车用燃料电池进气系统建模与控制策略设计文献综述

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1. 研究背景及意义
   1. 研究背景

随着汽车工业的进步，汽车已经完全融入我们的日常生活中。然而，传统汽车消耗的化石能源燃烧所排放出的二氧化碳和氮、硫氧化物等给环境造成的危害尤为突出。其次，化石能源是一种不可再生能源，随着对能源的需求不断的增长，传统的化石能源已经满足不了各个行业的需求。所以，化石能源燃料的短缺和随之带来的污染问题使得汽车行业需要思考应该承担的责任和发展方向的转型。电动汽车就是解决以上问题的一个发展方向。

电动汽车使用电能作为动力源，通过电动机驱动汽车行驶。进入二十世纪末期，随着电池技术的发展和对能源危机、环保问题的担忧，电动汽车逐渐开始发展起来。电动汽车分为纯电动汽车（BEV）、混合动力电动汽车(HEV)和燃料电池电动汽车(FCEV)。而燃料电池汽车与纯电动汽车和混合动力电动汽车相比能实现零排放，也不受续航里程以及充电时间的限制。由于这些优势，使得燃料电池汽车的发展得到了重视。

燃料电池是一种通过电化学反应将化学能转换为电能输出的装置。其中，氢氧燃料电池通过燃料气体与氧气反应生成水，也不会产生二氧化碳和氮硫氧化物等，所以不会造成环境污染。化学反应装置能完全隔离，且系统中没有移动组成部件，所以不会产生噪音。而且，氢氧燃料电池所使用的氢气和氧气都是可再生的，掌握了成熟的制氢技术且达到一定的量产，就能解决能源短缺的问题。并且，燃料电池的电化学反应不受卡诺循环限制，而且有极高的转换效率^[13]。

所以，燃料电池是一种高效、无污染、无噪声、可持续的环境友好型的能源装置。基于这些优点，燃料电池在相关的领域已成为热门研究方向。

• 1. 研究意义

质子交换膜燃料电池是一个复杂的系统。而进气系统是其中最重要的一个环节，进气系统提供的氢气和氧气的状态直接决定了燃料电池的输出性能。首先，在燃料电池稳定运行的时候，进气系统要能够提供状态合适的气体，使燃料电池堆达到较高的转换效率。其次，由于进气系统的特性，在负载变动的时候，需要控制进气系统能够快速高效地反应，尽快达到新的平衡。因此，要想获得稳定、高效、更长寿命的燃料电池，就必须对燃料电池的进气系统做出进一步的研究。

1. 燃料电池
   1. 燃料电池分类

燃料电池具有多种分类方法，根据电解质可以分成如下一些类别：质子交换膜燃料电池（PEMFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）、磷酸型燃料电池（PAFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）、碱性燃料电池（AFC）五类^[3]。几种类型的燃料电池对比如下表所示。

表2.1 燃料电池分类^[3]

燃料电池类型	电解质	运行温度	功率	效率	应用领域
质子交换膜燃料电池	全氟磺酸基	50-100℃	1-10KW	60%	移动充电设备、电动车
磷酸型燃料电池	磷酸溶液	150-200℃	400KW	40%	分布式发电
碱性燃料电池	氢氧化钾溶液	90-100℃	10-100KW	60%	军用、航空航天
固体氧化物燃料电池	氧化钇、氧化锆	700-10000℃	1KW-2MW	60%	备用电池、公共电源
熔融碳酸盐燃料电池	锂、钠、钾的熔融碳酸盐	600-700℃	300KW-3MW	45%-50%	公共电源、分布式发电

磷酸型燃料电池常用于分布式发电，但因其采用的酸性电解质，导致电池中的一些部件加速了腐蚀和氧化。碱性燃料电池多用于航空航天。固体氧化物燃料电池和熔融碳酸盐燃料电池因其需要较高的工作温度，不利于作为电动车电源使用。质子交换膜燃料电池工作温度和压力适合于电动汽车应用，且效率高，整个系统体积合适。所以质子交换膜燃料电池作为汽车电源得到了发展。

• 1. 质子交换膜燃料电池系统组成以及工作原理

质子交换膜燃料电池是一种利用氢气和氧气间的氧化还原反应将化学能转换为电能的装置。其中的核心部件为燃料电池堆。电池堆的结构包含膜电极，气体扩散层（GDL）、催化层和双极板，如下图所示

