張 寧,霍為煒,孫 超,任 強

(1.北京信息科技大學(xué) 機電工程學(xué)院，北京 100192；2.北京電動車輛協(xié)同創(chuàng)新中心， 北京 100192； 3.北京理工大學(xué) 電動車輛國家工程研究中心， 北京 100081； 4.廣州汽車集團股份有限公司， 廣州 510623)

0 引言

水管理故障是燃料電池最常發(fā)生的故障，包含水淹故障和膜干故障。水淹故障會使流道和氣體擴散層表面的液態(tài)水不能氣化或及時排出而積聚，阻礙氣體進入催化劑層，電化學(xué)反應(yīng)不能順利進行，導(dǎo)致電堆輸出電壓降低[1]。發(fā)生膜干故障時電堆缺水導(dǎo)致膜電導(dǎo)率下降，歐姆阻抗增加，使正在運行的燃料電池產(chǎn)熱增加，導(dǎo)致更嚴重的膜干，甚至膜撕裂[2]。因此，膜干和水淹故障對燃料電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及輸出性能有不可逆的損害，極大程度地影響了燃料電池壽命。

容錯控制通過考慮故障診斷來定義控制動作，系統(tǒng)發(fā)生故障時仍能在控制下保持穩(wěn)定運行，并滿足一定的性能指標[3]，包括主動型容錯控制和被動型容錯控制[4]。被動型容錯控制僅考慮一種預(yù)定義的故障，控制參數(shù)或者控制律不會隨著故障的發(fā)生而調(diào)整，其計算速度快，沒有故障診斷模塊和決策模塊[5-6]。主動容錯控制包含故障診斷模塊、決策模塊和控制重構(gòu)模塊，根據(jù)故障來改變控制律或控制參數(shù)，比被動型容錯控制具有更好的可靠性和魯棒性[7]。

目前，已經(jīng)有大量關(guān)于燃料電池故障診斷和燃料電池控制的研究[8]。Pei等[9]詳細地闡述了壓力降對水淹故障的影響機理，從6個方面對基于壓降的水淹故障診斷進行了綜述。Barbir等[10]提出陰極壓力降是燃料電池水淹故障的可靠指標，膜阻抗是燃料電池膜干的可靠指標。Pukrushpan等[11]通過控制空壓機的電壓來實現(xiàn)燃料電池堆陰極中過氧比的穩(wěn)定，在電流需求階躍變化時仍能提供充足的氧氣保證燃料電池正常運行。Matraji等[12]用級聯(lián)結(jié)構(gòu)的魯棒非線性二階滑?？刂破鱽砜刂七M入燃料電池的空氣流量，以保證燃料電池最佳功率輸出，最后通過硬件在環(huán)仿真驗證了控制器的性能。Meidanshahi等[13]為了獲得電池的最佳性能和最高功率密度，使用差分進化算法在穩(wěn)態(tài)條件下優(yōu)化了操作參數(shù)，并基于所提出的模型和優(yōu)化的參數(shù)，提出了一種合適的模糊控制器。

針對燃料電池的水淹和膜干故障搭建了容錯控制策略，在故障開始發(fā)生時采取有效措施，使系統(tǒng)快速恢復(fù)到健康狀態(tài)。

1 燃料電池模型

在硬件在環(huán)測試系統(tǒng)(hardware-in-the-loop，HIL)平臺上對所提出算法進行驗證，采用燃料電池物理模型模擬真實燃料電池，如圖1所示。燃料電池包括空氣供給系統(tǒng)、氫氣供給系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和電堆。

圖1 HIL中燃料電池模型框圖

在空氣供給系統(tǒng)中，空氣經(jīng)空壓機、中冷器和加濕器達到合適壓力、流量、溫度和濕度進入電堆發(fā)生反應(yīng)。氫氣供給系統(tǒng)負責(zé)向電堆提供合適的壓力、流量和濕度的氫氣。在電堆模塊中，陽極氫氣在催化劑的作用下轉(zhuǎn)換成氫離子穿過質(zhì)子交換膜與陰極氧氣發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，為負載提供電能。冷卻系統(tǒng)負責(zé)整個燃料電池發(fā)動機的溫度保持恒定狀態(tài)。

電堆的輸出電壓由開路電壓減去活化損失和歐姆損失得到[14]，按下式計算：

(1)

式中：Eoc為開路電壓，N為電堆單體數(shù)量，A為塔菲爾斜率，i0為交換電流，Td為電壓終值是95%時的響應(yīng)時間，Rohm為電堆內(nèi)阻，ifc為電堆電流。

電堆的開路電壓按下式計算：

Eoc=Kc·En

(2)

式中：Kc為額定工況下的電壓常數(shù)，En為能斯特電壓。

能斯特電壓按下式計算：

(3)

式中：T為電堆溫度，z為移動電子數(shù)，F(xiàn)為法拉第常數(shù)，R為氣體常數(shù)，PH2為氫氣分壓，PO2為氧氣分壓。

電堆出口氣體流量是影響電堆陰極水量的重要因素，也是本文的主要控制對象，電堆陰極入口和出口流量按下式計算：

W=k(Pup-Pdown)

