面向耐久性提升的车用燃料电池系统电控技术研究进展*

王亚雄，王轲轲，钟顺彬，何洪文，王薛超

（1.福州大学机械工程及自动化学院，福州 350108；2.北京理工大学机械与车辆学院，北京 100081）

前言

质子交换膜燃料电池（下文简称燃料电池）具有能量转化效率高、结构紧凑、启动迅速、工作温度低、无电解液的腐蚀与流失和对负载变化响应迅速等特性，适用于交通运输领域。将燃料电池应用到车用动力系统是解决汽车工业可持续发展问题、助力交通运输领域实现“双碳”目标的重要途径之一。燃料电池汽车的研发在国内外汽车工业界已获得了广泛关注与重点布局。然而，车用燃料电池系统仍然存在耐久性差、寿命短的短板，一定程度上阻碍了燃料电池汽车大范围推广与大规模商业化。

燃料电池系统是一个涉及气、热、水、电、力的复杂的强耦合、非线性系统，且面临着启停、变载、怠速和高负荷等频繁变化的工况，极端天气条件下还会存在低温启动困难的问题。燃料电池汽车的运行工况和使用环境的变化，致使车用燃料电池系统无法始终处于高效稳定的工作区间内运行，须快速而准确地控制其工作参数。此外，作为车用动力源，燃料电池除满足输出功率的快速响应性外，还须具备一定的耐久性。现阶段提高燃料电池耐久性的研究主要聚焦在新型材料开发及关键部件优化设计上。从燃料电池系统控制角度出发，对湿度变化、负载循环、启/停循环等加速燃料电池衰退的主要因素进行研究，而对运行工作参数进行准确控制，也可改善燃料电池的耐久性。

本文结构如图1所示，首先从燃料电池特性、影响耐久性参数及工作条件3方面对车用燃料电池进行概述，然后介绍燃料电池系统的组成并综述了燃料电池供气系统结构、水/热管理系统结构、功率调节系统及控制器硬件等，并讨论燃料电池系统控制策略对耐久性的影响，重点分析对比各辅助子系统控制策略，介绍现阶段常用的低温启动方法，总结解决燃料电池汽车低温启动问题的研究成果及方向，最后展望车用燃料电池系统电控技术的发展方向。

图1 本文结构图

1 车用燃料电池概述

1.1 燃料电池特性分析

燃料电池的能量转换原理是：阳极催化氢气发生氧化反应，阴极催化空气发生还原反应，产生氢离子和电子；质子交换膜实际上是一种聚合物电解质，氢离子在电解质内迁移，电子通过外电路做功并构成电的回路，如图2所示。

图2 燃料电池发电原理图

燃料电池与原电池和二次电池不同，当向燃料电池内不断送入燃料及氧化剂时，可不断地工作并提供电能，仅排出水和热量，对环境不造成任何污染。两个电极发生的化学反应方程式及总的化学反应方程式如下。

阳极反应：

阴极反应：

总的化学反应：

图3中极化曲线直观地展现了燃料电池的电气特性，即燃料电池的电压随电流密度的变化趋势。电压随着电流密度的增加经历了活化极化、欧姆极化和浓差极化3个区域。为提升燃料电池耐久性、保证车用燃料电池系统高效稳定运行，应尽量使其工作在欧姆极化区域。

图3 燃料电池电气特性图

燃料电池单体的输出电压等于开路电压减去极化损失，极化损失包括活化极化、欧姆极化和浓差极化等损耗，因此实际工作过程中燃料电池无法达到热力学理论预计的电压输出。而燃料电池的开路电压和极化损失又受到反应气体供给、工作温度和电流密度等参数的影响，为维持电池稳定的电压输出应合理调节上述参数。

1.2 影响燃料电池耐久性的参数分析

汽车运行工况复杂多变，车载条件下燃料电池负载不断变化、催化剂活性降低、质子交换膜性能衰减等原因均对电堆使用寿命产生影响，导致车用燃料电池系统服役时间短。在现有材料技术的基础上，改进阴/阳极构型，制定并优化氢气管理系统、空气供给系统、水/热管理系统控制策略，减少在不利条件下工作的时间，避免“氧饥饿”、“膜干”、“水淹”等现象的发生，实现在实际运行环境中的全工况优化管控，以达到提升车用燃料电池系统耐久性的目的。