图2.1 燃料电池结构^[2]

燃料电池堆不能独立的工作，需要其他的辅助系统保证在合适的温度、湿度的条件下有合适的气体供给。燃料电池的辅助系统主要分为如下四种：进气系统、水管理系统、热管理系统、能源管理系统^[4]。

PEMFC工作时，需要外界源源不断地供以氢气和氧气，在电池堆中发生化学反应产生电能。氢气和氧气分别经过进气系统、双极板间的流道、气体扩散层到达催化层发生反应。反应产生的水可以用来给系统加湿，一部分因为压力向阳极转移，多余的水分需要及时排出系统^[3]。

• 1. 质子交换膜燃料电池进气系统

作为质子交换膜燃料电池的重要组成部分，质子交换膜的进气系统又可以进一步划分为空气供给系统和氢气供给系统。

空气供给系统主要由空气滤清器、空气压缩机、加湿装置、冷却装置、供给装置、返回管道和背压阀构成。其作用是为燃料电池堆连续地提供合适压力和流量的干净空气。氢气供给系统主要由储氢罐、减压阀、调节阀、尾排阀和气体管路组成。其作用是为燃料电池堆供应足量氢气，并且调节电池堆内两极气体压力的平衡。另外还有氮气吹扫装置定期为系统进行吹扫，排出系统内过量的水分，在燃料电池工作结束时排出未及时反应的氢气。

图2.2 燃料电池进气系统^[2]

1. PEMFC进气系统建模与控制策略研究现状

为了研究燃料电池的进气系统，首先需要建立准确的电堆电压模型和进气系统模型，通过仿真或实验的方法获得进气系统的特性。根据所获得的进气系统特性，进一步选择合适的控制策略，完成对进气系统的控制。

• 1. 燃料电池电堆电压和进气系统建模研究进展

陈雪兰^[1]通过考虑氢气和空气在GDL层的扩散以及电化学反应过程，建立了稳态电压模型。在机理推导的基础上，通过一定的简化和变形得到线性化的参数方程，该模型具有5个待辨识参数。实验过程中搭建了实验平台，做了相关性分析，根据实验数据采用了最小二乘法辨识参数。通过验证，得到了具有很好拟合效果和泛化能力的半经验稳态电压模型。且该模型不包含温度、压力等外界条件，具有良好的通用性。

胡捷^[3]通过电化学的热力学、动力学分析，考虑了电流密度、电压、反应物浓度以及压降的表达式与影响，再结合经验公式，建立了电堆输出电压的半经验机理模型。然后通过实验数据进行了参数辨识，验证了模型的拟合效果和泛化能力。接着进一步用MATLAB仿真进一步验证了辨识方法的可行性和有效性。宋天助^[4]考虑了阴极流道、阳极流道、电化学热力学特性和极化现象，建立了有效的燃料电池半经验半机理模型。并且通过实验和MATLAB仿真得到了燃料电池的输出特性，即极化曲线。

在建立了电堆电压模型的基础上，需要进一步建立进气系统模型。

陈雪兰^[1]介绍了经典的九阶模型，该模型阴极考虑了流道、空压机、管道、冷却装置和加湿装置中的传输，阳极采取死端方式主要考虑了流道中的传输模型。结合九阶模型和三阶模型，考虑了氧气的压力，得到了空气进气系统四阶模型。并且通过与九阶模型的对比，验证了模型的有效性。胡捷^[3]通过考虑进气系统各个辅助组件以及质子交换膜水化模型，给出了阴极和阳极进出口气体的分压以及膜内两种物态水的传质过程，形成了一个较为完整的PEMFC进气系统模型。

氢气供给系统方面，宋天助^[4]采用了循环结构，考虑了管道、供氢阀门、排氢阀门、循环泵中的传输模型，得到了有效的氢气供给模型。洪凌^[5]分析了燃料电池供气管道、阳极流道、循环风机、流道孔口等重点结构，主要考虑了燃料电池阳极流道中的气体变化的重要机理过程，如电化学反应流量变化和气体跨膜渗透过程。在此基础上，建立了面向控制的燃料电池发电系统氢气回路模型，模型包含氢气供给和氢气循环两个流量阀门开度控制量。

