氫燃料電池汽車控制策略淺析

1 前言

為解決全球氣候變暖問題，最大限度地減少對化石燃料的需求，減少汽車排放是至關(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，用氫燃料電池汽車替代傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車是未來汽車發(fā)展的一個潛在趨勢。然而，除了其顯而易見的優(yōu)勢之外，也存在很多不足。比如功率密度低、功率響應(yīng)慢，此外，氫氣壓力的過度波動也會降低氫氣的利用率，影響氫燃料電池堆的工作壽命。因此，為了充分發(fā)揮氫燃料電池汽車的優(yōu)點并將其缺點降低至最小化，氫燃料電池汽車的魯棒性控制策略和控制器的設(shè)計尤為重要。

國內(nèi)外學(xué)者對此開展了廣泛研究，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)計相應(yīng)的控制策略；為了獲得良好的系統(tǒng)性能，設(shè)計超級電容器(SCAP)控制策略；以及采用其他模糊控制策略對氫燃料電池汽車進行最優(yōu)化控制設(shè)計研究。

2 氫燃料電池汽車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，氫燃料電池汽車控制機制必須具備相應(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，氫燃料電池汽車整車主要由4大核心部件組成：三相牽引電機、輔助設(shè)備、直流總線以及能量存儲系統(tǒng)。車輛正常運行所需要的電能平衡和變化，以及車輛意外損壞事故的主動防控正是通過這些組件的協(xié)調(diào)工作來保障的。

2.2 控制策略概述

為了給氫燃料電池汽車提供更高的能源管理，近年來，氫燃料電池控制器也得到了長足發(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，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，必須對控制策略相應(yīng)的主框架加以成型設(shè)計。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電流的變化間隔以及電池充放電時間與設(shè)定參考時間的差值。

為了使車輛的能源管理得到有效控制，必須對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研究的重點和挑戰(zhàn)，此外，就燃料經(jīng)濟性而言，氫燃料消耗最小化必須全面加以考慮，在未來一定能實現(xiàn)“綠色能源”和“氫經(jīng)濟”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氫燃料電池系統(tǒng)的魯棒性和耐久性來說至關(guān)重要。傳統(tǒng)方法中一直采用的PID控制器，當(dāng)氫氣閥開關(guān)或負載急劇變化時，氫氣壓力波動劇烈，整個系統(tǒng)會發(fā)生嚴(yán)重振動。在國內(nèi)外最近的研究成果中，同濟大學(xué)的Ye提出了一種新的控制策略：改進的共軌噴射系統(tǒng)—氫噴射器總成。

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。除了計算氫氣壓力設(shè)定值與實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輸入；曼達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)對輸入e和誤差變化率ec進行模糊化，然后根據(jù)所建立的模糊控制規(guī)則進行模糊推理，得到模糊輸出，最后通過去模糊化得到了電磁閥脈沖寬度的變化DPW。

通過對曼達尼模糊控制器與傳統(tǒng)PID控制器進行比較，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建立一個氫氣壓力調(diào)節(jié)器模型來捕捉從壓縮氫罐到燃料電池堆的氫排放行為，該模型的重點是在給定儲罐入口條件下，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)器模型為儲氫系統(tǒng)關(guān)鍵動態(tài)元件的評估和優(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通過將幾個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，國內(nèi)外學(xué)者通過各種動態(tài)流動條件對相關(guān)數(shù)據(jù)進行了模型驗證，結(jié)果表明，驗證后的模型可廣泛應(yīng)用于操作和設(shè)計因素的研究設(shè)計。例如，參數(shù)化研究表明，流量升速對穩(wěn)態(tài)壓力和溫度的影響可以忽略不計，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)出口溫度相對于進口溫度而言，其敏感性較高，但由于焦耳漢森效應(yīng)，限制進口壓力以避免出口過熱可能更為可行，通過相關(guān)模型的建立，更方便了系統(tǒng)的進一步研究控制。

圖2 模型域和方程[3]

4 節(jié)省燃料和延長氫燃料電池汽車生命周期的控制策略[4]