在燃料电池启动和停机的过程中在阳极出现的混合气体是导致燃料电池性能衰退的最主要的因素。Reiser等提出了反向电流机理：当燃料供应不足或处于怠速工况运行时，阳极室会发生氢气和氧气共存现象，出现混合气体从而形成局部氢/空界面，导致阴极局部区域出现高电位，加速催化剂碳载体的氧化腐蚀，从而影响燃料电池耐久性。同时怠速工况下低温循环使质子交换膜反复膨胀和收缩，产生机械应力，造成膜电极的机械损伤，低负荷运行会加速质子交换膜的分解。变载工况下电位循环使催化剂Pt颗粒团聚，有效催化面积减小，降低燃料电池的使用寿命。高负荷工况运行时，燃料电池效率降低，电堆的发热量甚至大于输出功率，此时大功率放电导致质子交换膜及催化剂层快速衰减。

当燃料电池处于上述工况或在几种工况之间频繁切换时，不仅会直接损坏燃料电池内部结构，而且还会造成燃料电池工作温度、湿度、压力的波动等不稳定现象的发生，对燃料电池造成进一步的损害，影响燃料电池输出功率和耐久性等。从燃料电池内部来看，工作温度、流量、湿度和压力等运行参数是影响燃料电池耐久性的系统因素，而质子交换膜的厚度、结构材料和催化剂等属于本征因素，在燃料电池被制造时就已确定，无法通过电控技术改变。因此需要合适的电控技术控制系统因素，来提升燃料电池的耐久性。

控制脉冲压力可以增强传质过程，缓解质子交换膜性能的衰减，提升燃料电池性能与耐久性。高背压和压力波动会影响燃料电池耐久性。燃料电池系统的电功率随背压的增加而增加，而相应的空压机的功耗也随之增加。若电堆在高背压下运行时，液态水不能被废气及时带走，会导致“水淹”现象的发生。

通过控制反应气体湿度可调节质子交换膜的含水量。而湿度对燃料电池电堆性能的长期影响表现在湿度对催化剂层结构的破坏。水管理不当会发生膜干或水淹现象。膜的脱水会增强欧姆极化，加剧碳载体腐蚀，降低催化剂活性，使燃料电池性能衰减；“水淹”则会导致燃料电池输出电压明显下降。

合理调节燃料电池工作温度可以改善燃料电池的耐久性，工作温度过高不仅会导致质子交换膜脱水、收缩甚至破裂，还会加速催化剂降解。此外，燃料电池电堆内部的温度分布不均匀、温差过高会使流道内出现局部冷凝现象，导致燃料电池性能恶化。Lim等研究不同运行条件对碳载体腐蚀的影响。结果显示，反应气体的湿度和温度是加剧碳载体腐蚀的主要因素。

燃料电池的性能与其气、水、热的控制密切相关，当催化剂层中水含量过多时，过量的水会冲淡反应气体的浓度，同时阻塞反应区的气体通道，造成水淹电极从而影响电池性能；而当质子交换膜中水含量过少时会引起质子交换膜的质子传导能力下降，导致电池性能变差，因此需要合适的控制器及策略来提高燃料电池的性能。

1.3 燃料电池工作条件分析

燃料电池氢气管理系统须控制阳极压力去跟踪阴极压力，使电堆阴阳极之间的压差维持在较小范围内，以保证组分的传递和质子交换膜的结构稳定。氢过量系数须维持在1~2之间。氢过量系数过高，阴阳极之间压力差增大，质子交换膜上产生应力，进而导致膜的寿命降低；氢过量系数过低导致氢饥饿，造成电流密度分布不平衡，电池性能衰退，严重时甚至会导致反极现象的发生，直接影响电池的耐久性。

对于空气供给系统，氧过量系数也须维持在1~2之间，氧过量系数过低会出现“氧饥饿”现象，导致质子交换膜表面产生热点，对膜造成不可逆的损伤；氧过量系数过高会出现“氧饱和”现象，导致空气压缩机功耗升高，降低燃料电池系统的效率。

燃料电池的工作温度在一般在60~80℃附近，温度过低催化剂活性降低，活化极化损失增大，甚至出现液态水，发生“水淹”现象；若散热不及时，过高的温度则会导致“膜干”，引起质子交换膜降解，欧姆极化损失增加，极大地降低燃料电池发电效率。此外，冷却水进出口温差须控制合理，将其维持在5~7 ℃之内。

燃料电池工作过程中还要保证水电渗作用和扩散作用速率的相等，以维持膜内的水平衡，避免堵塞气体通向催化剂层的通道。因此燃料电池应工作在一定的温度与湿度条件下，并维持一定的阴阳极压差及水平衡，以保证燃料电池高效稳定运行。