• 1. 进气系统特性以及控制策略

在燃料电池系统中，当负载增加时，反应需要消耗更多的氧气，如果此时空气供给系统不能及时地供给足够的氧气就会出现“氧气饥饿”现象。“氧气饥饿”会导致燃料电池的输出电压迅速下降，甚至导致燃料电池损坏无法工作。但如果供给的氧气流量太大，又会出现氧气饱和现象，导致燃料电池输出的净功率减小。现有的文献一般用氧气过量比来表征燃料电池中氧气的含量，且一般控制目标是使氧气过量比维持在常数2。此外，进气系统中的空压机存在喘振边界和阻塞边界，为了使空压机运行安全，必须考虑该约束。

针对空气进气系统，陈雪兰^[1]利用实验平台和相关模型，分别考虑了负载在100A、200A、300A时的情况。对系统施加5V的阶跃信号，得到了空气进气系统的性能变量和可测输出阶跃响应。可以得到，在不同负载时，空气进气系统的响应时间相差不大，但动态特性和稳态增益却相差很大。而且，随着负载电流的变化，氧气的过量比和空压机的电压成非线性关系。

在考虑空气进气系统的约束性和非线性这两个特性的基础之上，陈雪兰^[1]设计了LPV-MPC算法，并针对状态不可测问题设计了Kalman滤波器。模型预测控制（MPV）针对空气进气系统的约束性，线性变参建模控制（LPV）用来控制负载大范围的变化，用该时刻系统状态计算控制量。然后通过仿真和实验，验证了控制算法的有效性和优越性。

基于空气进气系统的特性，胡捷^[3]主要针对了阀门采用了模糊控制。采用输出电压与预设电压的差值以及其变化速率作为输入，确定了输入输出模糊集和隶属度函数，从而建立了模糊控制表和控制规则。利用MATLAB仿真，模拟实际负载扰动，仿真了输出电压随输入变化以及阳极消耗氢气的仿真结果，证明了该控制算法的优化作用。

王凡^[2]以提高系统响应速度和控制准确度为目标，设计了反馈线性化控制算法和基于二阶滑模的串级控制算法。反馈线性化控制算法将空气进气系统转化为部分线性化的新系统，针对空气压缩机的点击输入电压进行控制，从而实现对氧气过量比的准确控制。二阶滑模控制利用串级控制方案，主控制器控制氧气过量比，从控制器控制空气流量，并且输出氧气过量比作为反馈量。通过仿真对比，滑模控制方案存在一定的抖动，而反馈线性化控制方案响应更快、稳态精度更高，控制效果更好。然后，将反馈线性化控制方案进行最优功率的改进，实验证明采用此方案，燃料电池净输出功率提高了8%。

宋天助^[4]以协调控制为出发点，考虑进气系统和温度控制系统的协调控制。对于空气进气系统，进一步研究了进气系统的阶跃响应，发现了实验采集数据相对仿真结果较小，和系统的时间迟滞性。通过实验，找出了最佳氧气过量系数曲线，依据这条曲线可以得到当前电流需求下的最佳过氧比，通过静态前馈控制的空压机应该输出的空气流量值，使用PID模糊控制器控制空压机的工作电压，调节空气流量，从而维持最佳氧气过量系数状态。 对于氢气进气系统，针对压力调节阀，选用了简单的PID控制。对完整的燃料电池系统和控制策略进行了仿真测试，验证采用的控制策略的有效性。

1. 总结

综上，为了研究燃料电池进气系统的特性，首先要搭建燃料电池模型。利用仿真或者实验手段获得燃料电池系统响应特性，以实现系统平稳运行，避免氧饥饿，应对负载大范围变化，设计合适的控制策略进行控制。在考虑氧气过量比的同时，也应该将系统的净输出功率加入考虑，并且能够针对燃料电池系统中的非线性特性，实现控制。

1. 参考文献

[1]陈雪兰. 燃料电池系统建模与控制研究[D].浙江大学,2013.

[2]王凡. 燃料电池进气系统控制[D].浙江大学,2016.

[3]胡捷. 质子交换膜燃料电池建模与控制研究[D].合肥工业大学,2019.

[4]宋天助. 燃料电池动力系统特性及其控制研究[D].吉林大学,2019.

[5]沈烨烨,陈雪兰,谢磊,李修亮,吴禹,赵路军.基于LPV模型的燃料电池空气进气系统控制[J].化工学报,2013,64(12):4529-4535.

[6]洪凌. 车用燃料电池发电系统氢气回路控制[D].浙江大学,2017.

