為修正流量。從圖2 中可以看出，在同一轉(zhuǎn)速下，空氣流量的變化對壓比的影響很小。在實(shí)際燃料電池系統(tǒng)中，這意味著在同一轉(zhuǎn)速下，隨著節(jié)氣門開度的變化（導(dǎo)致空氣流量變化），空氣進(jìn)堆壓力并不會發(fā)生太大的改變。

圖2 典型離心式空壓機(jī)MAP圖

標(biāo)準(zhǔn)大氣壓、293 K 溫度下典型的雙螺桿式空壓機(jī)MAP 圖如圖3 所示。從圖3 中可以看出，在同一轉(zhuǎn)速下，空氣壓比的變化對流量的影響很小。在實(shí)際燃料電池系統(tǒng)中，這意味著在同一轉(zhuǎn)速下，隨著節(jié)氣門開度的變化，燃料電池空氣供應(yīng)子系統(tǒng)背壓發(fā)生了較明顯的變化，空氣流量并不會發(fā)生太大的改變。

圖3 典型的雙螺桿式空壓機(jī)MAP圖

4 離心式空壓機(jī)空氣子系統(tǒng)雙閉環(huán)控制策略

4.1 無解耦控制算法框架

根據(jù)上一節(jié)的比對分析，針對離心式空壓機(jī)空氣供應(yīng)子系統(tǒng)，本文提出一套新的雙閉環(huán)控制策略，如圖4所示。首先，根據(jù)燃料電池請求功率得到所需的空氣壓力、空氣流量設(shè)定值。其次，根據(jù)空氣壓力設(shè)定值通過一套傳統(tǒng)的PID 控制器來調(diào)節(jié)空壓機(jī)轉(zhuǎn)速以實(shí)現(xiàn)空氣進(jìn)堆壓力的閉環(huán)控制?？諝饬髁吭O(shè)定值則通過Mamdani 型模糊控制器調(diào)節(jié)節(jié)氣門開度以實(shí)現(xiàn)空氣流量的閉環(huán)控制。PID 控制器與模糊控制器之間沒有任何耦合關(guān)系，這是該算法與目前常用的解耦算法之間最根本的差異。

圖4 無解耦雙閉環(huán)控制算法結(jié)構(gòu)框圖

4.2 PID控制器的設(shè)計

空氣進(jìn)堆壓力控制環(huán)節(jié)采用常用的PID控制器，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 PID控制器結(jié)構(gòu)框圖

首先計算第個采樣周期空氣進(jìn)堆壓力誤差()：

式中，()、()分別為空氣進(jìn)堆壓力的設(shè)定值和傳感器讀數(shù)。

離散時間系統(tǒng)中，PID控制器的計算公式為：

式中，()為PID控制器第個采樣周期的輸出；K、K和K分別為PID控制器的比例、積分和微分參數(shù)。

為提高控制器在燃料電池系統(tǒng)大幅度變載情況下的響應(yīng)速率，增加前饋查表環(huán)節(jié)以提升控制器的調(diào)節(jié)能力。

4.3 模糊控制器的設(shè)計

模糊控制技術(shù)越來越多地運(yùn)用到燃料電池系統(tǒng)控制上，本文采用典型的Mamdani型模糊控制器對空氣流量進(jìn)行控制，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 Mamdani型模糊控制器結(jié)構(gòu)框圖

模糊控制器中有誤差及其變化量共2個輸入量和1個輸出量，即節(jié)氣門開啟占空比的變化量?。和的表達(dá)式分別為：

在模糊化和解模糊化過程中，采用相同的三角形隸屬度函數(shù)，如圖7所示。其中NL表示遠(yuǎn)小于0，NM表示小于0，NS表示稍小于0，ZO表示等于0，PS表示稍大于0，PM表示大于0，PL表示遠(yuǎn)大于0。

圖7 三角形隸屬度函數(shù)

模糊控制規(guī)則的制定主要基于經(jīng)驗(yàn)和基本推理。本文采用的模糊控制規(guī)則如表1所示。

表1 模糊控制規(guī)則

5 測試結(jié)果

5.1 空氣子系統(tǒng)臺架測試

為了驗(yàn)證本文提出的無解耦雙閉環(huán)控制算法，搭建空氣供應(yīng)子系統(tǒng)測試臺架，結(jié)構(gòu)如圖8 所示。其中，安裝可調(diào)節(jié)的手閥模擬電堆阻力，并在手閥和節(jié)氣門之間安裝罐狀容器以模擬電堆陰極容腔。

圖8 空氣子系統(tǒng)臺架結(jié)構(gòu)示意

空氣子系統(tǒng)臺架中主要設(shè)備參數(shù)如表2所示。

表2 空氣子系統(tǒng)臺架主要設(shè)備參數(shù)

在空氣子系統(tǒng)臺架測試過程中，所采用的工作點(diǎn)是某款60 kW功率等級燃料電池系統(tǒng)的實(shí)際工作點(diǎn)，其功率與空氣壓力及流量的關(guān)系如圖9 所示。測試工況如圖10所示，其中加載和降載速率均為10 kW/s。

圖9 空氣子系統(tǒng)臺架工作點(diǎn)