车用工况下负载不断变化，燃料电池只能被动响应，不可避免地会处于不利的工况下运行，引起工作温度、反应气体流量、湿度和压力等参数的剧烈波动，甚至出现“氧饥饿”、“膜干”和“水淹”等现象，严重影响车用燃料电池系统的稳定性与使用寿命。在燃料电池动力系统中，合理的功率分配，可改善燃料电池系统的动态响应，同时结合DC/DC变换器抑制纹波，防止燃料电池内部水管理失效或发生饥饿现象，改善燃料电池耐久性。

2 车用燃料电池系统分析

2.1 燃料电池系统结构

典型的燃料电池动力系统通常包含多个动力源，主要由燃料电池系统、车载储能装置、DC/DC变换器和驱动电机及其控制系统等构成，其中燃料电池发电系统结构如图4所示，除燃料电池电堆外，还包括氢气管理系统、空气供给系统、水/热管理系统等一系列辅助子系统，以及功率调节系统和硬件部分的控制器等。

图4 典型燃料电池发电系统结构图

燃料电池单体电池主要由膜电极组件和双极板构成。单体电池输出电压低、电流密度小，为获得更高的电压和功率，通常将多个单体电池串联构成燃料电池电堆。双极板可将相邻单体电池隔开，并为单体电池提供气体流路。

氢气管理系统中氢气由压力调节装置降压后进入燃料电池电堆参与反应，并根据流量数据实时调节电磁阀送入电堆的氢气的压力和流量，避免出现氢气供给不足，未反应的氢气经氢气循环装置送回电堆，以提高氢气的利用率。

空气供给系统中的空气则经空气压缩机增压后送入燃料电池电堆，系统的发电量随着空压机工作压力的增大而增大，然而空压机功耗占燃料电池系统输出功率的13%，占系统寄生功耗的90%。

燃料电池电堆工作时伴随着大量的热产生，冷却水在水泵的作用下在燃料电池电堆内部循环流动，经散热器和冷却风扇进行降温，通过热交换将部分热量带出堆外。热管理系统根据温度，实时调节水泵和冷却风扇转速，以控制冷却水流量和温度，从而达到散热的目的。在燃料电池中，水管理与热管理通常耦合在一起，水在气室中的饱和压力受温度影响而呈指数增长，这意味着高温环境下质子交换膜易脱水皱缩，甚至导致质子交换膜破裂；液态水蒸发和水蒸气冷凝分别伴随着热量的吸收和释放。

为给负载提供稳定的工作电压，须对燃料电池电堆输出功率进行控制，根据发电系统内部装置所消耗功率和对外输出功率的要求，通过DC/DC或DC/AC对电流、电压进行调节。

燃料电池系统控制器属于整车智能控制系统中的一部分，须与整车控制器和上位机进行通信。通信监控系统的作用是记录和保存运行期间燃料电池系统的各项数据。通过与整车控制器通信获取当前车辆的运行信息，为各子系统的控制提供依据，利用上位机的组态软件将数据直观地显示出来，方便研究人员进行分析与调试。

2.2 燃料电池供气系统结构

电控技术依赖于实际执行器，随着车用燃料电池系统的不断发展，燃料电池供气系统也逐步发展出新结构。通过控制器、供气系统结构等燃料电池系统硬件方面的改进，适应不断提高的控制要求。传统车用燃料电池系统空气流路结构设计为：在阴极入口处设有空气滤清器、空气压缩机、加湿器等装置，空气经过滤增压和增湿等操作后泵入燃料电池电堆，并通过设置在阴极出口处的节气门调节阴极压力水平。为减小系统体积，提高冷启动性能，Xu等设计了一种具有阴极再循环系统的自增湿型燃料电池，取消外部加湿器，利用再循环阀将阴极侧入口处的干燥空气与湿润的废气混合后送入燃料电池电堆进行反应。结果表明，通过精确控制废气再循环率和运行参数，所设计的阴极再循环式燃料电池系统与传统燃料电池系统效率相当。并在之后的研究中发现阴极再循环式燃料电池系统具有更好的增湿效果。

在车用燃料电池系统中，设计了多种氢气流路结构，如氢气死端模式、氢气循环模式等不同的闭端技术，来回收未完全反应的氢气，以提高氢气的利用率，优化燃料电池阳极水管理，提升燃料电池的性能和寿命。

氢气死端模式是通过对阳极出口进行封堵以增加燃料电池电堆的运行压力，同时提高氢气的利用率。然而，在燃料电池系统正常工作的过程中，由于阳极出口处于关闭状态，极易导致阳极侧发生“水淹”，并且造成杂质在阳极侧聚集，影响使用寿命。因此，该操作模式难以满足车用燃料电池系统耐久性与可靠性的使用要求，难以进行商业化应用。为使燃料电池处于稳定的水、气平衡状态，保证其高效运行，常采用氢气循环方案。不同氢气循环方案技术的对比见表1。

