本书序

随着全球经济的发展和汽车保有量的增多，能源紧缺和环境污染问题愈发凸显，发展新能源汽车将对全球汽车和能源技术、产业以及社会经济发展产生重大深远的影响，也是我国汽车产业实现“双碳”目标征途中的重要内容。我国从“十五”期间国家863计划电动汽车重大专项起便确定了纯电动、混合动力、燃料电池汽车动力技术研发齐头并进，按技术状态分阶段具体实施的电动汽车技术发展战略。经过我国汽车人二十余年的不懈努力，新能源汽车技术与产业的发展取得了辉煌的成就。

当前基于锂离子电池技术的新能源汽车动力系统技术路线基本解决了乘用车、公交车等电动化问题，并处于产业化快速展开阶段；商用车是公路运输的主要碳排放来源，解决重载、长里程的商用车电动化问题也势在必行，而燃料电池汽车因具有加氢时间短、一次加氢续驶里程长等优势可望成为未来商用车主导性技术之一。同时，氢能是一种来源丰富、绿色低碳、应用广泛的二次能源，发展燃料电池汽车对发展可持续低碳交通、稳定能源供给、促进能源结构低碳化，提升我国科技创新实力和国际竞争力，也具有非常重要的意义。

众所周知，当前燃料电池汽车的核心部件为质子交换膜燃料电池系统，一般简称为燃料电池发动机。它是以氢气为燃料，通过电化学反应将氢气中的化学能直接转变为电能的电气化动力系统动力源。燃料电池系统通常由燃料电池堆和维持其正常运行的辅助部件组成，通过相应的管理与控制技术实现在线检测、实时控制、故障诊断及通信交互等功能，确保发电稳定可靠。

在燃料电池汽车应用示范初期阶段，燃料电池系统管理与控制主要依据对系统外部某些物理量的实时测量值与试验和路测标定值进行对比，以确定操作条件安全边界，并对燃料电池堆的操作条件进行控制。虽然也采用闭环控制方式，但并非基于实时动态模型进行，因而管理与控制缺乏精准性。典型代表有“超越系列”燃料电池轿车以及世博会的示范运营燃料电池车辆。随着燃料电池材料、零部件和系统集成技术的逐渐成熟，以及燃料电池汽车应用范围逐步推广，燃料电池系统开始面临成本、使用寿命和环境适应性，以及精确化控制等问题，这对燃料电池系统的设计、管理与控制技术提出了新的需求。一方面，需要在设计阶段，综合考虑成本、体积、重量、寿命等约束，对燃料电池系统及关键零部件进行模块化设计和集成优化；另一方面，需要在传统控制方法基础上，充分利用车载系统有限的外部可检测物理量，借助系统模型或算法得到燃料电池内部状态信息后实时更新操作条件，进而通过更加精确的控制使燃料电池含水量、反应物浓度等内部状态处于优化范围内，保证燃料电池有效可靠工作，提升其使用寿命和环境适应性。

质子交换膜燃料电池是一个典型的多时间尺度、多物理场耦合的复杂非线性系统，其工作过程中涉及反应电荷转移、反应气体传递、电荷传输等基本电极动力学过程，且运行过程中的进气压力、进气流量及运行温度等操作条件对上述动力学过程均有不同程度影响。因此，研究操作条件对电极过程机理的影响规律是燃料电池系统设计、管理与控制的前提。在此基础上，还需要突破燃料电池固有封闭结构限制，尽可能获取内部关键状态变量，从而明确不同工作场景下的燃料电池系统控制目标。另外，燃料电池系统的非线性特征、反应气体流量压力之间的强耦合特性、冷却回路热容大等问题，使得频繁变载工况下电堆的操作条件难以精准控制，因而，如何尽可能地建立面向运行控制的燃料电池系统集总参数模型和分布参数模型，实现精确化的压力、流量和温度控制，且能够在零下低温环境下实现快速冷启动，已成为学术界和工业界近些年来持续关心和研究的重要课题。

本书作者及其所在研究团队在燃料电池、锂离子电池等电化学电源的管理与控制领域深耕多年，针对上述燃料电池系统集成与控制面临的研究课题已取得了一些令人瞩目的成果，这些均在本书中给以呈现，以飨读者。

本书对质子交换膜燃料电池的基本特性及电极过程机理，创新性地引入电化学阻抗谱这一理论方法，通过弛豫时间分布分析了燃料电池单体内部不同时间尺度的动力学过程，并据此分析了操作条件对动力学损失的敏感性；将小活性面积的燃料电池单体分析扩展至车用大活性面积的燃料电池堆，分析并阐明了操作条件对燃料电池单体电流密度不均匀和电堆单体间不一致性的影响规律；进一步阐述了不同初始条件和加载方式下燃料电池单体及电堆的低温冷启动特性，为后续的燃料电池系统设计和管理控制奠定了基础。

该书还较为全面地介绍了典型车用燃料电池系统的基本架构及集成方案，并给出了典型零部件的电气接口信息描述，以及子系统关键零部件的工作特性和参数匹配计算方法。该书较为详尽地阐述了进气系统和热管理系统控制方法，如针对空气流量与压力耦合问题，如何进行串级反向解耦控制器设计；针对排氢阀开启引起的压力波动问题，如何设计模糊PI前馈补偿控制器；针对大热容引起的冷却液温度波动大的问题，如何进行自适应模型预测控制；针对低温快速冷启动难题，如何构建基于粒子群算法的快速冷启动策略等。理论与应用实践已表明，这些控制方法均能较好地实现质子交换膜燃料电池操作条件的精准控制。

最后，该书还对基于滑模观测器的氧气过量系数估计，基于特征频率阻抗和混合深度学习的膜干、水淹和缺气故障诊断，以及基于模态分解和深度学习的短时电压衰减预测等状态识别/诊断功能方法进行了介绍。可以预见，这些技术的进一步发展与突破对于开发新型燃料电池管理与控制系统产品、提高燃料电池系统使用寿命和环境适应性，将发挥重要的作用。

到目前为止，该书所涉及的理论方法已部分在实际燃料电池系统产品中得到了广泛应用和验证，取得了良好的效果。相信本书的出版必将会对我国燃料电池系统集成研发人员进一步开展应用基础研究和产业技术研发有所裨益，并助力于我国燃料电池汽车商业化的发展，为我国新能源汽车事业贡献一份力量。

2023年11月于同济大学