圖10 空氣子系統(tǒng)臺架測試工況

在空氣子系統(tǒng)臺架上進(jìn)行測試，壓力閉環(huán)控制的結(jié)果如圖11 所示。由圖11 可知：穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時，空氣進(jìn)堆壓力的絕對誤差在1 kPa 以下（控制器設(shè)置的死區(qū)為±1 kPa）。動態(tài)變載過程中，絕對誤差會上升至最高3 kPa左右，然后迅速回到1 kPa以下。

圖11 空氣子系統(tǒng)臺架壓力閉環(huán)控制測試結(jié)果

臺架測試流量閉環(huán)控制結(jié)果如圖12所示。由圖12可知：穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時，空氣流量的絕對誤差在1 g/s 左右（控制器設(shè)置的死區(qū)為±1 g/s）；動態(tài)變載過程中，空氣流量的絕對誤差會上升至最大6 g/s，后回到約1 g/s。

圖12 空氣子系統(tǒng)臺架流量閉環(huán)控制測試結(jié)果

為防止空壓機(jī)損壞，在空氣壓力和流量雙閉環(huán)控制過程中，應(yīng)盡量避免空壓機(jī)進(jìn)入喘振區(qū)。將系統(tǒng)運(yùn)行工作線與喘振線繪制在空壓機(jī)MAP圖上，如圖13所示。

圖13 系統(tǒng)運(yùn)行工作點(diǎn)與喘振線比對

從圖13中可以看出，工作線離喘振線較遠(yuǎn)。因此，在該算法控制下，選擇合適的工作點(diǎn)，能有效避免空壓機(jī)喘振問題的出現(xiàn)。

5.2 實(shí)際燃料電池系統(tǒng)測試

在空氣子系統(tǒng)臺架充分驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，本文將該控制算法在實(shí)際凈輸出功率為30 kW 的燃料電池系統(tǒng)上進(jìn)行再次驗(yàn)證，該燃料電池的主要參數(shù)如表3所示。

表3 某30 kW燃料電池系統(tǒng)主要設(shè)備參數(shù)

在實(shí)際燃料電池系統(tǒng)測試過程中，燃料電池系統(tǒng)需求功率與所需求的空氣壓力及流量的關(guān)系如圖14 所示。

圖14 某實(shí)際30 kW燃料電池系統(tǒng)工作點(diǎn)

實(shí)際燃料電池系統(tǒng)測試中，使用圖15 所示的測試工況。該測試工況中既包含了穩(wěn)態(tài)功率輸出工作點(diǎn)，亦有急加載與急降載工作點(diǎn)，具有很好的測試意義。

圖15 實(shí)際燃料電池系統(tǒng)測試工況

燃料電池測試系統(tǒng)空氣壓力閉環(huán)控制的效果如圖16所示。由圖16可知：快速加載過程中，壓力絕對誤差會上升至約4 kPa，后回到控制死區(qū)1 kPa 左右；快速降載過程中，壓力絕對誤差會升至5 kPa 左右，后回到死區(qū)；穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時，壓力絕對誤差基本控制在1 kPa以內(nèi)。

圖16 實(shí)際燃料電池系統(tǒng)壓力閉環(huán)控制測試結(jié)果

空氣流量閉環(huán)控制的效果如圖17 所示?？焖偌虞d、減載過程中，空氣流量在系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時，流量絕對誤差基本在1 g/s以內(nèi)。

圖17 實(shí)際燃料電池系統(tǒng)流量閉環(huán)控制測試結(jié)果

測試過程中，燃料電池電壓-電流實(shí)測值與參考值的比對結(jié)果如圖18所示。從圖18中可以看出，在同一電流下，使用該算法所獲得的燃料電池電壓實(shí)測值與燃料電池電壓參考值相差較小，燃料電池性能較為穩(wěn)定。

圖18 燃料電池電壓-電流特性

由以上測試結(jié)果可知，與空氣子系統(tǒng)臺架測試效果相同，該控制算法在實(shí)際燃料電池系統(tǒng)測試中亦可獲得良好的空氣壓力和流量控制效果，驗(yàn)證了本文所提出控制策略的可行性與有效性。

6 結(jié)束語

本文在對比分析目前燃料電池汽車常用的離心式空壓機(jī)的特性曲線基礎(chǔ)上，提出了一種針對離心式空壓機(jī)空氣供應(yīng)子系統(tǒng)的無解耦空氣壓力、流量雙閉環(huán)控制算法。采用傳統(tǒng)的PID控制器閉環(huán)控制空氣壓力，并設(shè)計Mamdani型模糊控制器實(shí)現(xiàn)空氣流量的閉環(huán)控制。

最后分別在空氣供應(yīng)子系統(tǒng)測試臺架和30 kW 凈輸出燃料電池系統(tǒng)上對該算法進(jìn)行了測試。結(jié)果表明：該控制算法精度滿足實(shí)際需求，具有很好的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)控制效果，且在工作點(diǎn)選擇合適的情況下，可以有效避免進(jìn)入空壓機(jī)喘振區(qū)。

本文的控制算法有效解決了以往傳遞函數(shù)獲取較為復(fù)雜等問題，未來的研究將聚焦在空氣子系統(tǒng)的故障診斷及容錯控制上，如空氣進(jìn)堆壓力傳感器或空氣流量傳感器故障。