车用燃料电池系统与车辆动力学系统一体化建模与控制方法

Under the background of the environmental crisis and the energy crisis, fuel cell vehicles are considered to be an ideal solution for future zero emission and high efficiency transportation. However, fuel cell vehicles currently have poor durability and a high failure rate due to the strong coupling between its subsystems (gas, water and electrical subsystems) and the impact of the dynamic load. This project is proposed to (i) study the decay mechanism of the fuel cell stack under the dynamic load, (ii) propose a control strategy for the fuel cell systems considering the durability constraint of the fuel cell stacks, (iii) unify the modeling and control of the vehicular fuel cell systems and the vehicle dynamic systems, (v) propose an algorithm for online fault diagnosis, health monitoring, and (vi) develop a hardware-in-loop simulation platform to test and verify the performance of the unified modeling and control. A dynamically optimally coordinating control with multiple objectives (durability, dynamics, and economy) will be achieved in this project to lay the theoretical and technological foundation for the nation’s ultimate improvement of the reliability and economy of fuel cell vehicles.

面对环境危机和能源危机，燃料电池车以无污染、能量转化率高等特性成为未来道路交通的理想解决方案。然而由于受到气、水、电多子系统间强耦合关系以及频繁突变的动态工况的影响，燃料电池车辆动力系统耐久性差、故障率高。为此，本项目拟从研究动态工况下燃料电池电堆性能衰减规律入手，提出考虑电堆耐久性约束的燃料电池发电系统控制策略，对车用燃料电池系统与车辆动力系统进行一体化建模与控制。据此，提出燃料电池车辆动力系统在线故障诊断与健康状态监控的方法，开发燃料电池车辆动力系统半物理仿真平台并对一体化建模与控制方法进行验证，实现燃料电池车辆动力系统耐久性、动力性、经济性多目标一体化动态协调优化控制，为提升我国燃料电池车辆可靠性和经济性奠定理论与技术基础。

本项目针对燃料电池车辆效率低、耐久性差、故障率高、衰减机理不明确等问题，系统地研究了动态工况下燃料电池的衰减机理和敏感参数的在线测量方法，并提出了面向耐久性的燃料电池堆关键部件的制备与集成技术。基于电堆的衰减机理与系统的效率模型，提出面向耐久性、经济性、动力性的燃料电池车辆动力系统一体化建模、控制与健康管理的关键理论与方法，并进行了系统的实验验证。在衰减机理方面，团队首次发现气体扩散层结构的破坏、碳载体的流失以及表面亲水性含氧官能团的生成是导致气体扩散层憎水性下降的内在原因。基于耐久性设计的Pt/rGO1-FCB2催化剂在3000个加速循环测试下电化学活性面积（ECSA）仅下降了15%，而传统的Pt/C催化剂下降了58%。建立了一个非线性衰减模型，通过粒子滤波实时评估燃料电池的衰减状态、衰减速度和衰减加速度，再结合额定电压，实现了电堆的衰减趋势和剩余使用寿命的在线预测。在燃料电池建模方面，提出了多域物理系统级联建模方法，解决了建模精度与控制难度之间的相互制约的难题，并实现了基于内部状态观测的氢电混合动力系统实时控制。在多子系统协调优化控制方面，设计的空气系统优化控制方法，能有效的避免氧气饥饿并使得系统净输出功率最高提升了3%；所设计的阳极氢气净化管理方法，在动态工况下将系统的氢气利用率提升至99%；所设计的温度解耦控制算法，在动态工况下实现了燃料电池进出口温度±0.5℃的精确调节，实现了多子系统协调控制。设计了在线故障诊断与健康管理系统，所开发的快速电化学阻抗谱测量系统可将阻抗谱测量和计算时间可缩短至30s左右，能实时地对电堆水淹、膜干、空气饥饿等故障进行检测。基于浸入与不变方法，在燃料电池动力系统内部参数未知的情况下，提出了一种计算复杂度低，鲁棒性好的自适应实时功率分配策略，在满足燃料电池耐久性约束的同时，实现了燃料电池对动力系统功率需求的实时跟踪。该项目取得的一系列成果，兼备理论深度与应用价值，具有一定的推广意义。