基于MotoTron 平台的燃料电池共轨喷射系统的研发

何 雍，李亚超，吴 兵，王丙龙，王鸿鹄

(上海汽车集团股份有限公司新能源和技术管理部，上海 201804)

前言

燃料电池作为新一代汽车动力源，已被世界各大工业国视为战略产品，世界各大汽车公司都在致力于燃料电池的研究与应用［1］。在燃料电池中，氢气作为能量的载体，其稳定有效的供给与电堆的输出功率密切相关。在常规的燃料电池中，电堆阳极多采用二级减压阀减压后稳压定量多供应的方式为电堆提供足够的燃料。这种方法虽然能使燃料电池满足工作要求，但在电堆低负荷区时，由于氢气供应过量，导致氢气浪费，有效利用率低;而在高负荷区时，由于氢气需求量较大，将会出现氢气供应不足，并最终导致燃料饥饿，功率输出不足，严重影响整个系统的工作性能［2］。

文献［3］中提出在燃料电池阳极采用共轨喷射器的方案，以满足电堆的动态需求。然而由于燃料电池本身的特殊性，对氢气的供给也提出了许多要求，如压力、温度和稳定性等。因此在电堆的阳极不仅需要期望的氢气量，同时还需要稳定的氢气压力，即对电堆阳极氢气的压力波动也提出了严格要求。但在实际应用中，尤其燃料电池车在低负荷区氢气需求量较少时，喷射器出口的压力将会出现较大的波动，从而严重影响燃料电池的工作性能。

为此，本文中提出以期望和实际的氢气压力值为参考采用闭环控制，利用改进型PID控制，根据入口压力偏差和频率以及喷嘴开启时间的关系来控制信号的优化输出，进而驱动喷射器喷嘴以获得期望的氢气量和稳定的氢气压力，最终达到输出氢气流量和压力均可控的目的。

1 燃料电池氢喷射系统的组成

在燃料电池中，氢共轨喷射系统主要由高压氢瓶、减压阀、稳压阀、共轨喷射器、压力传感器和控制单元组成，系统示意图如图1所示。

高压氢瓶内氢气压力可达35MPa;开关阀用来控制输送到电堆的氢气量，当系统收到供氢命令后，开关阀打开，储氢系统开始向电堆供氢，否则，开关阀关闭，停止向电堆供氢;减压阀和稳压阀则用于将高压氢瓶中输送的氢气压力降至电堆可以承受，并保持基本稳定;传感器主要用以测量入口与出口的氢气压力，并将信号值传至控制系统;电堆的作用是使阳极的氢气与阴极的空气发生化学反应，生成水并释放能量，提供动力;喷射器作为供氢系统的被控对象是本文的研究重点，它由4个并行喷嘴组成，喷嘴采用Peak-Hold的电流驱动，系统通过调节4个喷嘴的开启时间与开启频次来调节供氢量，同时在喷嘴下端采用共轨式汇流装置，从而保证出口氢气在较小的压力波动下动态可调;电控单元作为整个系统的控制器，通过采集各传感器信号，判断当前系统的工况并通过控制喷射器4个喷嘴的开启时间与频次决定氢气供应量，同时，喷射器入口与出口压力传感器判断控制效果，对控制进行修正，形成闭环控制，最终达到氢气供应动态可调且压力稳定的目的。

2 氢喷射系统的控制策略

2.1 喷射器的控制模式

由伯努利方程可知，当系统管径一定时，气体的流量取决于管道两端气体的压差，为此在本文中将系统喷射器入口与出口气体的压力作为系统的输入量与输出量。共轨喷射器的4个喷嘴上均有控制信号的输入端口，通过控制单元输出的脉冲信号决定4个喷嘴的开启时刻、开启持续时间和关闭时刻。喷嘴在脉冲信号的上升沿开启，在脉冲信号下降沿关闭，脉冲的宽度代表喷嘴开启持续时间，信号脉冲的频次代表喷嘴的开启次数。在设计前期，采用MotoTron程序对喷射器的工作参数进行标定调试，研究发现，喷射器最终出气流量与开启持续时间和开启频次均呈正比关系。为此，本文中提出3种控制模式，并做相应分析。

2.1.1 固定信号脉冲宽度，改变喷嘴开启频次

固定喷嘴的开启持续时间，根据喷嘴入口压力偏差值和转速的关系，进而通过虚拟转速改变喷嘴开启频次，控制出口氢气压力。在喷嘴开启持续时间内，氢气在供给入口处压力最大;在喷嘴关闭和下一个喷嘴开启的时间段内，无氢气补充从而出口压力降到最低。在该控制模式下，当氢气需求量较少时喷嘴开关频次较低，导致严重压力波动，超出燃料电池要求的压力波动＜15kPa的要求。

