应用模糊规则的燃料电池水管理容错控制

张 宁,霍为炜,孙 超,任 强

(1.北京信息科技大学 机电工程学院，北京 100192；2.北京电动车辆协同创新中心， 北京 100192； 3.北京理工大学 电动车辆国家工程研究中心， 北京 100081； 4.广州汽车集团股份有限公司， 广州 510623)

0 引言

水管理故障是燃料电池最常发生的故障，包含水淹故障和膜干故障。水淹故障会使流道和气体扩散层表面的液态水不能气化或及时排出而积聚，阻碍气体进入催化剂层，电化学反应不能顺利进行，导致电堆输出电压降低[1]。发生膜干故障时电堆缺水导致膜电导率下降，欧姆阻抗增加，使正在运行的燃料电池产热增加，导致更严重的膜干，甚至膜撕裂[2]。因此，膜干和水淹故障对燃料电池内部结构以及输出性能有不可逆的损害，极大程度地影响了燃料电池寿命。

容错控制通过考虑故障诊断来定义控制动作，系统发生故障时仍能在控制下保持稳定运行，并满足一定的性能指标[3]，包括主动型容错控制和被动型容错控制[4]。被动型容错控制仅考虑一种预定义的故障，控制参数或者控制律不会随着故障的发生而调整，其计算速度快，没有故障诊断模块和决策模块[5-6]。主动容错控制包含故障诊断模块、决策模块和控制重构模块，根据故障来改变控制律或控制参数，比被动型容错控制具有更好的可靠性和鲁棒性[7]。

目前，已经有大量关于燃料电池故障诊断和燃料电池控制的研究[8]。Pei等[9]详细地阐述了压力降对水淹故障的影响机理，从6个方面对基于压降的水淹故障诊断进行了综述。Barbir等[10]提出阴极压力降是燃料电池水淹故障的可靠指标，膜阻抗是燃料电池膜干的可靠指标。Pukrushpan等[11]通过控制空压机的电压来实现燃料电池堆阴极中过氧比的稳定，在电流需求阶跃变化时仍能提供充足的氧气保证燃料电池正常运行。Matraji等[12]用级联结构的鲁棒非线性二阶滑模控制器来控制进入燃料电池的空气流量，以保证燃料电池最佳功率输出，最后通过硬件在环仿真验证了控制器的性能。Meidanshahi等[13]为了获得电池的最佳性能和最高功率密度，使用差分进化算法在稳态条件下优化了操作参数，并基于所提出的模型和优化的参数，提出了一种合适的模糊控制器。

针对燃料电池的水淹和膜干故障搭建了容错控制策略，在故障开始发生时采取有效措施，使系统快速恢复到健康状态。

1 燃料电池模型

在硬件在环测试系统(hardware-in-the-loop，HIL)平台上对所提出算法进行验证，采用燃料电池物理模型模拟真实燃料电池，如图1所示。燃料电池包括空气供给系统、氢气供给系统、冷却系统和电堆。

图1 HIL中燃料电池模型框图

在空气供给系统中，空气经空压机、中冷器和加湿器达到合适压力、流量、温度和湿度进入电堆发生反应。氢气供给系统负责向电堆提供合适的压力、流量和湿度的氢气。在电堆模块中，阳极氢气在催化剂的作用下转换成氢离子穿过质子交换膜与阴极氧气发生电化学反应，为负载提供电能。冷却系统负责整个燃料电池发动机的温度保持恒定状态。

电堆的输出电压由开路电压减去活化损失和欧姆损失得到[14]，按下式计算：

(1)

式中：Eoc为开路电压，N为电堆单体数量，A为塔菲尔斜率，i0为交换电流，Td为电压终值是95%时的响应时间，Rohm为电堆内阻，ifc为电堆电流。

电堆的开路电压按下式计算：

Eoc=Kc·En

(2)

式中：Kc为额定工况下的电压常数，En为能斯特电压。

能斯特电压按下式计算：

(3)

式中：T为电堆温度，z为移动电子数，F为法拉第常数，R为气体常数，PH2为氢气分压，PO2为氧气分压。

电堆出口气体流量是影响电堆阴极水量的重要因素，也是本文的主要控制对象，电堆阴极入口和出口流量按下式计算：

W=k(Pup-Pdown)

