面向车用聚合物电解质膜燃料电池局域水管理的热系统与供气系统协同约束感知控制

《JOURNAL OF POWER SOURCES》：Coordinated constraint-aware control of thermal and air supply systems for localized water management in automotive polymer electrolyte membrane fuel cells

　　

适当的膜水合管理对质子交换膜燃料电池（PEMFC）系统的性能与耐久性至关重要。研究人员开发了一种约束感知控制策略，将冷却系统作为局域水合管理的主要执行器，目标为避免逆流堆叠中膜最干燥区域——阳极入口附近的干涸。瞬态过程中冷却系统因热动力学响应缓慢导致调控有效性受限是主要挑战。为此，冷却控制引入多步长指令调节器（MCG），利用负载变化的预知信息提前调整电堆温度，防止水合约束被违反。然而，预知信息的不确定性会影响性能与鲁棒性。为在预知不确定或冷却能力不足时提升鲁棒性，该方案增设一个作用于供气系统的无预知MCG，可在仅靠冷却系统无法满足水合约束时提供保障。研究人员在高保真模型上采用真实驾驶循环对该策略进行评估，与无预知版本及仅作用于供气系统的MCG策略相比，验证了该方法的有效性。

研究背景与意义

随着交通领域脱碳需求提升，聚合物电解质膜燃料电池（PEMFC）凭借高能量密度、快充特性及零碳排放优势，成为中重型商用车的重要动力选择。然而，PEMFC商业化仍受限于成本与耐久性问题。系统级优化是当前提升耐久性的可行路径。膜水合状态直接影响电池性能与寿命：脱水会增大质子传导阻力并加速膜降解，水淹则会阻塞气体扩散通道引发传质损失。现有水管理研究多关注空间平均或膜厚度方向的水分布，对沿流道方向的局域水梯度控制不足。此外，瞬态工况下冷却系统因热惯性大，调控滞后明显，传统依赖供气系统调节水合易使空压机接近喘振边界，增加机械磨损与控制风险。因此，研究人员提出结合预知信息与多执行器协同的控制策略，以提升局域水管理的有效性与安全性。该研究发表于《JOURNAL OF POWER SOURCES》。

关键技术方法

研究基于已验证的高保真PEMFC系统模型，该模型集成伪二维（P2D）电堆模型与全辅助子系统物理模型，涵盖空气供应、燃料供给与热管理系统。控制架构沿用已有两层框架：稳态层通过优化图谱确定空气与冷却系统设定值以最大化净功率；瞬态层引入多步长指令调节器（MCG）。核心创新在于将带预知的MCG部署于冷却系统，并利用车辆互联（V2V/V2I）获取的短期负载预知信息提前调节温度；同时并联无预知MCG于供气系统，形成级联结构，以在预知偏差或冷却能力不足时协同保障水合约束。验证采用真实驾驶循环数据。

研究结果

热管理系统建模

冷却系统包含冷却液循环泵与散热器风扇两个执行器，分别调节冷却液流量与散热风量。模型基于能量守恒描述电堆与冷却液的热交换过程，用于支撑控制器设计。

冷却系统控制基础

稳态设定值以最大化净功率为目标，同时满足氧浓度与温度约束。局部控制器负责跟踪温度设定值，MCG层在不干扰底层控制的前提下动态修正设定值以保障约束。

问题描述

逆流配置下，阳极入口为膜最易干涸区域。稳态设定值虽可避免静态违规，但在负载瞬变（尤其是降载）时，阳极入口水合水平可能跌破下限。冷却系统响应慢导致难以及时干预，是约束违反的主因。

MCG策略设计与协同机制

预知型MCG利用未来数步的负载信息，计算随时间变化的最优温度设定值序列，提前改变热状态以匹配水合需求。无预知MCG实时监测水合约束，当冷却调控不足时微调供气压力作为补充。两者协同降低了单一执行器的负担与风险。

对比评估

在真实驾驶循环下，级联带预知MCG（CMCG-P）与两种对照策略比较：仅作用于供气系统的MCG、无预知级联MCG（CMCG-NP）。结果显示，CMCG-P能有效抑制阳极入口干涸事件，减少空压机接近喘振边界的频率，并在冷却能力受限时维持约束，辅助能耗亦低于单一冷却主导方案。

结论与讨论

研究表明，瞬态水管理若仅依赖冷却系统会导致辅助能耗过高且在快速变载时失效，仅依赖供气系统则存在喘振风险。所提出的冷却与供气协同MCG策略，通过预知信息提前热调控与无预知供气调控互补，实现了阳极入口水合约束的可靠保障，兼顾了耐久性与能效。该方法利用未来交通互联基础设施的预知能力，为高保真PEMFC系统控制提供了可扩展的解决方案。研究由Mostafaali Ayubirad、Zeng Qiu、Hao Wang、Chris Weinkauf、Michiel Van Nieuwstadt与Hamid R. Ossareh共同完成，获美国福特汽车公司支持（项目号002092-URP）。