1.4 燃料電池系統控制

系統硬件集成后，仍需要一套完整的控制方案對燃料電池系統的空氣供給、氫氣供給、熱管理子系統進行控制。如果說巧妙的系統集成設計為燃料電池提供了一副強健的“體魄”，那么合理的控制技術就是燃料電池系統的“大腦”。“大腦”先進程度直接決定了燃料電池系統零部件的執行與配合表現，從而決定了系統運行效果。從燃料電池系統結構角度分析，燃料電池系統控制主要由空氣供給子系統控制、氫氣供給子系統控制及熱管理子系統控制等功能模塊組成。此外，燃料電池在某些極端條件下的控制也正在得到越來越多的關注，從而提升系統的環境適應性，典型的案例是燃料電池低溫冷啟動控制。

1.4.1 空氣供給子系統控制

反應物的供給直接決定了系統的輸出表現，相比于氫氣供給子系統降壓型控制，空氣供給子系統是升壓型控制，需要例如空壓機的外部做功器件來對空氣進行加壓，保證陰極側還原反應具有足夠流量和壓力的空氣。此外，空氣供給子系統構成相對較為復雜，控制執行機構較多，同時控制過程中流量和壓力之間具有較強的耦合性，進而導致空氣供給控制成為燃料電池系統控制技術中的一大難點。

在空氣供給子系統控制過程中，一般采用氧氣過量系數作為當前氧氣供給是否充足的指標，氧氣過量系數定義為進入燃料電池的氧氣流量與反應所需的氧氣流量比值。過低的氧氣過量系數會使燃料電池處于缺氧狀態，導致燃料電池傳質損失和電荷傳遞損失快速上升，輸出電壓急劇下降，嚴重缺氧甚至會造成催化劑脫落聚集和碳層腐蝕等一系列不可逆損傷。而過高的氧氣過量系數會導致壓縮機能耗較高，導致燃料電池系統凈輸出功率降低。因此在車用復雜工況下，要求空氣供給子系統能實時根據負載需求變化將氧氣過量系數快速準確地控制在合適的水平，從而保障燃料電池的持續正常工作。

針對燃料電池空氣供給子系統氧氣過量系數的控制，目前最成熟且常用的是通過比例-積分-微分（PID）算法對空壓機和背壓閥進行協同控制。因為算法簡單，PID控制可以在燃料電池控制單元（fuel-cell control unit，FCU）中以較小的儲存空間和計算資源實現對空氣側流量與壓力的目標值實時追蹤。然而在應對復雜多變的車用工況時，PID因其控制參數固定，通常在響應速度和控制精度上難以同時達到較好的表現。因此，隨著燃料電池系統控制更高要求的提出以及先進控制算法的普遍應用，空氣供給子系統控制技術也不斷進步。例如，考慮到模糊控制在處理非線性控制問題上具有高效、高魯棒性等優勢，有研究人員采用模糊邏輯與PID結合的方法對空壓機轉速進行實時控制，即PID參數通過模糊規則根據目標流量和實際流量的差值及差值變化率實時修正，結果表明引入模糊規則后流量和壓力波動明顯減小，適用于更復雜的車用工況。滑模控制算法也具有魯棒性強、響應速度快、實時性好等優點，這使得它在燃料電池空氣供給控制中也得到了相關應用，結果顯示滑模控制在空氣流量和壓力快速響應方面具有一定的優越性。

對于燃料電池空氣供給子系統中的流量和壓力耦合性問題，基于傳統雙PID控制空壓機和背壓閥的方式通常有較大的流量誤差和壓力波動。因此，燃料電池空氣路流量-壓力解耦控制也引起了關注。為了解決耦合問題，有學者研究系統輸入-輸出響應，利用系統傳遞函數特性對控制信號進行解耦，但隨著燃料電池系統執行機構增多，空氣路控制將面臨多輸入-多輸出問題，因此基于模型的控制方法因其可實時優化的優勢而得到發展。例如，可利用模型預測控制（model predictive control，MPC）對氧氣過量系數和壓力進行控制，基于實時優化結果得到執行器控制輸入。此外，目前大部分車用燃料電池系統采用的是離心式空壓機。由于高轉速特性，離心式壓縮機在運行過程中存在喘振現象，容易造成空壓機和電堆損傷。因此，對于目前的燃料電池空氣供給子系統，不僅需要關注氧氣過量系數的精確控制，也要關注燃料電池系統運行安全與零部件使用壽命，并針對性地設計具有高魯棒性、高精確性且具有喘振故障保護的控制策略。