2.1.2 固定喷嘴开启频次，改变喷嘴开启持续时间

固定喷嘴开启频次，根据喷嘴入口压力偏差值和转速的关系，通过虚拟转速改变喷嘴开启持续时间，控制出口氢气压力。在该控制模式下，当氢气需求量较少时从一个喷嘴关闭到另一个喷嘴开启的时间间隔t1缩短，减少了无氢气补充的时间，同时同一喷嘴开启持续时间t2减小，喷嘴输出端的压力波动将得到改善。同时，可预见如果把虚拟转速再提高，将再次缩短t1和t2，喷嘴输出端的压力波动也将再次得到改善。该模式避免了低流量时因喷嘴开启频次较低导致的压力波动问题，在实际操作中可行性好。

2.1.3 喷嘴开启频次与开启持续时间分时改变

喷嘴开启频次与开启持续时间分时改变的控制策略，即当低流量时固定喷嘴开启频次，控制喷嘴开启时间;当高流量时固定喷嘴开启持续时间，改变喷嘴开启频次。可以预见，该策略同样可避免低流量时因喷嘴开启频次较低导致的压力波动问题。但由于两种不同的控制目标，需要两套不同的PID算法和PID参数，其开发和试验周期将会延长。

根据以上分析，本文中提出采用固定喷嘴开启频次，改变喷嘴开启持续时间的控制策略，通过PID由实际压差决定开启持续时间，进而控制出气压力与流量。

2.2 氢喷射系统PID控制研究

在燃料电池氢喷射系统中，由于喷嘴后端氢气压力受喷嘴开启频次、喷气时间、氢气温度、混合室形状和燃料电池消耗率等因素影响，被控对象具有非线性和时滞性的特点。PID控制具有无须建立精确的数学模型、实现简单、参数整定方便和结构更改灵活等特点，从而被广泛应用。为实现出口氢气流量实时快速地跟踪响应且压力波动较小的目的，本文中选用增量式数字PID控制算法，根据出口处氢气压力实际值与期望值之差，对喷嘴后端的氢气压力进行控制，如图2所示。图中，pr为出口氢气期望压力，p为实际压力，而pe=pr-p即压力偏差。

式中:kP为比例系数;ti为积分时间;td为微分时间。假定控制系统采样时间为ts，则式(1)可以离散化为

理想的连续PID调节器有如下表达式［4］:式中:k为采样序号;p0为开始进行PID控制时压力初始值;pe(k)为当前压力偏差;pe(k-1)为上一时刻压力偏差;pe(j)为历次压力偏差。由式(2)可见，p(k)控制输出不仅取决于pe(k)和pe(k-1)，还与pe(j)有关。这种算法不仅计算繁琐，且易造成误差的叠加，严重影响最终喷射器的控制性能与效果。为此应采用由式(2)整理推出的增量式数字PID控制:

式中:c0、c1、c2均为控制系统常数。只须知道最近3个时刻的压力偏差值，便可通过式(4)算出喷射器为调节氢气流量所需要的调节增量，可方便地嵌入到控制系统中。由于调节量仅与最近3次误差采样值有关，控制器计算误差对控制量影响较小，误动作影响也较小［5］。

3 氢喷射系统平台的建立与算法移植

3.1 氢喷射系统开发平台的建立

为实现氢喷射系统控制算法的验证与参数优化，系统采用MotoTron 128pinECU-565-128控制单元，它采用32位MPC565微处理器，支持复杂的控制策略。

喷射系统采用两路传感器，即喷射器入口和出口各一个压力传感器，针对喷射系统要求将控制策略运行在MotoTron硬件平台上，将产生的Peak-Hold电流信号外加于喷射器4个喷嘴从而驱动系统喷射。其开发平台组成与功能描述如图3所示［6］。

考虑到系统测量精度和气密性，系统中两个压力传感器均采用精度高且密封性优良的AST4700系列压力传感器。在前期实验中，测试出其氢泄漏极限小于整车要求，符合设计需要。同时，作为系统中最重要的执行器——共轨喷射器，采用防爆电磁式结构，不仅满足泄漏极限小于50×10-6要求，而且反应快速灵敏，具有较高的安全性和可操作性。

3.2 控制器软件设计与算法移植

为简化系统并控制系统复杂度，将喷嘴开启频次视为常数，而将喷嘴开启持续时间作为系统控制量，从而氢气喷射系统可简化为以喷射器入口压力为输入、喷射器出口压力为输出的单输入单输出系统。在系统运行时，根据系统实际氢气需求量应用增量式数字PID控制策略对喷射器喷嘴开启持续时间进行闭环控制，维持出口氢气压力在目标压力附近，如图4所示。

实际目标压力由系统实际需求给定，将目标压力pr(k)与当前出口压力p(k)进行比较，系统记录最近3个时刻的压力偏差值pe(k)、pe(k-1)和pe(k-2)，通过增量式数字PID计算喷嘴须调节的时间增量，以达到出口压力实时跟踪目标压力的目的。

