本書序

隨著全球經濟的發展和汽車保有量的增多，能源緊缺和環境污染問題愈發凸顯，發展新能源汽車將對全球汽車和能源技術、產業以及社會經濟發展產生重大深遠的影響，也是我國汽車產業實現“雙碳”目標征途中的重要內容。我國從“十五”期間國家863計劃電動汽車重大專項起便確定了純電動、混合動力、燃料電池汽車動力技術研發齊頭并進，按技術狀態分階段具體實施的電動汽車技術發展戰略。經過我國汽車人二十余年的不懈努力，新能源汽車技術與產業的發展取得了輝煌的成就。

當前基于鋰離子電池技術的新能源汽車動力系統技術路線基本解決了乘用車、公交車等電動化問題，并處于產業化快速展開階段；商用車是公路運輸的主要碳排放來源，解決重載、長里程的商用車電動化問題也勢在必行，而燃料電池汽車因具有加氫時間短、一次加氫續駛里程長等優勢可望成為未來商用車主導性技術之一。同時，氫能是一種來源豐富、綠色低碳、應用廣泛的二次能源，發展燃料電池汽車對發展可持續低碳交通、穩定能源供給、促進能源結構低碳化，提升我國科技創新實力和國際競爭力，也具有非常重要的意義。

眾所周知，當前燃料電池汽車的核心部件為質子交換膜燃料電池系統，一般簡稱為燃料電池發動機。它是以氫氣為燃料，通過電化學反應將氫氣中的化學能直接轉變為電能的電氣化動力系統動力源。燃料電池系統通常由燃料電池堆和維持其正常運行的輔助部件組成，通過相應的管理與控制技術實現在線檢測、實時控制、故障診斷及通信交互等功能，確保發電穩定可靠。

在燃料電池汽車應用示范初期階段，燃料電池系統管理與控制主要依據對系統外部某些物理量的實時測量值與試驗和路測標定值進行對比，以確定操作條件安全邊界，并對燃料電池堆的操作條件進行控制。雖然也采用閉環控制方式，但并非基于實時動態模型進行，因而管理與控制缺乏精準性。典型代表有“超越系列”燃料電池轎車以及世博會的示范運營燃料電池車輛。隨著燃料電池材料、零部件和系統集成技術的逐漸成熟，以及燃料電池汽車應用范圍逐步推廣，燃料電池系統開始面臨成本、使用壽命和環境適應性，以及精確化控制等問題，這對燃料電池系統的設計、管理與控制技術提出了新的需求。一方面，需要在設計階段，綜合考慮成本、體積、重量、壽命等約束，對燃料電池系統及關鍵零部件進行模塊化設計和集成優化；另一方面，需要在傳統控制方法基礎上，充分利用車載系統有限的外部可檢測物理量，借助系統模型或算法得到燃料電池內部狀態信息后實時更新操作條件，進而通過更加精確的控制使燃料電池含水量、反應物濃度等內部狀態處于優化范圍內，保證燃料電池有效可靠工作，提升其使用壽命和環境適應性。

質子交換膜燃料電池是一個典型的多時間尺度、多物理場耦合的復雜非線性系統，其工作過程中涉及反應電荷轉移、反應氣體傳遞、電荷傳輸等基本電極動力學過程，且運行過程中的進氣壓力、進氣流量及運行溫度等操作條件對上述動力學過程均有不同程度影響。因此，研究操作條件對電極過程機理的影響規律是燃料電池系統設計、管理與控制的前提。在此基礎上，還需要突破燃料電池固有封閉結構限制，盡可能獲取內部關鍵狀態變量，從而明確不同工作場景下的燃料電池系統控制目標。另外，燃料電池系統的非線性特征、反應氣體流量壓力之間的強耦合特性、冷卻回路熱容大等問題，使得頻繁變載工況下電堆的操作條件難以精準控制，因而，如何盡可能地建立面向運行控制的燃料電池系統集總參數模型和分布參數模型，實現精確化的壓力、流量和溫度控制，且能夠在零下低溫環境下實現快速冷啟動，已成為學術界和工業界近些年來持續關心和研究的重要課題。

本書作者及其所在研究團隊在燃料電池、鋰離子電池等電化學電源的管理與控制領域深耕多年，針對上述燃料電池系統集成與控制面臨的研究課題已取得了一些令人矚目的成果，這些均在本書中給以呈現，以饗讀者。

本書對質子交換膜燃料電池的基本特性及電極過程機理，創新性地引入電化學阻抗譜這一理論方法，通過弛豫時間分布分析了燃料電池單體內部不同時間尺度的動力學過程，并據此分析了操作條件對動力學損失的敏感性；將小活性面積的燃料電池單體分析擴展至車用大活性面積的燃料電池堆，分析并闡明了操作條件對燃料電池單體電流密度不均勻和電堆單體間不一致性的影響規律；進一步闡述了不同初始條件和加載方式下燃料電池單體及電堆的低溫冷啟動特性，為后續的燃料電池系統設計和管理控制奠定了基礎。

該書還較為全面地介紹了典型車用燃料電池系統的基本架構及集成方案，并給出了典型零部件的電氣接口信息描述，以及子系統關鍵零部件的工作特性和參數匹配計算方法。該書較為詳盡地闡述了進氣系統和熱管理系統控制方法，如針對空氣流量與壓力耦合問題，如何進行串級反向解耦控制器設計；針對排氫閥開啟引起的壓力波動問題，如何設計模糊PI前饋補償控制器；針對大熱容引起的冷卻液溫度波動大的問題，如何進行自適應模型預測控制；針對低溫快速冷啟動難題，如何構建基于粒子群算法的快速冷啟動策略等。理論與應用實踐已表明，這些控制方法均能較好地實現質子交換膜燃料電池操作條件的精準控制。

最后，該書還對基于滑模觀測器的氧氣過量系數估計，基于特征頻率阻抗和混合深度學習的膜干、水淹和缺氣故障診斷，以及基于模態分解和深度學習的短時電壓衰減預測等狀態識別/診斷功能方法進行了介紹。可以預見，這些技術的進一步發展與突破對于開發新型燃料電池管理與控制系統產品、提高燃料電池系統使用壽命和環境適應性，將發揮重要的作用。

到目前為止，該書所涉及的理論方法已部分在實際燃料電池系統產品中得到了廣泛應用和驗證，取得了良好的效果。相信本書的出版必將會對我國燃料電池系統集成研發人員進一步開展應用基礎研究和產業技術研發有所裨益，并助力于我國燃料電池汽車商業化的發展，為我國新能源汽車事業貢獻一份力量。

2023年11月于同濟大學