表1 氢气循环方案技术对比

氢气循环方案是未来主流的技术发展方向，通过氢气的循环再利用不仅提高了燃料经济性，而且可使氢气和水分均匀分布在燃料电池电堆内部，优化阳极侧水管理，延长燃料电池的使用寿命。目前商业化装车应用较为广泛的是单氢气循环泵循环方案和单引射器循环方案。为解决氢气循环泵寄生功耗高等问题，开发结构紧凑、性能高、功耗低的氢气循环泵是未来技术发展方向。针对低功率下引射器工作效果不佳、稳定性差等问题，可通过优化结构等方式提高引射性能，扩大工作范围，进而保证氢气循环的效果。在未来高性能车用燃料电池系统中，应采用氢气循环泵或引射器多级循环装置并联的氢气循环方案，同时引入智能控制策略，解决多级循环装置间匹配与协同工作问题，这有望提升车用燃料电池系统的综合性能。

2.3 燃料电池水/热管理系统结构

通过对流场的形状、尺寸、布置等方面的结构设计和参数优化可改进系统水管理性能，但相应地这些改进措施也在一定程度上增加了系统的复杂性与成本。对于水管理系统结构的改进主要可以从增湿与排水两方面入手，同时结合热管理技术促进液态水的蒸发并减小气态水的冷凝。

燃料电池汽车启动时，电堆温度低，冷却液不经散热器进行小循环从而使电堆温度快速上升，当电堆温度上升至合适工作温度后，冷却液经过散热器进行大循环降低电堆温度。通过节温器可以根据冷却液温度调节进入散热器的水量，其布置又分为一进两出和两进一出两种结构形式，二者的不同之处在于节温器布置在散热器的上游或下游。一进两出的布置形式，温度响应迅速，冷却液温度低；两进一出的布置形式，对水温的控制相对延迟，可减小冷热冲击。

2.4 燃料电池功率调节系统结构

受内部材料活性及外部负载变化的影响，燃料电池输出范围较宽。同时燃料电池需要一定的电化学反应时间完成能量的转换，动态响应速度较慢，无法满足复杂多变的汽车运行工况下的功率输出需求。由于燃料电池自身不能作为储能装置，大多数车用燃料电池动力系统均配有蓄电池、超级电容等车载储能装置。为保证燃料电池高效安全稳定地向负载供电，缓解车载状态下燃料电池性能衰减，可采用能量管理和功率调节系统进行功率控制，通过DC/DC变换器对电流电压进行调节，提供符合使用要求的功率输出，实现车用燃料电池动力系统功率分配，提高燃料电池汽车整车效率。

DC/DC变换器可将燃料电池输出的直流电能转化为负载所需的电压或者电流可控的直流电能，通过DC/DC变换器进行功率控制，使燃料电池输出稳定、高质量的电流，从而起到改善燃料电池耐久性的作用。常用分类标准中按是否有变压器将DC/DC变换器拓扑机构分为隔离型和非隔离型两类。其中，非隔离型拓扑结构开关器件少、结构简单、成本低廉。但单极拓扑机构受限于增益比，在车用燃料电池系统等大功率应用场景中，随着增益比增加其转换效率逐渐降低。隔离型拓扑结构中引入高频变压器实现高低压侧的电气隔离，在提高安全性的同时增大了变换范围。但由于体积的增大与损耗增加等原因，降低了系统功率密度，同时高效大功率高频变压器也面临设计难度大、制作工艺复杂等问题。

2.5 燃料电池控制器

车用燃料电池系统的特点就是负载不断变化，频繁经历启停工况、变载工况、怠速工况和高负荷工况，极端运行条件下甚至面临低温启动困难问题。为了使内部的化学反应根据不同工况的输出需求进行，通过燃料电池系统控制器完成各种控制。控制器的优劣决定了燃料电池电堆的使用性能、安全性和寿命。燃料电池系统控制器硬件设计方案一般有集中式控制和分布式控制两种。

集中式控制设计方案，即所有信号都汇聚到一块主板上，控制信号也从主板发出，所有模块之间可以直接进行数据交换。但这种控制方案具有主板运算量大、扩展与升级难度大等缺点。

