在燃料电池汽车的行驶循环中，由于可变的驱动功率请求遵循燃料电池堆极化曲线，燃料电池电压会发生变化。这种电压循环可能对燃料电池堆的耐久性产生不利影响。为了将这些影响最小化，我们一般采用与燃料电池堆并联使用动力电池的策略。控制算法通过优化动力电池和燃料电池堆的功率分配，以实现所需的驱动功率。
动力电池为车辆各种辅助负载提供额外的电力，在燃料电池系统启动以及在燃料电池堆无法满足高功率需求的情况下提供支持。
具体而言，燃料电池堆通过高压母线为驱动电机和车辆其他辅助系统提供动力，用于车辆的正常运行。然而，在需要超出燃料电池堆提供的功率时，例如在快速加速的场景中，动力电池则向高压母线提供额外的电力。举例而言，燃料电池堆可能提供70kW的功率，但在车辆需要100kW或更多功率进行加速时，动力电池则发挥了关键作用。在燃料电池堆能够满足整体系统功率需求的情况下，燃料电池堆用于为动力电池充电。此外，通过再生制动时由驱动电机产生的发电功率也通过直流母线用于动力电池的充电。
01
存在问题
图1展示了一个简化的燃料电池系统示意框图，系统包括燃料电池堆和搭载功率电子装置的动力电池。为了进行动力电池的充电或放电，必须在电堆电压和电池电压之间生成大于或等于电池充电所需的电压差。在电堆电压高于电池电压的情况下，功率电子装置充当电压放大器，其增益被限制在小于或等于1的范围内。燃料电池堆向高压母线(正电压母线和负电压母线)提供电能。在车辆燃料电池系统中，燃料电池堆可能由约400个燃料电池单元组成。动力电池也连接到高压母线，以提供额外的电力。空压机通过进气管路向电堆输送阴极空气，而流量计用于测量进入电堆阴极的空气流量。
图1. 简化的燃料电池系统示意性框图
燃料电池系统还配备了一个功率逆变器模块(PIM)，该模块与高压母线连接，并同时与交流驱动电机相连。PIM的功能是将高压母线上的直流电压转换为适用于交流驱动电机的交流电压。交流驱动电机负责提供驱动力以推动车辆。该驱动电机可采用多种类型，包括但不限于交流感应电机、交流永磁电机和交流三相同步机，以满足系统在此描述的目的。
在再生制动期间，当驱动电机充当发电机运行时，所产生的电力经由PIM转换为直流电力，然后被应用到高压母线以充电动力电池。在典型的混合动力车辆策略中，动力电池主要被用于提升整体系统效率、降低燃料电池系统的动态需求，并且/或者增强车辆性能。当驱动电机需要额外功率时，动力电池能够迅速供应储存的能量，以满足驱动电机的需求。
在低功率瞬变期间，随着燃料电池堆上请求输出负载从高功率输出变为低功率输出，电堆的阳极和阴极侧的反应气体流量会相应减少。氢气流向电堆的速率可以在大约100ms的时间内迅速减小，以适应降低的功率需求。然而，提供阴极空气的空压机是一台相对较大且惯性较高的设备，需要数秒钟来减小阴极反应气体的流量。
在低功率瞬变期间，由于氢气流量减小，燃料电池堆产生的水量将显著减少。然而，由于空压机的惯性导致持续大的阴极气流流过电堆，这会对质子膜产生干燥作用，导致在低功率瞬变期间质子膜出现干燥和随后的相对湿度循环(RH cycling)。
质子膜相对湿度循环会导致膜因吸水和随后的干燥而发生膨胀和收缩。这种质子膜的膨胀和收缩可能在膜表面形成小孔(pin-holes)，通过这些小孔会发生氢气和氧气的穿透，形成热点，进一步增大孔的尺寸，从而降低膜的寿命。因此，降低燃料电池堆中的相对湿度循环是一个值得追求的目标，以延长质子膜的使用寿命。
02
专利方案
本专利提出了一种系统和方法，旨在减轻燃料电池堆中质子膜的相对湿度循环效应。该系统采用一种控制算法，该算法在低功率瞬态情况下抑制功率请求信号。通过这种方法，确保燃料电池堆产生的功率高于指定的请求水平。多余产生的电力为燃料电池车辆内的动力电池进行充电。
图2展示了本专利算法的控制流程图，旨在在低功率瞬态期间减少燃料电池堆中质子膜的相对湿度循环过程。该算法通过监测步骤72中的驱动功率请求信号P_req实施。算法根据电堆极化曲线在步骤74中估算用于功率请求的电堆电流密度请求j_req。随后，在步骤76中，算法发出命令以生成满足电流密度请求j_req的阴极气体流量信号dm_air_req。
在低功率瞬态情况下，算法在步骤78中通过流量计监测阴极气体流量，同时减小空压机的转速，以逐渐达到所需的气体流量dm_air_req。正如前述，由于空压机在低功率瞬态期间需要一定时间来达到所需的空气流量，因此算法在这个过程中进行监控和调整。
当空压机的转速降低时，算法根据步骤80中的电流密度请求j_req和流向电堆的空气流量，通过如下方程(1)计算阴极反馈的化学计量比stoich_fb。
其中，molar_flow_air是通过流量计计算得到的空气摩尔流量，cell_area是每个燃料电池中膜的面积，而F是法拉第常数。算法然后使用方程(2)在步骤82中计算一个中间电流密度j_star。
电堆根据中间电流密度j_star和空压机转速生成输出功率，以满足当前的电流密度需求。随着空压机转速的下降，氢气将持续流向电堆，以适应不断变化的电流密度j_star。在低功率瞬态期间，该算法持续进行这些计算，直到空压机转速达到气流需求dm_air_req。正如前文所述，由电堆在低功率瞬态期间产生的多余电力可用于充电动力电池(在步骤84)。
图2. 用于在低功率瞬态期间减少燃料电池堆中
质子膜相对湿度循环的控制算法