(4)

式中：k为孔口系数，Pup为上游压力，Pdown为下游压力。

阴极的氧气和阳极的氢气进入电堆后会发生电化学反应产生水，由法拉第定律可知，阴极产水量为：

(5)

式中：MH2O为水的摩尔质量。

2 容错控制策略

Lebreton等[15]提到，一般燃料电池水淹时用氢气吹扫会对膜造成压力冲击，不应频繁进行，且电化学反应产生的水最先出现在阴极。所以，本文通过改变阴极出口气体流量，在燃料电池发生故障时及时控制，避免造成不可逆的损失。

模糊控制是一种基于规则的控制，能对时变的非线性复杂系统和无法有效获得精确描述的系统给出有效的控制。相较于传统PID控制，模糊控制调节时间更短，超调量更小，具有更高的鲁棒性。

故障诊断模块通过判断燃料电池的输出电压和阴极压力降诊断燃料电池当前的故障状态[16]。决策模块由当前的故障状态得到背压阀开度的修正系数，控制模块将燃料电池阴极压力和背压阀开度的修正值作为输入，利用模糊控制的方法计算出合适的背压阀开度，控制阴极出口气体流量，从而缓解膜干或水淹故障，使燃料电池运行至健康状态。另外，为避免阴阳极压差过大导致膜变形或穿孔，阳极理想压力由传感器检测到的阴极实际压力增加10 kPa得到，由喷氢阀根据理想阳极压力和实际阳极压力进行控制。图2为燃料电池容错控制结构。

图2 燃料电池容错控制结构框图

2.1 故障诊断模块

发生水淹故障时，燃料电池输出电压会下降，阴极压力降会增大；而发生膜干时，输出电压降低，阴极压力降无明显变化[1]。

本文首先将燃料电池的输出电压与当前功率燃料电池的理想输出电压作比较，如果超出正常范围，说明此时燃料电池有故障。接着将阴极的进出口压力降与此时功率需求下正常压力降对比，若是超出正常范围，则为水淹故障，若是在正常范围内，则为膜干故障。图3为燃料电池故障诊断示意图。表1为燃料电池在健康状态下不同功率所对应的单电池电压和阴极进出口压力降的值。

图3 燃料电池故障诊断示意图

表1 燃料电池在健康状态下不同功率所对应的最佳单电池电压和阴极进出口压力降

用stateflow对上述诊断进行实现，在由正常状态判断为故障状态以及由故障状态判断为水淹状态时，都需延时0.5 s防止发生误判。诊断为膜干或水淹故障后延时50 s，此时控制模块改变背压阀开度，为阴极水量达到正常范围留出充足的时间，50 s后重新对电压以及阴极压力降是否正常进行判断诊断出当前的状态。

2.2 决策模块

决策模块通过诊断模块判断得到的燃料电池当前状态来决策背压阀的开度修正值。燃料电池水淹时将背压阀开度的修正系数置为1，加大背压阀开度，从而用更快流速的空气带走多余的水使燃料电池恢复健康状态。健康时背压阀修正系数为0，背压阀开度保持不变。膜干时将背压阀开度的修正值系数为-1，减小背压阀开度来减小阴极出口气体流量，带走较少的水以保证膜的湿度促进电化学反应。

2.3 控制重构模块

采用模糊控制的方法，控制背压阀开度，通过车辆控制器(VCU)和燃料电池控制器(FCU)的请求功率查表得出阴极气体压力，得到模糊控制的一个输入，另一个输入为决策模块得到的修正值。通过模糊逻辑得到合适的背压阀开度对燃料电池进行控制。

燃料电池功率越大，阴极气体压力越大，所对应的背压阀开度越大。在发生水淹故障时，根据背压阀开度修正系数来适当增大背压阀开度，加大阴极出口气体流量，带走更多的水来消除水淹故障。膜干时，适当减小背压阀开度，减小阴极出口流量。

阴极气体压力范围为170～220 kPa，将其分为3个模糊子集，分别对应S、M和L；修正系数-1、0和1分别对应N、Z和P。将背压阀开度范围定为20%～63%，将其开度分为6个模糊子集，分别为SS、S、M、L、B和LB。功率越高，负载电流越大，产水量就越多，故需要背压阀开度也越大。经过反复测试制定出模糊规则如表2所示，输入输出隶属度函数如图4所示。