胡佳丽以STM32芯片为核心进行燃料电池系统控制器的设计，实现多路模拟信号采集、多路控制信号输出、通信和报警等功能，并验证了控制器的有效性。潘瑞则以飞思卡尔汽车级16位微处理器MC9S12XEP100为核心，结合电源、传感器模块和外围电路完成燃料电池系统控制器的硬件设计；软件设计方面，分别基于μC/OS II操作系统和MATLAB/Simulink完成底层软件与应用层软件的开发；设置多个CAN总线接口，实现与上位机及单体电压检测模块通信；此外，基于模块化设计方法采用LabVIEW建立燃料电池通信与监控系统，实时在线监测燃料电池系统工作过程中的各项参数。智能化与网联化技术为新能源汽车发展赋能，电控单元集成化发展的趋势推动域控制的实现，将汽车电子按域划分，利用中央网关及高性能处理器等软硬件设备，在传感器等设备逐渐增多、系统架构逐渐复杂的情况下保证汽车安全、可靠运行。

分布式控制设计方案，则将控制信号和测量信号分开，采用多个独立的控制器分别控制各辅助子系统。但这种控制方案会因为两个或多个板之间进行通信而造成延时，从而导致无法对系统进行实时控制，影响控制效果。

李正辉等以飞思卡尔MPC5634为控制器核心，完成控制器模块各种器件的通信。对燃料电池系统各辅助子系统进行控制。陈尚云等以32位DSP芯片TMS320F2812为控制器核心，根据传感器及控制对象信号进行接口模块和控制器硬件的设计，并利用CAN通信模块实现与上层控制器的通信。宋英睿等以嵌入式芯片PIC16F876A−I/SP为控制系统核心，将控制器分为主控模块、电压检测模块、监控模块和显示模块4部分，并完成硬件设计。董超等以STM32F103单片机作为控制器核心，设计了由单体电压采集模块、混合动力模块、控制器模块3部分组成的控制器硬件系统。配合所设计的控制策略实现对燃料电池系统的启动、运行和关机的控制。

DSP、PIC、MPC等芯片系列运算能力强，能够处理的数据量大，并保证较高的数据处理速度，能够满足燃料电池控制器的工作要求。针对输入输出信号通道多且控制算法复杂的燃料电池系统，集中式控制不同模块间可直接进行数据交互，但不易实现模型解耦，控制器开发难度高；目前控制器硬件多采用分布式设计思想，各子系统能够独立开发调试，但分布式控制对实时性、数据监控、故障诊断和数据传输等要求高，且存在线束冗杂等问题，不利于燃料电池系统集成化。随着汽车智能化任务增多，车辆电子元件数量逐渐增加，域控制器使分布式架构向集成式架构的转变成为可能。

3 车用燃料电池系统控制策略

燃料电池系统是一种典型的强耦合、强滞后的非线性系统，存在建模困难、计算量大等问题。许多学者对这一问题进行了研究，在权衡误差及计算量的基础上对燃料电池系统进行控制以提升燃料电池的耐久性。当燃料供应不足时，控制器通过控制氢气循环泵转速或氢气控制阀的开度增大燃料供给；当氧气供给不足时，可提高循环泵转速，增加进入电堆的空气量；燃料电池温度过高时，通过提高风扇转速增加散热量，温度过低时则可结合燃料电池冷却水的大小循环提高燃料电池温度；当燃料燃料电池内部水分过少，出现“膜干”等现象时，可利用增湿器增加水蒸气；水分过多，甚至发生“水淹”的情况下，则可及时打开排气阀将多余的水分、杂质排出；燃料电池工作在启停、怠速、变载、高负荷等工况时，可通过功率控制、能量管理，利用储能装置补充燃料电池不足的功率，缩短燃料电池处于上述工况的时间。根据燃料电池的运行状态，通过合适的控制策略在上述不利于燃料电池耐久性的情况下能快速、稳定地响应，将状态调节到正常范围内并具有一定的抗干扰能力。

现阶段燃料电池系统控制器采用简单的逻辑控制策略实现燃料电池系统的扫气、启动、运行和关机等流程。根据燃料电池系统在不同工作状态下的功能要求制定对应的控制策略。这种控制策略虽然能保证燃料电池新系统正常工作，但是无法达到延长燃料电池电堆使用寿命的目的。因此，在全面了解不同参数对燃料电池耐久性影响的基础上，以提升燃料电池耐久性为目的，研究各辅助子系统控制策略。