(4)

式中：k為孔口系數(shù)，Pup為上游壓力，Pdown為下游壓力。

陰極的氧氣和陽極的氫氣進入電堆后會發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生水，由法拉第定律可知，陰極產(chǎn)水量為：

(5)

式中：MH2O為水的摩爾質(zhì)量。

2 容錯控制策略

Lebreton等[15]提到，一般燃料電池水淹時用氫氣吹掃會對膜造成壓力沖擊，不應(yīng)頻繁進行，且電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的水最先出現(xiàn)在陰極。所以，本文通過改變陰極出口氣體流量，在燃料電池發(fā)生故障時及時控制，避免造成不可逆的損失。

模糊控制是一種基于規(guī)則的控制，能對時變的非線性復(fù)雜系統(tǒng)和無法有效獲得精確描述的系統(tǒng)給出有效的控制。相較于傳統(tǒng)PID控制，模糊控制調(diào)節(jié)時間更短，超調(diào)量更小，具有更高的魯棒性。

故障診斷模塊通過判斷燃料電池的輸出電壓和陰極壓力降診斷燃料電池當(dāng)前的故障狀態(tài)[16]。決策模塊由當(dāng)前的故障狀態(tài)得到背壓閥開度的修正系數(shù)，控制模塊將燃料電池陰極壓力和背壓閥開度的修正值作為輸入，利用模糊控制的方法計算出合適的背壓閥開度，控制陰極出口氣體流量，從而緩解膜干或水淹故障，使燃料電池運行至健康狀態(tài)。另外，為避免陰陽極壓差過大導(dǎo)致膜變形或穿孔，陽極理想壓力由傳感器檢測到的陰極實際壓力增加10 kPa得到，由噴氫閥根據(jù)理想陽極壓力和實際陽極壓力進行控制。圖2為燃料電池容錯控制結(jié)構(gòu)。

圖2 燃料電池容錯控制結(jié)構(gòu)框圖

2.1 故障診斷模塊

發(fā)生水淹故障時，燃料電池輸出電壓會下降，陰極壓力降會增大；而發(fā)生膜干時，輸出電壓降低，陰極壓力降無明顯變化[1]。

本文首先將燃料電池的輸出電壓與當(dāng)前功率燃料電池的理想輸出電壓作比較，如果超出正常范圍，說明此時燃料電池有故障。接著將陰極的進出口壓力降與此時功率需求下正常壓力降對比，若是超出正常范圍，則為水淹故障，若是在正常范圍內(nèi)，則為膜干故障。圖3為燃料電池故障診斷示意圖。表1為燃料電池在健康狀態(tài)下不同功率所對應(yīng)的單電池電壓和陰極進出口壓力降的值。

圖3 燃料電池故障診斷示意圖

表1 燃料電池在健康狀態(tài)下不同功率所對應(yīng)的最佳單電池電壓和陰極進出口壓力降

用stateflow對上述診斷進行實現(xiàn)，在由正常狀態(tài)判斷為故障狀態(tài)以及由故障狀態(tài)判斷為水淹狀態(tài)時，都需延時0.5 s防止發(fā)生誤判。診斷為膜干或水淹故障后延時50 s，此時控制模塊改變背壓閥開度，為陰極水量達到正常范圍留出充足的時間，50 s后重新對電壓以及陰極壓力降是否正常進行判斷診斷出當(dāng)前的狀態(tài)。

2.2 決策模塊

決策模塊通過診斷模塊判斷得到的燃料電池當(dāng)前狀態(tài)來決策背壓閥的開度修正值。燃料電池水淹時將背壓閥開度的修正系數(shù)置為1，加大背壓閥開度，從而用更快流速的空氣帶走多余的水使燃料電池恢復(fù)健康狀態(tài)。健康時背壓閥修正系數(shù)為0，背壓閥開度保持不變。膜干時將背壓閥開度的修正值系數(shù)為-1，減小背壓閥開度來減小陰極出口氣體流量，帶走較少的水以保證膜的濕度促進電化學(xué)反應(yīng)。

2.3 控制重構(gòu)模塊

采用模糊控制的方法，控制背壓閥開度，通過車輛控制器(VCU)和燃料電池控制器(FCU)的請求功率查表得出陰極氣體壓力，得到模糊控制的一個輸入，另一個輸入為決策模塊得到的修正值。通過模糊邏輯得到合適的背壓閥開度對燃料電池進行控制。

燃料電池功率越大，陰極氣體壓力越大，所對應(yīng)的背壓閥開度越大。在發(fā)生水淹故障時，根據(jù)背壓閥開度修正系數(shù)來適當(dāng)增大背壓閥開度，加大陰極出口氣體流量，帶走更多的水來消除水淹故障。膜干時，適當(dāng)減小背壓閥開度，減小陰極出口流量。

陰極氣體壓力范圍為170～220 kPa，將其分為3個模糊子集，分別對應(yīng)S、M和L；修正系數(shù)-1、0和1分別對應(yīng)N、Z和P。將背壓閥開度范圍定為20%～63%，將其開度分為6個模糊子集，分別為SS、S、M、L、B和LB。功率越高，負載電流越大，產(chǎn)水量就越多，故需要背壓閥開度也越大。經(jīng)過反復(fù)測試制定出模糊規(guī)則如表2所示，輸入輸出隸屬度函數(shù)如圖4所示。