1.4.2 氫氣供給子系統控制

氫氣壓力對燃料電池輸出性能具有直接影響，供氫壓力過低會引起氫饑餓現象，同時考慮燃料電池的耐久性和可靠性，陽極和陰極之間的供氣壓差應嚴格控制在合理范圍內，壓差過大易導致膜承受過度的機械應力，引起膜裂紋損傷，增加氣體滲透率和氟化物釋放速率，最終導致燃料電池性能下降甚至損壞，因此對陽極壓力波動控制具有較高要求。

就商業化燃料電池系統而言，陰極進氣由空壓機提供，通過空壓機轉速和背壓閥開度同步控制空氣質量流量和壓力。空壓機升壓時具有固有滯后特性，而氫氣則存儲在高壓儲氫瓶中，是降壓型控制，所以陰極側壓力調節速度明顯比陽極側慢。因此，通常采用陽極目標壓力主動跟蹤陰極側壓力方式將陰、陽極壓差控制在合理范圍內。因此，陽極控制主要目標一方面是減小膜受到的壓力沖擊，另一方面是避免氫饑餓。

目前，氫氣供給子系統通常具有循環回路設計，以提高氫氣利用率。氣液分離器和排氫閥也安裝在陽極側出口處，以定期或不定期地排放從陰極側滲透的液態水和氮氣，以避免陽極側水淹和缺氣。當排氫閥從關閉狀態打開時，氫氣質量流量會突然增加，但此時氫氣比例閥響應具有遲滯，導致氫氣壓力將瞬時降低，從而造成較為嚴重的氫氣壓力波動。早期陽極側壓力控制主要基于壓差比例控制器，使陽極壓力能夠快速跟隨陰極壓力的變化，而這種方式在實際應用中仍未解決排氫過程導致的氫氣壓力波動大的問題。對此，有研究在陽極側引入了狀態反饋控制器，同時調節了陽極側的壓力和濕度，通過反饋控制減小了排氫的影響。也有學者針對氫氣供給子系統非線性特性問題，引入非線性模型預測控制策略，通過串級控制結構，實現陽極內部的濕度和壓力耦合調節。此外，也可將電流信號和排氫信號作為前饋以提升比例閥對于排氫的響應，從而減小氫氣壓力波動。也有相關學者開展了魯棒預測控制器、基于模型控制器和H_∞控制器的氫氣壓力控制研究，發現基于模型控制器比傳統反饋控制具有更好的性能。進一步地，合理地將陽極側水和氮氣及時排出防止水淹，同時維持壓力穩定供給，提升氫氣利用率等因素綜合考慮，也是氫氣供給控制研究重點。

1.4.3 熱管理子系統控制

不同于傳統燃油車輛通過廢氣和散熱回路可以將溫度在大范圍內維持穩定，燃料電池系統是化學反應裝置，一半左右的反應能量會轉化為不可逆熱量，排氣輸出熱量占比小，絕大部分熱量需要通過輔助散熱帶出。燃料電池電化學特性使其對運行溫度的敏感性遠大于傳統內燃機，因此燃料電池工作溫度需要被精確控制。除了溫度本身對電化學反應具有影響外，燃料電池內部水和熱同樣具有強耦合，溫度對內部含水量的影響也會進一步影響燃料電池輸出性能。例如，低溫會降低燃料電池內部催化活性，同時飽和水蒸氣壓低，內部水蒸氣易冷凝形成液態水，容易導致電堆出現水淹故障。高溫容易引起燃料電池膜和催化材料降解，易造成膜干、局部燒蝕和穿孔現象。通常，對于功率小于10kW的小型燃料電池系統而言，可以采用風冷或者自然冷卻的方式進行溫度調節。然而，對于車用燃料電池系統，其功率較大，此時電堆集成度高且單體間散熱不一致性明顯，需要設計專用冷卻液流道加強實時換熱，并通過冷卻液將多余熱量帶出。與穩態工作時不同，動態工況下燃料電池輸出在變化的同時產熱也不穩定，需要通過反饋控制來調整冷卻液溫度和流量，從而保證電堆溫度穩定性。

然而，燃料電池熱管理系統比較復雜，管路和腔體較多，冷卻液熱容效應明顯。隨著燃料電池汽車向著全功率形式發展，動態工況下燃料電池承擔功率也逐漸增大。而車用大功率燃料電池系統的溫度閉環控制會存在明顯的非線性和遲滯特征。在動態工況下，系統溫度誤差和波動將進一步加大，降低了車用燃料電池實時運行表現。

