2019年燃料電池控制技術介紹.pdf

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1、燃料電池控制技術介紹同濟大學 燃料電池系統集成與控制研究所大綱1.燃料電池系統基本原理2.空氣供應系統控制技術3.氫氣供應系統控制技術4.水熱管理系統控制技術5.電堆內部狀態診斷技術同濟大學 燃料電池系統集成與控制研究所個人介紹2008年1月畢業于上海交通大學/自動控制專業，獲博士學位研究方向：氫燃料電池發動機的建模/控制/集成技術發表論文：近100篇，其中SCI 論文20篇發明專利：授權發明專利11項承擔項目：國家自然基金/國家863/科技部重大儀器專項/國家科技支撐計劃等項目/十三五重大專項陳鳳祥，男，1978年，同濟大學/汽車學院 博士生導師/副教授基礎領域：控制理論與控制工程、人工智能

2、郵箱：手機：13918413603同濟大學 燃料電池系統集成與控制研究所1.燃料電池系統基本原理 電催化反應原理電催化反應原理 單電池結構組成單電池結構組成特點:1)效率高(60%)2)零排放(僅生成水)3)噪聲小4)溫度低(80度左右)5)啟動快同濟大學 燃料電池系統集成與控制研究所1.燃料電池系統基本原理 電堆電堆通常情況下，單節燃料電池的工作電壓在 0.6 0.7 V。為達到應用所需的電壓和功率要求，需將多個單電池串連在一起組成電堆，如上圖所示：一定數量的MEA、雙極板和密封件交替重復疊放在一起，兩端再分別加裝集流板、絕緣板和端板，在一定的壓力下組裝即可。類似于電池干電池串聯同濟大學 燃

3、料電池系統集成與控制研究所1.燃料電池系統基本原理膜電極 membrane electrode assembly(MEA)由電解質膜（PEM）和分別位于其兩側的氣體擴散層電極（GDE）或催化劑涂覆膜（CCM）和分別置于其兩側的氣體擴散層（GDL）通過一定的工藝組合而成。質子交換膜催化層微孔層擴散層 膜電極（膜電極（MEA）同濟大學 燃料電池系統集成與控制研究所1.燃料電池系統基本原理典型FCV 動力系統拓撲結構圖FCDC/DCControllerMotorBatteryH2Air（混合型燃料電池汽車，FC作主動力源，電池為輔助電源）同濟大學 燃料電池系統集成與控制研究所1.燃料電池系統基本原理

4、溫度溫度壓力壓力流量流量濕度濕度同濟大學 燃料電池系統集成與控制研究所2.空氣供應系統控制技術同濟大學 燃料電池系統集成與控制研究所空氣供應系統拓撲結構電堆控制器空壓機中冷器和加濕器空氣過濾器背壓閥大氣大氣SS空氣流量空氣壓力背壓閥控制信號空壓機控制信號空氣流動方向S傳感器同濟大學 燃料電池系統集成與控制研究所關鍵問題1：空氣供應背壓和流量的相對獨立控制對策：全工況范圍內（高海拔，高功率，低功率）的空氣背壓和流量的自適應魯棒解耦控制技術同濟大學 燃料電池系統集成與控制研究所系統辨識同濟大學 燃料電池系統集成與控制研究所系統辨識序號12345673000400050006000700080009

5、00035404550556065ini辨識點：同濟大學 燃料電池系統集成與控制研究所控制器設計同濟大學 燃料電池系統集成與控制研究所控制器設計空氣系統控制：傳統的PID控制難以有效解決壓力與流量環路間的相互影響，需進行解耦流量控制器流量設定壓力設定N21N12壓力控制器前饋補償解耦器系統G11(s)G21(s)G12(s)G22(s)y2y1u1u2v2v1同濟大學 燃料電池系統集成與控制研究所離心式空壓機喘振空壓機的實際工作點在喘振線附近。一旦工作點落入喘振區，空氣供氣流量和壓力會大幅波動，從而可能導致電堆缺氧，陰陽極壓差過大致使膜破裂，空壓機損壞等后果。喘振線同濟大學 燃料電池系統集成與