表2 模糊控制规则

图4 模糊控制隶属度函数曲线

3 硬件在环仿真结果

通过HIL对所搭建的容错控制进行测试。图5为HIL机柜(SimCar-VCU&FCU)、上位机、控制器(MPC5743)和USBCAN的实物图。USBCAN用来通讯，将其连接到电脑上可以用MeCa软件实时观测控制器中的数据变化， HIL机柜和上位机提供车辆模型实时运行的仿真环境，模拟车辆各系统的物理行为，并对测试过程进行实时监控和在线调参。在上位机上对阴极水量进行标定模拟膜干和水淹故障，观察背压阀开度的反应来判断容错控制效果。

图5 硬件在环测试设备实物图

3.1 膜干状态

图6为20、40和60 kW时燃料电池发生膜干时的阴极水量、背压阀开度、阴极出口流量以及电堆电压的变化情况。如图6所示，使阴极水量突然降低至正常范围外，经过1.1 s判断，背压阀迅速减小开度，阴极出口流量降低，减少阴极气体带走的水量，阴极水量开始增加，电堆电压也随之增加，直到变至正常范围内，50 s后背压阀开度恢复正常。

图6 膜干状态20、40和60 kW时各物理量变化曲线

在20 kW时，电堆电压并没有恢复到膜干之前的电压。因为，在判断故障时电压不低于最优电压的95%就认为是正常的，电压的输出本身也是一个变化的值，随着阴极水量的缓慢增加，电压也会逐渐变大。

在60 kW时，电堆电压提前达到正常状态，但阴极水量还在继续增加。由图3可知，判断为水淹或膜干故障50 s后再重新判断，所以背压阀改变的时间是一定的，阴极水量达到正常的范围即可。

在背压阀开度发生变化时，电堆电压有一个微小的跳动。因为电堆电压与阴极压力和氧气流量有关，而背压阀开度会对这2个因素产生影响。

3.2 水淹状态

图7为在20、40 和60 kW时模拟水淹故障时阴极水量、背压阀开度、阴极出口流量和电堆电压的变化情况。

图7 水淹状态20、40和60 kW时各物理量变化曲线

由图7可知，当燃料电池功率为20 kW，在14.8 s时突然将阴极水量由250.5 g增多到 310.5 g，电堆电压迅速从301.8 V下降到277.7 V，背压阀在15.9 s时开始反应，经过4.3 s背压阀开度由25.8%开大到31.7%，阴极出口流量随背压阀开度由21.2 g/s增至32.6 g/s，带走更多的水，阴极水量开始下降，电堆电压开始上升，在43 s时，电压升至303 V，此时背压阀开度依旧为31.7%。50 s后背压阀开度回到25.7%，阴极水量为259.8 g，在正常范围内，燃料电池正常运行。

功率较大时，由于阴极压力增大，背压阀开度也增大。电流随功率的增大而增大，会加快阴极水量的增加，在60 kW时发生水淹背压阀的开度变化值比低功率时更大。此外，电堆输出电压随功率增大而减小。

4 结论

针对燃料电池最常出现的膜干和水淹故障提出了一种容错控制策略，通过控制背压阀的开度来缓解膜干和水淹故障。提出了一种由阴极压力降和输出电压诊断燃料电池膜干水淹故障的方法，设计了模糊控制器，有效计算出不同功率下3种燃料电池状态的背压阀开度。在HIL平台上验证了所搭建容错控制策略的有效性，并绘制了阴极水量、背压阀开度、阴极流量和电堆电压随时间变化曲线。结果表明，当燃料电池发生膜干现象时，背压阀开度快速减小，阴极出口气体流量变小，减少带走的水量，随后阴极水量开始增加，电堆电压也随阴极水量回升到正常范围。当燃料电池水淹时，故障诊断模块能够检测到单电池电压和阴极压力降是否超出了正常范围，诊断为水淹故障，控制重构模块适当增大背压阀开度，随后阴极出口流量增大，减少阴极水量，电堆电压逐渐恢复正常，经过50 s背压阀开度恢复到无故障时，燃料电池正常运行。