首先根据确定的系统功能建立系统框架的底层操作系统(operating system)，主要包含:ECU类型、存储器资源分配、触发器资源分配、CAN通信和CCP模块等的定义，如图5所示。

根据已确定的控制算法，将MotoHawk开发环境中的驱动和标定模块进行匹配，并将系统中传感器和执行器的标定参数带入算法中与ECU硬件进行匹配，主要由图6中6个模块组成。其中，模块INP主要进行压力等传感器的信号采集和滤波;模块APP根据传感器信号和氢气压力目标值计算喷嘴开启的时间;OUT模块的功能则是对喷嘴进行驱动;VARDEF模块主要定义了程序中用到的变量、表变量和标定表格等;模块DIAG主要对各传感器、执行器和功能系统故障进行诊断;而PCM模块则是对目标板、编译器、CAN、CCP和实时任务基准时间进行定义。最后在各模块集成完成后MotoHawk集成的编译器将其生成C代码并自动生成可刷写的SRZ代码。

3.3 标定实验

为实现系统的优化，须对各参数进行调试优化，即建立标定系统。在标定实验中，优化并确定喷油时间和PID控制参数，须监测信号输入的压力信号和喷射时间等变量，并用ATI Vision软件对输出的压力值进行实时监测。由于无法获取精确的喷射器数学模型，选用工程整定法［5］整定数字PID控制参数，根据各PID控制参数对系统的影响规律，对其反复调整，直至得到令人满意的结果。在通过标定并确定相应PID控制参数后，通过ATI Vision软件可得到喷射器出口的实际压力曲线图。

3.4 结果分析

为保证喷射器在不同氢需求量下的出口压力波动均符合系统要求，设定目标压力分别为50、60、80和90kPa，用ATI Vision软件在对PID控制参数进行微调后实时采集实际压力值，实际压力和目标压力曲线如图7所示。

相对于图7实验结果，在常规燃料电池供氢系统中由于采用的是二级减压阀减压后稳压定量供给方式，因而氢气供给相对恒定，与实际氢需求也并无联系，其测试数据如图8所示。

由图可见:在常规燃料电池供氢系统中，入口压力变化时，出口氢气压力即供应至电堆的氢气压力几乎不变，均未达到80kPa;而采用氢共轨喷射技术后，系统能够根据实际氢需求，实时动态调整目标输出氢气，保证了氢气合理有效的供给，避免了采用常规供氢方式氢气需求量低时氢气供应相对过量，而氢气需求高时氢气供应不足所造成的燃料饥饿现象。而在燃料饥饿过程中，由于供应和倒吸入电池的氢气均含有杂质无法排除，必然在电堆阳极内积累，使氢气浓度不断降低，电池电流的分布愈加不均，甚至引发电池反极，加速电池性能的衰减，严重影响到电池的寿命［7-8］。

在燃料电池中，作为重要组件的质子交换膜其厚度仅为0.05～0.18mm，因此维持阳极和阴极之间合适的压差，最大程度地降低对质子交换膜的机械损伤，对延长燃料电池的寿命至关重要。由图7可知，采用PID控制算法的共轨喷射器出口压力波动远小于电池电堆要求的阳极端压力波动＜15kPa的技术要求，稳态误差小，符合设计要求。

4 结论

在深入研究PID控制技术基础上，从整个开发流程着手基于MotoTron快速原型开发平台，较好且快速地完成了氢共轨喷射控制算法的设计。实验表明，采用闭环增量式数字PID的控制策略，将喷射器入口压力作为输入量而将喷射器开启持续时间作为控制量的氢喷射系统表现出良好的控制效果，保证了燃料电池的效率与系统性能，满足了燃料电池电堆技术要求，解决了常规供氢系统采用稳压定量供给方式的低需求供应过量、高需求供给不足的问题;由于出口氢气流量动态可调且压力波动较小，因而大大提高了氢气利用率，延长了质子交换膜燃料电池的使用寿命;喷射系统的开发具有良好的工程可移植性，为后续整车开发奠定了基础。

［1］许思传，程钦，马天才.燃料电池汽车用加湿器研究现状与发展展望［J］.科技论坛，2006(2):60-63.

［2］梁栋，侯明，窦美玲，等.质子交换膜燃料电池燃料饥饿现象［J］.电源技术，2010，134(8):767-770.

［3］吴兵，王丙龙，马丽.燃料电池汽车阳极喷射系统控制策略开发［J］.上海汽车，2011(3):4-7.

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［6］Belle E.Simulink-based Cordesign and Cosimulation of a OmmonrailTMInjector Test Bench［J］.Journal of Circuits，Systems，and Computers，2003(2):100-102.

［7］陆文昌，高海宇，孟鑫，等.基于MotoTron平台的ETC控制系统设计与试验研究［J］.内燃机工程，2010，31(6):59-64.

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