基于MotoTron平台的燃料电池共轨喷射系统的研发 [摘要]针对目前常用的燃料电池氢气供应方式存在氢气利用率低、耗能大和使用范围小等缺点？本文中提出了基于MotoTron平台的氢共轨喷射系统快速原型开发技术。通过对控制参数的整定，达到共轨喷射系统氢气输出稳态误差合理、出口流量动态可调的目的。结果表明，该方法能使氢气在燃料电池阳极分布更为均匀，提高了氢气利用率，延长了燃料电池寿命，为后续的整车开发奠定了基础。
关键词：燃料电池；共轨喷射；MotoTron
Research and Development of the Common-rail Injector System for Fuel Cell Based on MotoTron Platform [Abstract] In view of the low utilization rate of hydrogen, high energy consumption, narrow use scope and other defects of the way of hydrogen supply commonly used in fuel cell at present, a rapid prototyping development technique for common rail hydrogen injection system is proposed based on MotoTron platform. By tuning the control parameters, reasonable steady-state error of hydrogen output and dynamically adjustable exit flow rate are realized. The results show that the technique proposed can enable evener distribution of hydrogen at fuel cell anode, raise the utilization rate of hydrogen and extend the lifespan of fuel cell, laying a
foundation for subsequent vehicle development.
Keywords: fuel cell; common-rail injection; MotoTron 前言
燃料电池作为新一代汽车动力源，已被世界各大工业国视为战略产品，世界各大汽车公司都在致力于燃料屯池的研究与应用。在燃料电池中，氢气作为能量的载体，其稳定有效的供给与电堆的输出功率密切相关。在常规的燃料电池中，电堆阳极多采用二级减压阀减压后稳压定量多供应的方式为电堆提供足够的燃料。这种方法虽然能使燃料电池满足工作要求，但在电堆低负荷区时，由于氢气供应过量，导致氢气浪费，有效利用率低；而在高负荷区时，由于氢气需求量较大，将会出现氢气供应不足，并最终导致燃料饥饿，功率输出不足，严重影响整个系统的工作性能。
文献[3]中提出在燃料电池阳极采用共轨喷射器的方案，以满足电堆的动态需求。然而由于燃料电池本身的特殊性，对氢气的供给也提出了许多要求，如压力、温度和稳定性等。因此在电堆的阳极不仅需要期望的氢气量，同时还需要稳定的氢气压力，即对电堆阳极氢气的压力波动也提出了严格要求。但在实际应用中，尤其燃料电池车在低负荷区氢气需求量较少时，喷射器出口的压力将会出现较大的波动，从而严重影响燃料电池的工作性能。
为此，本文中提出以期望和实际的氢气压力值为参考采
用闭环控制，利用改进型PID控制，根据入口压力偏差和频率以及喷嘴开启时间的关系来控制信号的优化输出，进而驱动喷射器喷嘴以获得期望的氢气量和稳定的氢气压力，最终达到输出氧气流量和压力均可控的目的。 1 燃料电池氢喷射系统的组成
在燃料电池中，氢共轨喷射系统主要由高压氢瓶、减压阀、稳压阀、共轨喷射器、压力传感器和控制单元组成，系统示意图如图1所示。
高压氢瓶内氢气压力可达35MPa；开关阀用来控制输送到电堆的氢气量，当系统收到供氖命令后，开关阀打开，储氢系统开始向电堆供氢，否则，开关阀关闭，停止向电堆供氢；减压阀和稳压阀则用于将高压氢瓶中输送的氢气压力降至电堆可以承受，并保持基本稳定；传感器主要用以测量人口与出口的氢气压力，并将信号值传至控制系统；电堆的作用是使阳极的氢气与阴极的空气发生化学反应，生成水并释放能量，提供动力；喷射器作为供氢系统的被控对象是本文的研究重点，它由4个并行喷嘴组成，喷嘴采用Peak-Hold的电流驱动，系统通过调节4个喷嘴的开启时间与开肩频次来调节供氖量，同时在喷嘴下端采用共轨式汇流装置，从而保证出口氢气在较小的压力波动下动态可调；电控单元作为整个系统的控制器，通过采集各传感器信号，判断当前系统的工况并通过控制喷射器4个喷嘴的开启时间与频次决定氢
气供应量，同时，喷射器入口与出口压力传感器判断控制放果，对控制进行修正，形成闭环控制，最终达到氢气供应动态可调且压力稳定的目的。 2氢喷射系统的控制策略 2.1 喷射器的控制模式
由伯努利方程可知，当系统管径一定时，气体的流量取决于管道两端气体的压差，为此在本文中将系统喷射器入口与出口气体的压力作为系统的输入量与输出量。共轨喷射器的4个喷嘴上均有控制信号的输入端口，通过控制单元输出的脉冲信号决定4个喷嘴的开启时刻、开启持续时间和关闭时刻。喷嘴在脉冲信号的上升沿开启，在脉冲信号下降沿关闭，脉冲的宽度代表喷嘴开启持续时间，信号脉冲的频次代表喷嘴的开启次数。在设计前期，采用MotoTron程序对喷射器的工作参数进行标定调试，研究发现，喷射器最终出气流量与开启持续时间和开启频次均呈正比关系。为此，本文中提出3种控制模式，并做相应分析。 2.1.1 固定信号脉冲宽度，改变喷嘴开启频次
固定喷嘴的开启持续时间，根据喷嘴人口压力偏差值和转速的关系，进而通过虚拟转速改变喷嘴开启频次，控制出口氢气压力。在喷嘴开启持续时间内，氢气在供给入口处压力最大；在喷嘴关闭和下一个喷嘴开启的时间段内，无氢气补充从而出口压力降到最低。在该控制模式下，当氢气需求
量较少时喷嘴开关频次较低，导致严重压力波动，超出燃料电池要求的压力波动<15kPa的要求。
2.1.2 固定喷嘴开启频次，改变喷嘴开启持续时间 固定喷嘴开启频次，根据喷嘴人口压力偏差值和转速的关系，通过虚拟转速改变喷嘴开启持续时间，控制出口氢气压力。在该控制模式下，当氢气需求量较少时从一个喷嘴关闭到另一个喷嘴开启的时间间隔t1缩短，减少了无氢气补充的时间，同时同一喷嘴开启持续时间t2减小，喷嘴输出端的压力波动将得到改善。同时，可预见如果把虚拟转速再提高，将再次缩短t1和t2，喷嘴输出端的压力波动也将再次得到改善。该模式避免了低流量时因喷嘴开启频次较低导致的压力波动问题，在实际操作中可行性好。 2.1.3喷嘴开启频次与开启持续时间分时改变
喷嘴开启频次与开启持续时间分时改变的控制策略，即当低流量时固定喷嘴开启频次，控制喷嘴开启时间；当高流量时固定喷嘴开启持续时间，改变喷嘴开启频次。可以预见，该策略同样可避免低流量时因喷嘴开启频次较低导致的压力波动问题。但由于两种不同的控制目标，需要两套不同的PID算法和PID参数，其开发和试验周期将会延长。
根据以上分析，本文中提出采用固定喷嘴开启频次，改变喷嘴开启持续时间的控制策略，通道PID由实际压差决定开启持续时间，进而控制出气压力与流量。