基于混合控制框架的氢燃料电池汽车燃气供应与热管理子系统的协调控制方法

《Renewable Energy》：Coordinated Control Approach for Hydrogen Vehicle Gas Supply and Thermal Management Subsystems Based on Hybrid Control Framework

　　

方世一|朱媛|钟晓龙|马文达|陈大芬

同济大学汽车与能源工程学院，上海201800，中国

摘要

车辆质子交换膜燃料电池（PEMFC）堆栈中电化学反应的高效率和稳定性得益于供应系统和热管理系统子系统的协同工作。前者精确调节氢气和空气的压力和流量，而后者将堆栈温度维持在最佳范围（通常为338.15–358.15 K）。这些子系统之间的固有非线性和强耦合性带来了重大的控制挑战，需要一个高度稳健的控制器来满足汽车应用的严格性能要求。本研究提出了一种新的策略，采用混合控制架构来应对供应系统和热管理系统子系统的耦合动态。供应系统由一个稳健的控制器控制，以确保快速有限时间收敛；而热调节则采用线性最优控制器。结果证明，这种方法显著提高了系统的效率和稳定性，从而保证了在复杂负载情况下堆栈的可靠运行。

引言

氢能和燃料电池技术在实现国家“双碳”目标中发挥着重要作用[1]、[2]。作为高效的能量载体，氢气对于整合和调节可再生能源至关重要[3]、[4]。质子交换膜燃料电池（PEMFC）具有快速冷启动、高功率密度和零排放的特点，是交通运输领域的首选清洁能源[5]。这些特性使其特别适合用于车辆，尤其是中型和重型商用车辆[5]。

先进的控制技术对于车辆PEMFC堆栈的商业可行性至关重要，它能够通过平衡变化负载下的热量和反应物来实现高效、可靠和安全的运行。堆栈的性能和寿命取决于反应物供应（控制压力、流量和化学计量比以促进高效反应并防止损坏[6]）以及热管理（保持338.15–358.15 K的温度，保护膜并防止其退化）。

在最近的PEMFC阳极供应控制研究中，何某等人开发了PEMFC阳极的动态模型，并设计了一种结合PI控制器的状态观测器来调节氢气供应[7]；张某等人提出了一种用于PEMFC氢气供应系统的二阶非线性主动干扰抑制控制（NLADRC）方法[8]；叶某等人提出了一种简单而有效的模糊控制算法来解决PEMFC氢气压力调节的关键问题[9]。同时，还开发了基于模型的控制器（MBC）[10]、优化PID控制器[11]和非线性模型预测控制器（NMPC）[12]来调节氢气供应。在最近的PEMFC阴极供应控制研究中，方某等人采用了一种具有容错机制的混合算法来调节空气供应[13]；魏某等人基于迁移学习模型，提出了一种结合模糊逻辑和PID神经网络的创新控制策略[14]；Derakhshannia等人提出了一种优化滑动模式控制器（SMC），结合径向基函数神经网络（RBFNN）进行干扰估计，实现了固定时间的空气供应轨迹跟踪[15]；Panjwani等人提出了一种以新型RFNN-PID架构为中心的智能级联控制框架用于PEMFC空气供应[16]；朱某等人提出了一种基于自适应观测器的近最优控制方法，旨在实现精确的氧气跟踪[17]；王某等人提出了一种结合跟踪误差观测器和干扰观测器的神经网络控制方案用于空气供应[18]。此外，还应用了传统的SMC[19]、终端SMC[20]、最优控制[21]、直接神经控制（DNC）[22]、Type2-模糊控制[23]和带PID的MPC[24]来调节空气供应。

在最近的PEMFC热管理研究中，Bégot等人实验研究了一种新的液体冷却回路及其在启动过程中的控制策略[25]；Yu某的综述聚焦于液冷PEMFC堆栈的热管理系统[26]，从系统配置和控制策略的角度分析了高效热平衡的实现。刘某开发了一种用于汽车PEMFC热管理的先进MPC策略[27]。协调控制是一个备受关注的热门研究课题。Pei某基于PEMFC测试平台，提出了一种基于PI的集成控制策略，用于精确调节进气流量、压力和温度[28]。此外，还应用了深度确定性策略梯度（DDPG）和近端策略优化（PPO）组合控制算法进行热管理和空气供应[29]、MPC进行热管理和氢气供应[30]、合成变增益稳健预测控制器（SVGRPC）进行空气供应和阴极压力控制[31]、主动干扰抑制控制（ADRC）进行空气供应和热管理[32]，以实现PEMFC堆栈的协调控制。

总之，当前的PEMFC控制策略提高了效率和稳定性，但面临三个关键挑战：（1）缺乏空气、氢气和热管理系统子系统的完全集成框架；（2）对干扰的鲁棒性不足，影响跟踪性能；（3）强化学习虽然效果有限，但计算成本较高。为了解决这些问题，我们提出了一种用于气体供应和热管理的集成控制框架。基于非奇异终端快速滑动模式（NTFSM）的稳健控制器负责处理反应物供应子系统，而线性最优控制器则负责热调节。

章节摘录

系统建模过程

如图1所示，PEMFC单元的核心是膜电极组件（MEA）：质子交换膜（PEM）夹在催化剂和气体扩散层之间。

在阳极，氢气分解成质子和电子；质子穿过膜到达阴极，而电子通过外部电路流动产生电流。在阴极，氧气与质子和电子结合形成水和热量。由多个单元组成的PEMFC堆栈需要协调工作的子系统：

控制系统设计

PEMFC反应物供应系统是一个非线性多物理系统，依赖于协调工作的执行器（压缩机和阀门）来实现精确的气体控制。阳极和阴极压力之间的不平衡会损害MEA结构、传输动态和电化学界面。热管理同样重要，需要将堆栈温度保持在338.15–358.15 K，避免热点或冷点，这些情况会导致膜损坏、催化剂失效和热应力。因此，需要一种结合压力的协调策略

结果与讨论

我们在两种条件下评估了供应系统和热管理系统子系统的控制器性能：阶跃电流变化和带有噪声的阶跃变化。图7显示了控制输入和系统响应，电流负载信号见图7a–7d。此外，还进行了极端循环条件下的耐久性测试。

结论

本文提出了一种用于车辆PEMFC堆栈气体供应和热管理的协调控制方法，将两个高性能子控制器统一起来。对于气体供应，基于NTFSM的控制器确保了有限时间收敛、更快的响应、更好的噪声抑制能力和更强的鲁棒性，特别是将阴极-阳极压力差保持在接近零的水平，以保护膜。热管理控制器实现了精确的温度调节

CRediT作者贡献声明

钟晓龙：软件开发、形式分析。方世一：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、软件开发、方法论研究、数据整理、概念化。朱媛：撰写——审稿与编辑、验证、方法论研究、资金获取、数据整理。马文达：验证。陈大芬：方法论研究、概念化

利益冲突声明

?作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

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