3.1 氢气管理系统控制策略

燃料电池系统性能与氢气管理系统密切相关。利用泵对氢气进行再循环可以提高氢气利用率，改善燃料电池系统性能；但为避免阴极扩散到阳极的杂质稀释氢气，从而对燃料电池功率、内部结构等造成影响。Lee等提出了一种阳极循环结构及其控制策略，在循环回路上安装两个阀门，阳极能够在死端、再循环、压缩、吹扫4种模式下工作，并根据电流密度切换工作模式，可以有效延长燃料电池工作时间。Tong等利用滑模控制实现电池系统的输出跟踪控制，利用积分控制消除稳态误差，通过控制氢气质量流量计或空气质量流量计的电压调节电堆输出电压，避免了传统控制下电流无法及时跟踪负载变化造成的电堆水淹、缺氢、缺氧等现象。Liu等考虑氢气系统中的氮气杂质，提出一种基于氮气浓度观测的阳极吹扫方案，根据阳极氮浓度确定吹扫间隔时间及持续时间，将氢利用率提高到99%，并改善了燃料电池的耐久性。Ye等设计一种模糊控制器应用于氢气管理系统，实现氢气压力调节，并与传统PID控制器进行比较，模糊控制器可解决在负荷变化时氢气压力剧烈波动问题，且性能优于传统PID控制器。He等在分段线性化模型的基础上为氢气循环系统提出了一种切换模型预测控制方案，预测回流歧管压力与泵的角速度，在负载变化的情况下仍具有较快的响应速度和跟踪精度，避免阳极组件的退化，保证燃料电池高效稳定运行。

3.2 空气供给系统控制策略

燃料电池空气供给系统是高度非线性的多输入多输出耦合动态系统，由于空气流量与进气压力耦合性较强，直接控制难度较大，传统控制策略效果不佳。有必要采用合适的控制策略实现空气供应的流量和压力的优化协调控制，从而使燃料电池系统获得良好的动静态特性，提升其使用寿命。为此，Zhao等基于自抗扰控制提出了一种动态扰动解耦控制策略用于控制离心式压缩机，同时调节质量流量和气体压力，比传统的PID控制策略具有更好的输出特性；而Liu等采用复合前馈PID控制策略实现空气压缩机的动态控制，在燃料电池输出电流阶跃变化的过程中，空气压缩机的动态响应时间明显缩短且波动较小，有效避免了负载变化时“氧饥饿”现象的发生，延长燃料电池使用寿命；Ou等则将模糊控制策略与传统PID控制策略相结合，开发了一种前馈模糊PID控制策略，实现氧过量系数的控制，仿真结果表明所设计的控制器可有效调节燃料电池输出电流突变时的氧过量系数并降低了空气压缩机寄生功耗，避免“氧饥饿”与“氧饱和”现象的发生，提升燃料电池系统效率的同时延长其使用寿命。此外，模糊控制不依赖于精确的数学模型，适合于的复杂动态系统。为赋予控制器更强的自适应能力，引入自适应控制算法，有利于改善稳定性与鲁棒性。周苏等针对前馈补偿解耦控制策略的缺点，增加自适应查表算法，提出一种自适应解耦控制策略，改进后的控制策略可有效提升空气压缩机响应速度并优化进入燃料电池电堆空气流量的控制效果。Deng等提出了一种自适应滑模控制策略，调节空气供给系统氧过量系数，所设计的控制器抗干扰性、鲁棒性和系统响应方面均优于传统滑模控制器。Na等基于所建立的非线性模型设计了一种非线性控制器实现阴阳极之间气体压差、相对湿度的控制，以延长燃料电池使用寿命。Jiang等提出了一种基于观测器的模型预测控制策略，无需空气流量传感器，即可实现氧过量系数控制，且具有更好的抗干扰性能。

表2对氢气管理系统和空气供给系统的控制策略进行了比较。根据控制目标的不同，经典控制策略和智能控制策略在氢气管理系统和空气供给系统中均有应用。但这些控制策略在控制精度、响应速度、抗干扰性和鲁棒性等方面存在一定的差异。传统PID控制策略具有简单易用、应用范围广等优点，能够改善燃料电池输出性能，提升燃料电池耐久性。但其响应速度慢，对于强耦合、非线性的氢气管理系统和空气供给系统控制效果差；模型预测控制对于约束、变量较多的系统有较好的控制效果，但它面临计算量大的问题，实时控制器的开发难度较大；神经网络控制具有很强的非线性拟合能力，可提升系统的响应速度，但它需要大量的数据进行训练，且控制器性能还与训练数据的质量相关，数据量不足或质量不高会导致控制效果不佳；滑模控制可以克服系统的不确定性，适用于非线性系统控制，但是它存在抖振现象，在一定程度上限制了滑模控制的应用。燃料电池氢气管理与空气供给系统的控制目标除满足快速响应和稳定性外，还须考虑控制策略的抗干扰性、车用燃料电池系统燃料经济性和使用寿命。智能控制策略比经典控制策略有更好的适用性，是控制策略发展的前瞻方向。此外，为应对车用燃料电池系统技术发展需求，引入了新的功能性部件，形成了不同的构型，针对新的构型提出对应的智能化控制策略是今后的研究方向。

