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燃料电池控制技术介绍

大纲燃料电池系统基本原理空气供应系统控制技术氢气供应系统控制技术水热管理系统控制技术电堆内部状态诊断技术

1.燃料电池系统基本原理电催化反应原理单电池结构组成特点:1)效率高(60%)零排放(仅生成水)噪声小温度低(80度左右)启动快

1.燃料电池系统基本原理电堆通常情况下，单节燃料电池的工作电压在0.6~0.7V。为达到应用所需的电压和功率要求，需将多个单电池串连在一起组成电堆，如上图所示：一定数量的MEA、双极板和密封件交替重复叠放在一起，两端再分别加装集流板、绝缘板和端板，在一定的压力下组装即可。类似于电池干电池串联

1.燃料电池系统基本原理膜电极membraneelectrodeassembly(MEA)由电解质膜（PEM）和分别位于其两侧的气体扩散层电极（GDE）或催化剂涂覆膜（CCM）和分别置于其两侧的气体扩散层（GDL）通过一定的工艺组合而成。扩散层微孔层催化层质子交换膜膜电极（MEA）

1.燃料电池系统基本原理典型FCV动力系统拓扑结构图FCDC/DCControllerMotorBatteryH2Air（混合型燃料电池汽车，FC作主动力源，电池为辅助电源）

1.燃料电池系统基本原理温度压力流量湿度

2.空气供应系统控制技术

空气供应系统拓扑结构电堆控制器空压机中冷器和加湿器空气过滤器背压阀大气大气SS空气流量空气压力背压阀控制信号空压机控制信号空气流动方向S传感器

关键问题1：空气供应背压和流量的相对独立控制对策：全工况范围内（高海拔，高功率，低功率）的空气背压和流量的自适应鲁棒解耦控制技术

系统辨识

系统辨识i序号1234567ni3000400050006000700080009000?35404550556065辨识点：

控制器设计

控制器设计空气系统控制：传统的PID控制难以有效解决压力与流量环路间的相互影响，需进行解耦流量控制器流量设定压力设定N21N12压力控制器前馈补偿解耦器系统－－G11(s)G21(s)G12(s)G22(s)y2y1u1u2v2v1

离心式空压机喘振空压机的实际工作点在喘振线附近。一旦工作点落入喘振区，空气供气流量和压力会大幅波动，从而可能导致电堆缺氧，阴阳极压差过大致使膜破裂，空压机损坏等后果。喘振线

3.氢气供应系统控制技术

压力控制关键问题1：阴阳极压差处于合理范围内对策：通过高速电磁阀实现阳极压力快速随动控制PEMFCHydrogenTankReducingValvePurgeValveNozzleHighspeedSolenoidvalve共轨系统

压力控制基本框架C(s)C1(s)i＋r(t)CurrentloadRoundCommonrailC0(s)u?u?整形前馈Anode＋C2(s)前馈hPurge反馈前馈：解决电流扰动和排氢扰动堆压力波动的抑制问题整形：解决跟随控制的超调问题反馈：解决系统不确定性问题

压力控制效果200400800100012000020406080100600Time(Sec.)Pressure(kPa)CathodePressureAnodePressure5205305505604550556065540Time(Sec.)Pressure(kPa)CathodePressureAnodePressure某系统（60KW）实测氢气压力跟随控制效果

阳极循环关键问题2：阳极流道内气体（水气、氢气、杂质）分布尽量均匀对策：加大阳极氢气循环（引入氢气循环泵或引射器或二者结合）循环装置的引入

引射器基本原理引射器原理结构图引射器仿真与试验引射比利用氢气的压力能有效转化成循环气体的动能，最终在全工况范围内实现氢气无源循环，额定点达到100%的循环比；利用计算机寻优技术，给定系统电堆边界条件，实现引射器自动优化；

4.水热管理系统控制

水热管理系统的目标电堆冷却液进出口温度不超过10℃电堆冷却液出口温度不超过设定范围冷却回路的电导率不超过5us/cm

温度控制的常用方法冷却液出口温度：设定75℃1.低于60℃冷却液走内循环2.高于60℃冷却液走外循环通过控制风扇转速来达到设定温度的控制冷却液流量控制条件：匹配系统压力；电堆冷却液出入口温度梯度电堆T入口温度T出口温度T电堆散热器水泵T环境温度

丰田公司湿度控制的基本原理氢气和空气注入的逆流配置质子交换膜变薄，气体扩散层改性减少空气入口的膜中水的蒸发量加大阳极氢气循环改变空气供应的压力和流量

丰田在2014年上市的Mirai燃料电池汽车上取消了加湿器,这也是目前全球燃料电池汽车唯一一款取消加湿器的FCV。体积下降：15L；重量降低：13kg