作为车用新能源系统的重要解决方案之一,氢燃料电池系统目前已经逐步走出实验室,实现了小规模的商业化应用验证。但在实现大规模商业化推广应用之前,其经济性和耐久性还有待进一步提高。提高燃料电池系统的效率和寿命主要有两种可行的技术路线,其一是从电堆的角度出发,通过催化剂、质子交换膜等核心部件的新材料和结构研发,提高电堆自身的寿命和效率;其二是从燃料电池系统的角度出发,通过有效的集成与控制方法,尽可能保证燃料电池电堆运行在优化的条件下,从而提高其使用寿命和效率。除了燃料电池电堆,燃料电池系统一般包含空气进气子系统、氢气供给子系统和温度管理子系统三个部分。三个子系统协同调节燃料电池电堆运行所需的温度、压力以及参与反应的空气与氢气的流量。想要控制和优化各个运行参数,首先要深度理解燃料电池系统的工作机理,从而建立起各个操作参数与电堆性能的关联,进而通过设计有效稳定的控制器来实现在不同工况下都能将参数调节至优化状态。本文将从建立燃料电池系统核心部件和关键过程的机理模型出发,结合实际系统的测试和验证,分别对燃料电池系统的空气进气、氢气供给和温度管理子系统的控制开展深入的研究。本文的主要工作和贡献概述如下:·首先,针对燃料电池系统的核心部件和关键过程进行了机理建模和分析。由于燃料电池系统中所涉及的部件比较多,受实际部件的选型的影响也比较大,所以在机理建模和分析的基础上,本文专门针对系统中与实际部件选型和核心部件工作方式相关的部分进行了独立函数方程的设计。很大程度上提高了机理模型的可靠性和通用性。·在燃料电池系统阴极进气控制方面,针对空气进气子系统的控制对发动机整体效率影响的关键问题开展了深入研究。首先,在空气进气子系统机理模型的基础上,建立了面向控制的空气进气系统子模型。并基于实际燃料电池系统的实验测试,对模型中相关参数和关系函数进行了精确辨识。然后,基于对发动机净输出功率和空气过量比的实验分析,优化了不同工况下的控制目标,即不同工况对应的燃料电池系统空气优化过量比。接着,基于面向控制的空气进气子系统模型和控制目标,设计了控制器并对其稳定性和收敛域进行了详细的理论证明。最后,依托实际燃料电池系统实验平台,对所设计的控制策略进行了系统性的验证与对比分析。结果表明,该控制策略在最高效率点提高了燃料电池系统3%以上的净输出功率。·在燃料电池系统温度管理子系统方面,通过理论与实验验证的方法提出了一种燃料电池系统的控制方案。首先,基于对温度管理子系统机理模型的分析,得到了电堆冷却剂进口和出口温度控制之间的耦合关系。然后,依据控制目标设计了温度管理子系统冷却剂出口温度和入口温度的解耦控制方案,并利用李雅普诺夫方法从理论上证明了闭环系统的稳定性和可靠性。最后,基于实际燃料电池系统平台的实验结果表明,所提出的温度解耦控制方案能够保证温度管理子系统的冷却剂进出口温度平均控制误差小于0.2℃。·在燃料电池系统的氢气供给子系统阳极气体净化吹扫方面,为了进一步提系统的氢气利用率同时保证电堆的耐久性,提出了一种适用于动态工况的基于阳极氮气浓度在线观测器的阳极净化吹扫策略。首先,重新设计了氢气供给子系统的拓扑结构,通过氢气循环泵和水气分离器将阳极液态水和氮气积聚对电堆性能的影响解耦。并基于膜电极的工作机理和实验数据,建立了燃料电池电堆的氮气跨膜渗透模型和阳极氮气浓度在线观测器,进而可以通过氮气浓度的实时观测确定阳极吹扫的间隔时间。在此基础上,建立了吹扫过程中阳极氢浓度的动态模型。并通过仿真分析,确定了合理的吹扫持续时间。实验结果表明,在动态电流负载条件下,所提出的吹扫策略可以让燃料电池系统达到99.2%的氢气利用率。同时,阳极在线氮气浓度观测器的使用大大减少了净化吹扫的次数,电流密度为0.4A/cm2时的两次净化吹扫间隔可延长至520秒,即使在电流密度为0.8A/cm2的高负载条件下,两次净化吹扫时间间隔也可延长至350秒,并且在每个净化间隔期间电堆的平均单片电压变化平稳,没有发生水淹。