針對燃料電池主動溫度控制，最為廣泛運用的是PID控制方法，其雖然簡單易于執行，但由于調節參數固定，在動態工況下溫控響應較慢、波動較大。為更好地處理燃料電池系統復雜非線性問題，模糊邏輯控制常用于溫度控制。基于實際調節經驗，針對不同外部工況設計離線的模糊規則，從而使溫度控制具有一定的動態工況和非線性適應能力。同時，采用模糊規則也可以在一定程度上實現溫度-濕度解耦效果。例如，有研究采用了多輸入-多輸出模糊控制對溫度和濕度進行協同控制，控制結果比傳統PID有所提升。此外，隨著智能控制的興起，其他的先進控制算法也被用于燃料電池熱管理中，例如，通過建立參考模型和自適應機制，根據控制模型與參考模型溫差以及當前實際溫度情況更新控制增益，從而應對溫度控制中的不確定性。另外，滑模控制、自抗擾控制策略等也被引入熱管理控制問題中，比傳統方式具有更好的效果。模型預測控制作為一種快速興起的智能控制算法，因其具有對模型要求低、適合處理多輸入-多輸出情況，同時在每個控制時刻實時求解帶約束的最優控制問題等多個優勢，在燃料電池熱管理系統的多輸入-多輸出優化控制中也越來越受關注。

1.4.4 低溫冷啟動控制

低溫冷啟動過程中，燃料電池生成水結冰會產生不平衡應力，當冰由于升溫融化而體積變小時，應力逐漸消失。隨著不斷的結冰與融化，燃料電池中不平衡應力的重復產生和消失將在一定程度上損害關鍵部件（如質子交換膜、催化層、氣體擴散層等）的結構，進而造成燃料電池性能的衰減和壽命的降低。為了深入了解冷啟動機理，許多學者對燃料電池冷啟動水熱傳輸特性進行了研究。通過可視化研究發現，當質子交換膜燃料電池溫度在-10℃時，生成水仍可能以過冷水的形式存在，而隨著過冷水的凝固放熱，出現溫度相應升高現象。進一步地，如果不對燃料電池進行氣體吹掃，殘留水在冷凍后會在多孔介質中結冰，形成的冰又會促使啟動過程生成的過冷水更容易在氣體擴散層和膜電極界面處逐漸累積結冰；如果在冷啟動之前進行氣體吹掃，由于缺少被吹掃掉的殘留水形成的雜質冰核，反應生成水在氣體流道和氣體擴散層中會更容易以過冷水的形式存在。也有研究發現陰極催化層中的水積累很快，而膜和陽極催化層的水增加很慢，這是由于低溫狀態下產水速率大于水擴散速率。有學者使用了熱容更小的金屬雙極板，與使用石墨雙極板相比，電池升溫更快，更利于冷啟動成功。除了產水的影響，啟動電流也是冷啟動的關鍵因素。在較大的電流密度下，電化學反應放出的熱量可以防止電池內部生成的水凍結，保證電池穩定運行，但是由于電池由內而外存在溫度梯度，在陰極外側的低溫區域還是會有冰生成。

目前燃料電池低溫冷啟動方法有自加熱法、外加熱法、保溫法等，其目的都是加快電池溫度上升、抑制冰的形成，從而提高電池低溫冷啟動性能。針對電池內部產熱升溫實現低溫冷啟動的自加熱法，主要可以分為以下三種：第一種是通過控制電堆輸出特性來實現自加熱，該類方法又可細分為控制電流加載法和控制電壓加載法等，該類方法相比于其他方法具有更好的節能效果；第二種是通過反應物饑餓產熱來實現加熱，具體原理為通過減少反應氣體供應或者多次短暫大電流加載，使電池內部產生較大過電勢，導致內阻增大和內部發熱增加，從而實現快速產熱，雖然這種方法對于電堆升溫極其有效，但該方法也會導致電堆衰減速率加快；第三種是向電堆通入反應混合氣體以實現自升溫，主要原理是將少量氫氣混入陰極供氣端，混合后的氣體將在電堆陰極催化層上發生類似于催化燃燒的反應，混合氣體的化學能將全部轉化為熱量，使電堆迅速升溫，也有相關文獻進行了類似的向陽極側混入氧化物來加熱電堆的方案，不過會使得空氣中的氮氣及其他物質在陽極大量堆積。