6、控制研究所3.氫氣供應系統控制技術同濟大學 燃料電池系統集成與控制研究所壓力控制關鍵問題 1：陰陽極壓差處于合理范圍內對策：通過高速電磁閥實現陽極壓力快速隨動控制PEMFCHydrogen TankReducing ValvePurge ValveNozzleHigh speedSolenoid valve共軌系統同濟大學 燃料電池系統集成與控制研究所壓力控制基本框架AnodeC(s)1()C s2()C sihPurge()r tCurrent loadRoundCommon rail0()C su u前饋：解決電流擾動和排氫擾動堆壓力波動的抑制問題整形：解決跟隨控制的超調問題整形前饋前饋反

7、饋反饋：解決系統不確定性問題同濟大學 燃料電池系統集成與控制研究所壓力控制效果020040060080010001200020406080100Time(Sec.)Pressure(kPa)Cathode PressureAnode Pressure5205305405505604550556065Time(Sec.)Pressure(kPa)Cathode PressureAnode Pressure某系統（60KW）實測氫氣壓力跟隨控制效果同濟大學 燃料電池系統集成與控制研究所陽極循環關鍵問題 2：陽極流道內氣體（水氣、氫氣、雜質）分布盡量均勻對策：加大陽極氫氣循環（引入氫氣循環泵或引射器

8、或二者結合）循環裝置的引入同濟大學 燃料電池系統集成與控制研究所引射器基本原理引射器原理結構圖引射器仿真與試驗引射比利用氫氣的壓力能有效轉化成循環氣體的動能，最終在全工況范圍內實現氫氣無源循環，額定點達到100%的循環比；利用計算機尋優技術，給定系統電堆邊界條件，實現引射器自動優化；同濟大學 燃料電池系統集成與控制研究所4.水熱管理系統控制同濟大學 燃料電池系統集成與控制研究所水熱管理系統的目標1.電堆冷卻液進出口溫度不超過102.電堆冷卻液出口溫度不超過設定范圍3.冷卻回路的電導率不超過5us/cm同濟大學 燃料電池系統集成與控制研究所溫度控制的常用方法冷卻液出口溫度：設定751.低于60冷

9、卻液走內循環2.高于60冷卻液走外循環 通過控制風扇轉速來達到設定溫度的控制 冷卻液流量控制條件：1）匹配系統壓力；2）電堆冷卻液出入口溫度梯度電堆T入口溫度T出口溫度T電堆散熱器水泵T環境溫度同濟大學 燃料電池系統集成與控制研究所豐田公司濕度控制的基本原理1.氫氣和空氣注入的逆流配置2.質子交換膜變薄，氣體擴散層改性3.減少空氣入口的膜中水的蒸發量4.加大陽極氫氣循環5.改變空氣供應的壓力和流量同濟大學 燃料電池系統集成與控制研究所豐田在2014年上市的Mirai燃料電池汽車上取消了加濕器,這也是目前全球燃料電池汽車唯一一款取消加濕器的FCV。體積下降：15L；重量降低：13kg同濟大學 燃

10、料電池系統集成與控制研究所內阻的控制（膜中含水量調節）吹干正常加濕空氣壓力低調整高空氣流量大調整小冷卻液溫度 偏高恒定偏低正常模式吹干模式加濕模式200mR180mR200mR220mR通過狀態轉移的方式控制：空氣壓力，空氣流量，冷卻液的溫度，來實現對內阻（膜中水含量的實時控制）同濟大學 燃料電池系統集成與控制研究所5.電堆內部狀態診斷技術同濟大學 燃料電池系統集成與控制研究所狀態軟估計一般框架實際系統觀測器uy yex x+-利用輸出偏差信息進行不可測量的狀態重構00yyxx1.燃料電池膜中濕度估計2.膜的氫氣滲透率估計3.陽極氫氣濃度估計同濟大學 燃料電池系統集成與控制研究所Kalman濾波XXUABZXH,-1-1,-1kk kkk kkkkkkkXAXBUWZH XV模型測量信息融合同濟大學 燃料電池系統集成與控制研究所常規濾波方法卡爾曼濾波（KALMAN FILTER)擴展卡爾曼濾波(EKF）無跡卡爾曼濾波(UKF）基于非線性控制理論設計的狀態觀測器線性系統非線性系統Kalman filter 的推廣同濟大學 燃料電池系統集成與控制研究所內阻與水含量的關系1.膜中水含量和電堆內阻存在特定的函數關系2.通過膜中水含量的多寡可以判定系統是膜干還是膜濕，這為后續的水含量的控制提供了基準。水含量電導率不同溫度下，膜的電導率和水含量關系同濟大學 燃料電池系統集成與控制研究所謝謝