[7]樊磊,刘永峰,裴普成,姚圣卓,王方.两种工况下进气相对湿度对燃料电池性能影响的研究[J].可再生能源,2018,36(08):1163-1167.

[8]李奇. 质子交换膜燃料电池系统建模及其控制方法研究[D].西南交通大学,2011.

[9]樊磊. 进气加湿效率对车用燃料电池性能影响的研究[D].北京建筑大学,2019.

[10]张海波,高勇.燃料电池气体温湿度与电堆性能分析[J].船电技术,2019,39(05):42-45.

[11]刘永峰,王娜.进气温度对质子交换膜燃料电池性能影响的试验研究[J].北京建筑大学学报,2016,32(02):46-50.

[12]纪光霁,陈凤祥,马天才,周苏,章桐.车用质子交换膜燃料电池系统中气/气增湿器动态建模与影响因素分析[J].汽车工程,2014,36(06):663-668 672.

[13] Uhrig F, Schinnerl M, Haluska P, et al. Comparative Study of Different Air Supply Systems for Automotive Fuel Cell Applications: SAE International, 2019.

[14] Sorrentino M, Capaldo D. Simultaneous Optimization of Real-Time Control Strategies and Powertrain Design for Fuel Cell Hybrid Vehicles[C], 2019.

[15] Chen F, Chen X, Chen X. Simulation Analysis of Environmental Adaptability of High Pressure Fuel Cell Engine Air Supply System[C], 2018.

[16] Venturi M, Sang J, Knoop A, et al. Air Supply System for Automotive Fuel Cell Application[C], 2012.

1. 研究背景及意义
   1. 研究背景

随着汽车工业的进步，汽车已经完全融入我们的日常生活中。然而，传统汽车消耗的化石能源燃烧所排放出的二氧化碳和氮、硫氧化物等给环境造成的危害尤为突出。其次，化石能源是一种不可再生能源，随着对能源的需求不断的增长，传统的化石能源已经满足不了各个行业的需求。所以，化石能源燃料的短缺和随之带来的污染问题使得汽车行业需要思考应该承担的责任和发展方向的转型。电动汽车就是解决以上问题的一个发展方向。

电动汽车使用电能作为动力源，通过电动机驱动汽车行驶。进入二十世纪末期，随着电池技术的发展和对能源危机、环保问题的担忧，电动汽车逐渐开始发展起来。电动汽车分为纯电动汽车（BEV）、混合动力电动汽车(HEV)和燃料电池电动汽车(FCEV)。而燃料电池汽车与纯电动汽车和混合动力电动汽车相比能实现零排放，也不受续航里程以及充电时间的限制。由于这些优势，使得燃料电池汽车的发展得到了重视。

燃料电池是一种通过电化学反应将化学能转换为电能输出的装置。其中，氢氧燃料电池通过燃料气体与氧气反应生成水，也不会产生二氧化碳和氮硫氧化物等，所以不会造成环境污染。化学反应装置能完全隔离，且系统中没有移动组成部件，所以不会产生噪音。而且，氢氧燃料电池所使用的氢气和氧气都是可再生的，掌握了成熟的制氢技术且达到一定的量产，就能解决能源短缺的问题。并且，燃料电池的电化学反应不受卡诺循环限制，而且有极高的转换效率^[13]。

所以，燃料电池是一种高效、无污染、无噪声、可持续的环境友好型的能源装置。基于这些优点，燃料电池在相关的领域已成为热门研究方向。

• 1. 研究意义

质子交换膜燃料电池是一个复杂的系统。而进气系统是其中最重要的一个环节，进气系统提供的氢气和氧气的状态直接决定了燃料电池的输出性能。首先，在燃料电池稳定运行的时候，进气系统要能够提供状态合适的气体，使燃料电池堆达到较高的转换效率。其次，由于进气系统的特性，在负载变动的时候，需要控制进气系统能够快速高效地反应，尽快达到新的平衡。因此，要想获得稳定、高效、更长寿命的燃料电池，就必须对燃料电池的进气系统做出进一步的研究。

1. 燃料电池
   1. 燃料电池分类

燃料电池具有多种分类方法，根据电解质可以分成如下一些类别：质子交换膜燃料电池（PEMFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）、磷酸型燃料电池（PAFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）、碱性燃料电池（AFC）五类^[3]。几种类型的燃料电池对比如下表所示。

表2.1 燃料电池分类^[3]

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