燃料電池系統(tǒng)在線自適應(yīng)快速喘振檢測及保護控制策略

燃料電池系統(tǒng)在線自適應(yīng)快速喘振檢測及保護控制策略

燃料電池需通入大量空氣進入陰極側(cè)參與氫氧還原反應(yīng)，為了提升效率，會對空氣進行加壓處理。得益于其緊湊的結(jié)構(gòu)、以及高轉(zhuǎn)速優(yōu)勢，離心式壓縮機是目前燃料電池系統(tǒng)主流配置。不幸的是，目前燃料電池高效工作點往往與空壓機的喘振臨界線接近，導致工作中常常出現(xiàn)喘振現(xiàn)象，嚴重降低了發(fā)動機運行穩(wěn)定性、效率和壽命。

車載工況下，喘振發(fā)生的誘因眾多且不確定因素大，工況的快速變化，閉環(huán)控制的缺陷，零部件的故障等因素都可能觸發(fā)喘振。雖然可以從操作條件設(shè)計出發(fā)，設(shè)計工作區(qū)間避開喘振區(qū)，然而在多外部因素誘導下，上述方法無法保證喘振不被觸發(fā)，且在喘振發(fā)生后上述方法無法及時識別喘振并采取有效措施恢復故障運行狀態(tài)。因此，急需設(shè)計快速喘振監(jiān)測和故障恢復手段，對燃料電池發(fā)動機進行兜底保護，提升車載燃料電池系統(tǒng)全生命周期穩(wěn)定性和壽命。

本文首先基于第一性原理建立燃料電池空氣路供給集總參數(shù)模型，用于動態(tài)模擬燃料電池空氣路供給特性和喘振現(xiàn)象?；诳刂颇Ｐ头治龃裉匦裕⒃O(shè)計涵蓋喘振監(jiān)測與快速保護的流量壓力自適應(yīng)控制器，最后從控制仿真和60kW系統(tǒng)實驗測試驗證了控制策略的有效性。

為實現(xiàn)控制策略的設(shè)計，這里我們首先進行了燃料電池空氣供應(yīng)系統(tǒng)的動態(tài)建模和系統(tǒng)參數(shù)識別，其中包括喘振的模擬。圖.1顯示了60kW燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，它包含了燃料電池堆、輔助空氣管理系統(tǒng)（AMS）、氫氣管理系統(tǒng)（HMS）和熱量管理系統(tǒng)（TMS）。典型的燃料電池空氣管理系統(tǒng)（如圖.1所示）包括一個空氣壓縮機、供應(yīng)歧管、加濕器、排氣歧管和背壓閥。特別地，本研究模擬了喘振現(xiàn)象，并基于喘振仿真模型設(shè)計了防喘振策略，基于仿真模型的方法進行策略開發(fā)既能節(jié)省了實驗成本，又保護了燃料電池系統(tǒng)免受早期開發(fā)中可能的損害。

圖1 60kW燃料電池系統(tǒng)的拓撲圖

本研究采用機理結(jié)合經(jīng)驗的方式建模，基于優(yōu)化算法對模型進行參數(shù)辨識，準確地抓住了流量、壓力動態(tài)特性以及喘振特征，為控制策略設(shè)計提供了模型基礎(chǔ)，模型與實驗結(jié)果對比如圖2所示。

圖2 模型驗證結(jié)果：(a)系統(tǒng)輸入(b) 系統(tǒng)輸出(c)流量-壓力對比

本研究提出了一種在線自適應(yīng)防涌流控制方法（OAASC），以改進燃料電池的空氣供給控制。OAASC控制架構(gòu)如圖3所示，主要分為兩部分，第一部分基于雙模糊自適應(yīng)PI控制器來控制燃料電池的計量比和壓力，第二部分是基于如圖4所示的多時間域滑動窗口方法的在線喘振檢測器，然后結(jié)合喘振時流量特征，設(shè)計了特征能量反饋，以實現(xiàn)喘振發(fā)生時快速閉環(huán)自適應(yīng)校正。

圖3 在線自適應(yīng)防涌流控制策略架構(gòu)

圖4 喘振監(jiān)測和快速自適應(yīng)校正機制

本研究從仿真和實驗兩個層面驗證了提出空策略的有效性。

仿真結(jié)果顯示，通過比較圖5中顯示的三種策略（PID，以及前饋PID）的map圖，可以看出OAASC策略的控制工況點與設(shè)計的工作目標點高度重合，精確性較高，如圖5（d）所示。同時，點的軌跡上有毛刺特征，這表明對條件變化的響應(yīng)較快。此外，當工作點靠近喘振線時，OAASC控制策略能夠及時檢測到初期的小波動并將工作軌跡拉回到安全區(qū)域，實現(xiàn)了快速有效的喘振保護。

圖5 流量-壓力map圖控制結(jié)果

采用快速原型控制對提出的OAASC策略在60kW燃料電池系統(tǒng)進行了實機測試，如圖6所示。具體地，算法基于MATLAB/SIMULINK搭建，然后編碼和燒錄到燃料電池控制單元(FCU)中實現(xiàn)系統(tǒng)閉環(huán)控制。上位機采用LabVIEW平臺進行系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集。FCU與計算機之間以及FCU與燃料電池系統(tǒng)之間的通信分別通過控制器局域網(wǎng)(CAN)、硬連線通信(HWC)建立。

圖6 燃料電池系統(tǒng)快速原型控制過程

最后，我們基于背壓閥工作點特性設(shè)計了喘振觸發(fā)故障工況，設(shè)計工況下主動且可重復地觸發(fā)了喘振，并進行了有喘振保護和無喘振保護策略對比，以測試OAASC策略的有效性。圖7顯示了流量和壓力防喘振動態(tài)控制實驗結(jié)果，當電流負載下降到60A時，發(fā)生了典型的喘振，而提出的策略O(shè)AASC可以顯著縮短喘振時間；具體地，該策略可以在0.2s內(nèi)檢測到喘振發(fā)生，并在0.5s內(nèi)抑制喘振。同時，使得燃料電池電壓能夠快速恢復，說明缺氣現(xiàn)象也得到了快速改善，如圖8所示。

圖7 防喘振實驗結(jié)果

圖8 壓縮機、背壓閥控制及功率恢復結(jié)果

審核編輯：湯梓紅