表2 氢气管理系统和空气供给系统控制策略比较

3.3 水/热管理系统控制策略

燃料电池水管理指维持电池内的水平衡在最佳状态，其措施是对燃料电池电堆内部进行增湿并及时排出多余的液态水，避免膜干和水淹现象发生，主要包括增湿和排水两个方面。

燃料电池的增湿方法可以分为外部增湿、内部增湿和自增湿3种。利用水蒸气随反应气体一起进入燃料电池电堆的简单外部增湿，适用于进气流速小的燃料电池系统，将液态水直接注入燃料电池电堆进行增湿的湿化法其补偿能力更强，可同时冷却电极，但可能会堵塞氢气流道，引发催化剂表面毒化。利用水在渗透膜中的浓差扩散的渗透膜法，或采用多孔碳板构成气体通道，通过碳板孔隙加湿反应气体的内部增湿方法，无需独立增湿装置，增湿器和燃料电池电堆构成一个整体，降低了系统复杂度，但也增大了电堆体积。压力迁移自增湿法通过提升阴极气室压力，使阴极生成的水向阳极迁移，但提升气室压力对电堆的密封性和质子交换膜强度提出了较高的要求。Pt−PEM膜自增湿法利用Pt颗粒催化扩散到膜内部的氢气和氧气发生反应生成水对膜进行增湿，具有良好的增湿效果，但是可能会导致H穿过质子交换膜直接到达阴极。

燃料电池工作温度低于100℃，所以反应生成的水以液态水的形式存在。液态水的积累会导致传质过程受阻、淹没催化剂活性点、质子交换膜电导率下降等问题。目前开发出的排水方法有静态排水和动态排水两种。静态排水是利用材料的毛细作用将液态水排出；动态排水法则是利用尾气吹扫方法将液态水排出。

燃料电池热管理研究内容是电池内热量的生成与传递、温度场分布和冷却方式，目的是促使整个电池温度场分布均匀，现阶段热管理系统无法完全覆盖全工况范围，当燃料电池温度升高，热管理系统提供的散热量有限，可结合控制策略限制功率输出，以提高整车耐久性。

郑文杰等利用燃料电池热管理系统模型计算不同工况下电堆的出水温度，有利于整车热管理的优化设计。Saygili等基于水/热管理系统半经验模型，利用反馈PI控制策略控制转速，以达到最佳的温度控制效果。Ou等提出一种多输入多输出模糊控制器，控制风扇转速使温度保持在合适的范围内，利用加湿器对入口处的氢气进行加湿以控制膜的含水量。童正明等建立了一套三维模糊控制策略实现对燃料电池系统温度的控制，并进行极端工况性能测试，结果表明，该散热系统可满足散热需求，温度控制效果良好。Wang等建立了一个多变量燃料电池系统模型，结合鲁棒控制和PID控制的优点，提出了一种鲁棒PID控制策略应用于冷却系统。Chatrattanawet等分析输入参数对燃料电池电堆温度的影响，提出了一种基于线性时变模型的模型预测控制和离线鲁棒模型预测控制策略实现对温度的控制。Han等针对燃料电池模型参数的不确定性问题，设计了一种包含模型参考自适应反馈控制器，对燃料电池电堆和冷却水入口处温度进行鲁棒控制。Huang等针对变载工况产生的温度急剧变化现象所导致的燃料电池性能衰减问题，设计了一种自适应控制策略控制冷却水流量，控制策略的控制精度与适应能力均优于PI控制策略。表3分别对基于误差和基于模型的热管理相关控制策略进行了对比分析，展示了不同策略的特点。

表3 面向耐久性提升的热管理系统控制策略比较

燃料电池水/热管理系统具有很强的耦合性，水管理与热管理并非单独作用。为有效控制燃料电池的工作温度，保证其平稳运行，须联合控制多个功能性部件，而各部件在响应速度和控制范围等方面均存在一定差异，在动态调节过程中控制难度较大。传统的控制策略虽然可以应用于水/热管理系统中，但响应速度慢，无法在短时间内使系统达到稳定状态；而模型预测控制稳定时间短，振荡次数少，但它在实际应用中需要较长的在线计算时间进行优化算法的选择；模糊控制是一种非线性智能控制策略，尤其适用于复杂非线性系统的控制，但它缺乏系统的设计过程，理论分析困难。当前控制策略大多针对单方面的影响因素，在设计过程中对其他因素进行理想化假设。虽然可达到预期的控制效果，但忽略了各参数之间的耦合关系，因此，考虑多种影响因素实现优化控制将是今后研究的一个热点，具有更高的工程实践价值。

