[发明专利]一种燃料电池发动机空气供应系统的控制方法及系统

说明书

本发明涉及一种燃料电池发动机空气供应系统的控制方法及系统，方法为：S1：获得当前燃料电池运行电流下的空气进气质量流量请求值和压力请求值p_req，并经过处理得到空压机转速前馈参考值n_ref和节气门开度前馈参考值θ_ref；S2：获取质量流量控制误差以及压力控制误差e_p；S3：将以及e_p分别输入质量流量PID控制器和压力PID控制器；S4：获得空压机转速补偿值n_c和节气门角度补偿值θ_c；S5：获得将空压机转速请求值n_req以及节气门开度请求值θ_req，并将n_req和θ_req分别输入到空压机转速控制回路和节气门开度控制回路中。本发明减小空气进气质量流量和压力的耦合程度，提高控制精度和稳定性。

技术领域

本发明涉及新能源汽车技术领域，具体涉及车用燃料电池发动机控制领域。

背景技术

燃料电池汽车因其零排放、高效率和加氢补给速度快而受到广泛关注，其配备的车用燃料电池发动机通常由空气供应系统、氢气供应系统、水热管理系统和功率控制系统等子系统组成。在实际运行过程中，车用燃料电池发动机对于电堆温度、空气进气流量和压力等系统操作条件具有很高的实时控制精度和控制稳定性要求，这是因为这些操作条件必须快速且准确地跟随燃料电池发动机动态功率变化以保障燃料电池发动机性能，同时避免不可逆转的电堆寿命衰减。因此，高精度的子系统控制对于车用燃料电池发动机而言至关重要，尤其是空气供应系统的控制，这是考虑到膜电极的不可逆衰减与空气供应不足造成的气体饥饿现象密切相关。

如图1所示，空气供应系统硬件主要由空气滤清器、质量流量传感器、空压机、中冷器、增湿器、空气压力传感器和节气门组成。空气供应系统的主要功能是通过空压机转速和节气门开度协同调节从而实现精准的空气进气质量流量和压力控制效果，使空气连续且稳定地供给至燃料电池阴极入口，保证燃料电池连续反应发电。对于燃料电池而言，空气进气质量流量和压力对其性能和耐久性具有很大影响，其影响机理如下：

空气进气质量流量决定了燃料电池阴极空气计量比，缓慢且不精确的空气进气质量流量控制效果一方面会影响燃料电池功率动态响应性能，另一方面在燃料电池功率变载期间还容易造成全局气体饥饿，使燃料电池催化剂的碳基支撑结构参与化学反应，造成不可逆的碳基支撑结构溶解，进一步导致催化剂铂微粒脱落、流失或团聚，减小催化层的电化学活性表面积，甚至电极结构崩塌。此外，因全局气体饥饿造成的碳成分减少还会使电极变薄，增加气体和生成水的质量传输阻力，导致很高的浓差损耗和欧姆损耗。

空气进气压力的控制效果则影响空气在气体扩散层内的传质与扩散过程，空气进气压力若出现不足或者突降会减慢气体经过气体扩散层从流道扩散进入到催化层的某些反应区域的速率，导致局部区域的气体分布不均，在燃料电池动态加载过程中，这些区域往往容易发生局部气体饥饿，影响燃料电池耐久性。此外，稳健的空气进气压力也是保障燃料电池催化层反应界面具有更高氧气浓度的关键因素，高氧气浓度能加速电化学反应，减少活化损耗和浓差损耗，从而获得更好的功率输出性能。

因此，空气供应质量流量和压力的高精度控制对于燃料电池性能和耐久性至关重要。然而，燃料电池发动机的空气供应系统是一个典型的两输入两输出耦合控制对象，空气进气质量流量和压力均会受到空压机转速和节气门开度二者之一的影响，这意味通过控制改变空气进气质量流量和压力二者之一的时候，均会对另外一个变量造成影响。要实现高性能空气供应系统控制，需要减小空气进气质量流量和压力的相互耦合作用，避免控制质量流量时导致压力出现突降，或者控制压力时导致质量流量出现突降，进而造成的短暂且急促的反应物质供给不足，引发物质饥饿现象，影响燃料电池寿命耐久。