隨著氫燃料電池汽車(HFCEV)發(fā)展進程的日益加快，如何最大限度地利用氫燃料電池堆中所儲存的能量，進而高效地利用氫燃料電池汽車已成為一個十分重要的研究問題。

近年來，學(xué)者Kaya提出了兩種新的針對氫燃料電池汽車的控制策略，并且探討了其在不同道路模型下對車輛燃油經(jīng)濟性，動力性以及系統(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，因此只需對控制參數(shù)進行調(diào)整便可實現(xiàn)對不同道路模型下車輛的控制，再者，針對不同的氫燃料電池汽車，兩種控制策略也各有優(yōu)劣，應(yīng)分別加以試驗。在此基礎(chǔ)上，Kaya從整車油耗、系統(tǒng)部件壽命、儲能技術(shù)功率共享以及系統(tǒng)性能等方面對控制策略進行了比較。

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)是通過將更多的電池、電池堆和超級電容器集成到燃料電池中來以降低燃料電池的燃料消耗，利用車輛存儲再生制動能量的能力來保證車輛的燃油經(jīng)濟性。

上述控制策略算法的SOC模擬計算結(jié)果表明。最大自由電荷狀態(tài)(SOCLiB)保持在60%到90%之間。當(dāng)車輛開始移動時，檢查SOCLiB，如果大于電池的最小充電狀態(tài)(SOCLiB_min)，則車輛開始在質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)和(LiB)的控制下運行；而在高功率需求時，超級電容器會響應(yīng)車輛的功率需求(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，SCAP被包含在系統(tǒng)中，以滿足過剩的電力需求。

4.2 生命周期延長控制方法(LCS-CS)

LCS-CS算法的SOC模擬計算中的算法邏輯如下：車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，不同路況對車輛運行和控制方法性能的影響也是不可忽略的，當(dāng)車輛遇到斜坡或加速行駛時，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，車輛則單獨由PEMFC提供電力需求。在車輛緊急制動過程中，其所產(chǎn)生的再生制動能量存儲在SCAP中；在弱制動和慢制動過程中，再生制動能量儲存在LiB中，用于車輛的再啟動。因此，這種車輛控制方法既節(jié)省了燃料，又延長氫燃料電池的壽命。通過這種方式，車輛的動力系統(tǒng)可以實現(xiàn)高效運行。

5 混合可再生系統(tǒng)的先進控制策略[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)的有效實現(xiàn)和操作的可靠性是控制算法開發(fā)的關(guān)鍵要求。新加坡國立大學(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兩種方法實現(xiàn)的，一種是基于模型的帶約束收縮層模型預(yù)測控制(MPC)算法，另一種是基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的虛擬參考反饋調(diào)優(yōu)(VRFT)方法來識別控制器參數(shù)。分別對1 h和24 h的固定電流負載和固定轉(zhuǎn)換效率進行評估。

5.2 理論分析及仿真驗證

Chen對系統(tǒng)進行大量的理論分析，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)動的離散時間PID控制器的有效性，實現(xiàn)了固體氧化物燃料電池堆功率輸出的局部控制和自動跟蹤。對不同的控制方法進行仿真，結(jié)果表明，兩種控制方法都能在邊界受限且無超調(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)實現(xiàn)上是完全不同的，但它們在工業(yè)電力負荷下都是可行和有效的，這就驗證了混合能源系統(tǒng)的可行性，同時向研究人員提供了廣泛的局部控制選擇。

6 結(jié)束語

作為新能源汽車的主要研究方向之一，氫燃料電池汽車的發(fā)展一直是業(yè)內(nèi)關(guān)注的焦點。近年來，國內(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。而我國在氫燃料電池汽車上的開發(fā)起步相對較晚，研發(fā)技術(shù)相對于發(fā)達國家也比較落后。整體來說，我國在氫燃料電池汽車的發(fā)展上仍處于探索和起步階段，目前正在研究的單位和機構(gòu)并不多，主要以高等院校為主。但高等院校對于氫燃料電池的研究大多處于理論研究階段，缺少具體的操作實踐，在實車上的驗證也相對較少，尤其在控制策略及控制算法方面仍有待進一步提高。