3.4 燃料电池功率控制策略

现阶段，车用燃料电池技术尚未真正成熟，核心技术还有待突破。若仅采用燃料电池作为单一动力源，无法满足车辆启停、变载、怠速、高负荷等频繁变化工况下的功率需求。因此常引入蓄电池、超级电容等车载储能装置构成电−电混合动力系统应用于燃料电池汽车，针对不同的车用工况，通过能量分配、功率控制等手段弥补燃料电池功率的不足，并通过功率调节与优化，进而减少燃料电池的不利运行状态，降低负载对燃料电池的冲击，提高车辆整体的响应速度，同时配合制动能量的回收，提高能量利用率。

为避免燃料电池输出功率的频繁变化，可采用频率分离的能量分配方法在两个动力源之间对功率需求进行分配，将功率的低频分量分配给燃料电池，高频分量分配给储能装置，这样可有效改善燃料电池的耐久性。考虑到燃料电池动态输出能力弱，以蓄电池和超级电容作为辅助储能装置补充动力系统大功率需求，使燃料电池在车辆运行过程中平稳输出，提出的分级优化能量管理策略可基于电机功率需求、荷电状态等实现燃料电池功率跟随控制，减少燃料电池变载、开关机次数，保证燃料电池的耐久性。Zhou 等提出的基于模型预测控制的多模式能量管理策略，对多种工况下的功率需求可进行有效分配，可有效改善燃料电池的动态性能，并减少氢气消耗量，改善经济性。

为保证燃料电池输出功率满足整车动力系统功率需求，需要DC/DC变换器良好的配合。周盟在所建立的预测模型基础上，设计了模型预测控制器，与PI控制器进行对比具有更好的动态与稳态性能，所设计的DC/DC变换器采用了两级式结构，能够有效抑制电流纹波，改善燃料电池耐久性。Suh等对装有压缩机和DC/DC转换器的燃料电池系统进行了建模和分析，并设计了两个独立的基于模型的控制器来调节压缩机和DC/DC，同时设计了一个协调控制器，对两个控制器进行通信协调，实现了大功率范围内的功率控制。冯兴田等结合燃料电池堆的极化特性曲线计算最优输出功率对应的燃料电池系统工作电流，通过燃料电池系统侧的DC/DC变换器追踪参考电流，使得燃料电池系统输出最优功率。DC/DC变换器旨在控制燃料电池的输出功率，同时确保燃料电池的电流纹波维持在一个较低的水平，以延缓燃料电池性能的衰减。

4 结论

综合考虑车用燃料电池系统电控技术中存在的问题和当前的发展趋势，简述了燃料电池工作条件和影响燃料电池耐久性的相关因素。综述了现阶段燃料电池供气系统结构、水/热管理系统结构、功率调节系统和控制器硬件，并从控制目标、控制方式、优缺点等方面对各辅助子系统控制策略进行对比分析。

阴/阳极构型方面，氢气供给结构设计需考量方案效率、成本、控制难度、系统复杂度和技术成熟度等多方面因素。氢气循环泵与引射器是氢气循环系统设计方案中的核心部件，若在系统中同时引入氢气循环泵与引射器，则面临二者协同工作的问题。未来可通过开发高性能、低功耗的氢气循环泵和优化引射器结构等方式提高车用燃料电池系统综合性能，针对多级循环装置间匹配与协同工作问题，可向此方案中引入智能控制策略，扩大运行工况范围，保证其运行过程中的稳定性。此外，受限于车用燃料电池输出特性偏弱、动态响应慢、能量单向流动等缺点，整车动力系统常引入蓄电池、超级电容等储能装置，通过能量分配、功率控制等手段缩短燃料电池处于不利运行状态下的时间，延缓燃料电池性能的衰减，满足频繁变化工况下耐久性的要求。

控制器硬件设计方面目前多采用分布式控制，控制信号与测量信号分离，子系统能够进行独立开发调试，但线束冗杂不利于燃料电池系统集成。集中式硬件设计方案，模块间可直接进行数据交换，但面对复杂的控制算法，实现难度高，未来结合域控制器的集成化控制或可改进现有集中式设计方案的不足。

车用燃料电池系统的控制目标除满足功率的快速响应外，还须考虑控制策略对燃料电池耐久性的影响。现阶段燃料电池系统控制器多采用简单的逻辑控制策略，但对提升燃料电池的耐久性不利。基于模型的控制策略如模型预测控制、智能控制等对具有非线性、强耦合特性的燃料电池系统有更好的适用性，具有较大的发展潜力，也是未来控制策略的发展方向。