面向高性能、长寿命和低成本车用燃料电池动力系统建模与控制研究

The high performance, long lifetime and low cost Fuel Cell hybrid powertrain was one of the developing trends for future automotive. The performance, durability and cost of the fuel cell powertrain system were mainly influenced by the factors such as drive cycle conditions, powertrain system configurations, energy management strategies and control algorithms. This project overviewed the status and future requirements of the industry, promoted a new kinds fuel cell hybrid powertrain with higher performance, better durability and lower cost. Modelling and control based on the systems material flow, energy flow and information flow would carried out. And the research contents mainly consisted of: 1) the dynamic model of fuel cell stack system, which including the mean value model of the cell, the variations of each cell and the model for accessories including air sub-system, hydrogen sub-system and thermal recovery sub-system; 2) the state estimation and robust control of fuel cell system based on the physical model; 3) the modeling and prediction of fuel cell stack durability; 4) the economy and durability oriented multi-object energy management and optimization for hybrid powertrain. The target of this research it to build up the new generation of fuel cell hybrid powertrain with higher performance, better durability and lower cost. This project belongs to the interdisciplinary between power engineering, energy engineering and electrical engineering. The results of this research would be helpful for the engineering design of the fuel cell system and it is very important to the industry.

高性能、长寿命、低成本的车用燃料电池动力系统是未来车用动力系统的重要发展方向之一，车用燃料电池动力系统的性能、寿命和成本主要受道路工况、系统设计、能量管理和控制策略等因素影响。本项目从产业现状和需求出发，提出一种新型高性能、长寿命、低成本的燃料电池混合动力系统，并针对该系统的物质流、能量流、信息流特性，开展建模和控制的研究，主要包括：1）燃料电池系统动态建模，包括燃料电池单体平均值模型、单体不一致性模型、外围附件动态模型（空气、氢气、余热利用等）；2）基于模型的燃料电池系统状态观测和鲁棒控制；3）燃料电池动力系统的耐久性模型和寿命预测；4）以经济性和耐久性为优化目标的混合动力系统的能量管理和参数优化。通过上述研究形成新一代高性能长寿命低成本车用氢燃料电池动力系统技术体系。本项目属于动力工程、能源工程和电气工程的交叉领域，研究结果将为燃料电池系统工程化设计提供理论指导，促进行业发展。

过去五年燃料电池汽车行业发展十分迅速，成为中国新能源汽车技术的重要发展方向之一。研究团队围绕燃料电池商业化关键问题，突破了高性能、长寿命、低成本的车用燃料电池动力系统建模、设计与控制等关键瓶颈技术。基于课题研究计划，研究团队完成了四项主要研究内容：1）基于1D+1D+1D的建模思路与国际首创的多点气体采样装备，提出了面向控制的燃料电池降维建模方法。降维模型兼顾高精度和低计算量，比传统CFD模型计算时间短2个数量级，模型误差在3%以内，解决了实际控制系统中的燃料电池电堆高精度状态估计难题；2）国际首创了燃料电池双循环系统构型，发明了基于气-水-热-电协调的长寿命燃料电池控制技术。通过解耦进气状态参数控制，解决了燃料电池在怠速、停机、冷启动、大负载下的膜干、水淹、结冰与腐蚀等恶劣工作状态优化难题，实现了-30℃环境燃料电池动力系统2.5min快速启动。优化控制策略将电堆功率平均提高约10%，流量控制误差降低一半，氢气压力波动降低一个数量级；3）提出了车用燃料电池非均匀性衰退在线诊断方法，实现车用燃料电池单片间一致性与均匀性在线定量诊断，提出了燃料电池可逆与不可逆衰退建模分析方法与耐久性优化控制策略，建立了工况+机理的高精度车用燃料电池耐久性估计模型，将电压衰退估计误差降低了50%；4）提出了参数匹配+能量管理的燃料电池动力系统无偏优化方法，并以此开发了燃料电池轿车、客车与国际首辆有轨列车。基于以上研究内容，研究团队所开发的燃料电池电堆功率密度达到2.2kW/L，系统功率密度超过500W/L，台架加速寿命超过2万小时，相关指标达到国际一流水平。所开发产品达到商业化量产水平，国内装车超过1000辆，公告占比超过23%，居国内所有企业首位。所开发技术应用于福田系列产品开发，直接服务应用于2022冬奥示范，获得“汽车工业科技进步一等奖”。研究团队率先在全球范围实现了大规模燃料电池汽车商业化，推动了中国燃料电池行业发展