表2 模糊控制規(guī)則

圖4 模糊控制隸屬度函數(shù)曲線

3 硬件在環(huán)仿真結(jié)果

通過HIL對所搭建的容錯控制進行測試。圖5為HIL機柜(SimCar-VCU&FCU)、上位機、控制器(MPC5743)和USBCAN的實物圖。USBCAN用來通訊，將其連接到電腦上可以用MeCa軟件實時觀測控制器中的數(shù)據(jù)變化， HIL機柜和上位機提供車輛模型實時運行的仿真環(huán)境，模擬車輛各系統(tǒng)的物理行為，并對測試過程進行實時監(jiān)控和在線調(diào)參。在上位機上對陰極水量進行標定模擬膜干和水淹故障，觀察背壓閥開度的反應(yīng)來判斷容錯控制效果。

圖5 硬件在環(huán)測試設(shè)備實物圖

3.1 膜干狀態(tài)

圖6為20、40和60 kW時燃料電池發(fā)生膜干時的陰極水量、背壓閥開度、陰極出口流量以及電堆電壓的變化情況。如圖6所示，使陰極水量突然降低至正常范圍外，經(jīng)過1.1 s判斷，背壓閥迅速減小開度，陰極出口流量降低，減少陰極氣體帶走的水量，陰極水量開始增加，電堆電壓也隨之增加，直到變至正常范圍內(nèi)，50 s后背壓閥開度恢復(fù)正常。

圖6 膜干狀態(tài)20、40和60 kW時各物理量變化曲線

在20 kW時，電堆電壓并沒有恢復(fù)到膜干之前的電壓。因為，在判斷故障時電壓不低于最優(yōu)電壓的95%就認為是正常的，電壓的輸出本身也是一個變化的值，隨著陰極水量的緩慢增加，電壓也會逐漸變大。

在60 kW時，電堆電壓提前達到正常狀態(tài)，但陰極水量還在繼續(xù)增加。由圖3可知，判斷為水淹或膜干故障50 s后再重新判斷，所以背壓閥改變的時間是一定的，陰極水量達到正常的范圍即可。

在背壓閥開度發(fā)生變化時，電堆電壓有一個微小的跳動。因為電堆電壓與陰極壓力和氧氣流量有關(guān)，而背壓閥開度會對這2個因素產(chǎn)生影響。

3.2 水淹狀態(tài)

圖7為在20、40 和60 kW時模擬水淹故障時陰極水量、背壓閥開度、陰極出口流量和電堆電壓的變化情況。

圖7 水淹狀態(tài)20、40和60 kW時各物理量變化曲線

由圖7可知，當(dāng)燃料電池功率為20 kW，在14.8 s時突然將陰極水量由250.5 g增多到 310.5 g，電堆電壓迅速從301.8 V下降到277.7 V，背壓閥在15.9 s時開始反應(yīng)，經(jīng)過4.3 s背壓閥開度由25.8%開大到31.7%，陰極出口流量隨背壓閥開度由21.2 g/s增至32.6 g/s，帶走更多的水，陰極水量開始下降，電堆電壓開始上升，在43 s時，電壓升至303 V，此時背壓閥開度依舊為31.7%。50 s后背壓閥開度回到25.7%，陰極水量為259.8 g，在正常范圍內(nèi)，燃料電池正常運行。

功率較大時，由于陰極壓力增大，背壓閥開度也增大。電流隨功率的增大而增大，會加快陰極水量的增加，在60 kW時發(fā)生水淹背壓閥的開度變化值比低功率時更大。此外，電堆輸出電壓隨功率增大而減小。

4 結(jié)論

針對燃料電池最常出現(xiàn)的膜干和水淹故障提出了一種容錯控制策略，通過控制背壓閥的開度來緩解膜干和水淹故障。提出了一種由陰極壓力降和輸出電壓診斷燃料電池膜干水淹故障的方法，設(shè)計了模糊控制器，有效計算出不同功率下3種燃料電池狀態(tài)的背壓閥開度。在HIL平臺上驗證了所搭建容錯控制策略的有效性，并繪制了陰極水量、背壓閥開度、陰極流量和電堆電壓隨時間變化曲線。結(jié)果表明，當(dāng)燃料電池發(fā)生膜干現(xiàn)象時，背壓閥開度快速減小，陰極出口氣體流量變小，減少帶走的水量，隨后陰極水量開始增加，電堆電壓也隨陰極水量回升到正常范圍。當(dāng)燃料電池水淹時，故障診斷模塊能夠檢測到單電池電壓和陰極壓力降是否超出了正常范圍，診斷為水淹故障，控制重構(gòu)模塊適當(dāng)增大背壓閥開度，隨后陰極出口流量增大，減少陰極水量，電堆電壓逐漸恢復(fù)正常，經(jīng)過50 s背壓閥開度恢復(fù)到無故障時，燃料電池正常運行。