燃料電池發動機熱管理系統控制優化

范紅梅，李強偉，朱剛賢

（蘇州大學工程訓練中心，江蘇 蘇州 215000）

1 引言

質子交換膜燃料電池（PEMFC）的輸出性能受到了許多因素的影響，其中溫度的變化會嚴重影響電堆內部的氣體傳輸、水平衡和電化學反應活性。不適當的溫度調節會影響燃料電池的耐用性，所以PEMFC 的有效運行在很大程度上取決于有效、可靠的冷卻系統。溫度的不均勻性會導致不同位置的電化學反應速率不同，從而導致膜電極上形成熱點造成膜穿孔，降低了PEM燃料電池的使用壽命。在燃料電池中，消耗掉的氧氣和離開電池的潮濕空氣能帶走的熱量有限，因此，對質子交換膜燃料電池的熱管理系統進行研究有著重要的意義。

冷卻劑的流動方向設計成垂直于氫和氧的流動方向，并且用波紋通道來代替方便的直通道，強化通道中的對流效應，從而改善反應氣體分布和液態水去除[1]。文獻[2]應用具有氣體擴散層各向異性的三維非等溫數值模型，發現當肋寬度等于通道寬度時，通道和肋寬度越窄，性能越好。文獻[3]研究發現在較高的電流和較低的工作溫度下，溫度變化的影響最大。文獻[4]對燃料電池汽車的不同冷卻方法進行了比較，結果表明使用鋁冷凝散熱器，從液體冷卻到蒸發冷卻，散熱器面積可以減少27%。文獻[5]設計了一種自適應反饋控制器，控制電堆的溫度。文獻[6]在Matlab/Simulink平臺上建立了冷卻系統的模型，用擴展卡爾曼濾波滑模控制器調節溫度。文獻[7]建立了水冷燃料電池堆的動力學模型并結合PI的狀態空間模型來控制水冷電堆的溫度。文獻[8]通過將泵電壓設置為恒定值并為風扇添加PI控制器，可以觀察到與設置點的偏差較大。文獻[9]建立了由非線性前饋和LQR狀態反饋組成電堆暖機控制策略，仿真結果表明，控制系統性能良好。文獻[10]通過監控水泵的流量和風扇速度可以保持電堆內部熱平衡，使電池堆高效穩定工作。

目前，對于冷卻系統的研究，主要集中到冷卻流道優化設計、冷卻板強化傳熱以及溫度的精確控制策略等方面。當燃料電池處于非穩態工況或出現急劇波動時，對冷卻系統的動態特性研究較少。為了開發合適的控制算法，需要對瞬態傳熱問題進行精確建模，尤其是對風扇和水泵進行協調控制。通過建立電堆的熱管理系統Amesim仿真模型，設計基于前饋和反饋的控制策略，動態控制系統以去除多余的熱量并保持期望的電堆溫度。

2 PEMFC熱管理系統

2.1 電堆熱特性

燃料電池產生的熱量由冷卻系統移除以及電堆表面對流換熱，電堆的溫度[11]：

式中：Qgen—產熱量；Qcool—冷卻水帶走的熱量；Qconduction—熱傳導散熱量；Qradiation—熱輻射散熱量。

電堆產熱量[12]：

式中：Ncell—單片數；IFC—電流；VFC—總電壓。

燃料電池輸出電壓：

活化極化電壓為：

歐姆過電勢為：

濃差過電勢為：

2.2 散熱器模型

根據效能-傳熱單元數法建立散熱器的離散模型，傳熱單元數（NTU）[13]：

效能：

總熱通量：

2.3 仿真模型

燃料電池系統放置在客車后面，考慮到空間限制，散熱器和風扇放置在客車頂部，其他的部件都放置在客車底部，詳細的布置及冷卻系統結構，如圖1所示。

圖1 熱管理系統結構Fig.1 Thermal Management System Structure

這樣的布置，使得入堆冷卻水的壓力在合適范圍內，保證了電堆不會由于水壓的問題而損壞。另外，為了簡化系統、降低系統成本和提高可靠性，只安裝了兩個溫度傳感器，分別安裝在電堆的出口和入口。由于散熱器體積較大以及電堆雙極板內部流道狹窄細長，使得冷卻水需要很長的時間才能完全流過，從而產生了較大的系統延遲。系統延遲可能導致溫度傳感器測量水溫與散熱器水溫之間存在較大偏差，使得系統控制難度加大。

為了設計出在具有最佳性能運行的冷卻系統，采用Amesim對電堆熱管理系統進行建模和仿真，用于研究啟動過程溫度變化以及研究新型的熱管理系統控制策略。一維冷卻系統仿真模型，如圖2所示。

圖2 熱管理系統一維仿真模型Fig.2 One-Dimensional Simulation Model of Thermal Management System

其包括散熱器、風扇、水泵、節溫器、傳感器、堆加熱模塊和信號模塊。在Matlab/Simulink平臺上建立了控制策略模型，通過S-function接口實現聯合仿真。此外，散熱器及冷卻液的屬性參數，如表1所示。

表1 材料性能Tab.1 Material Properties

由于無法對整堆的每個單片進行生熱量的詳細計算，因此將電堆看做一個固定容積腔的發熱源來處理，電堆的產熱量，如圖3所示。燃料電池發動機的輸出功率和效率計算。為了模擬冷卻液通過堆的熱傳遞和壓降，在Amesim軟件中使用散熱器模型代替電堆內的流動路徑和表征電堆內部的流通阻力。水泵的MAP圖，如圖4所示。

圖3 電堆性能曲線Fig.3 Stack Performance Curve

圖4 水泵MAP圖Fig.4 Pump MAP

3 控制器設計

將模型方程整理為狀態空間方程，如式（10）所示。

假設ufan，c是連續的，在延遲時間hrad內，式（10）中的積分項可以近似為：

系統狀態定義為：

系統輸出為：y=Tw，out，系統輸入為u=ufan，c(t-hrad)，式（10）可以簡化為：

最后得到了系統的非線性形式如下：

基于式（9），利用線性系統來構建控制器。該非線性系統在主要工作點Xe=[x1ex2ex3ex4e]T=[64 57 64 57]T的區域內進行線性化，該工作點對應的輸入量為u=0.33。經過線性化處理后的模型用下面公式描述：

系數矩陣為：

燃料電池客車在實際運行過程中，燃料電池功率雖然不會隨著車輛行駛需求功率變化而變化，但是會因為動力電池SOC變化而變化。因為SOC 的異常會觸發SOC 補償算法，進而改變燃料電池輸出功率。所以，為了維持流經燃料電池的冷卻水溫度的穩定，需要基于前面的模型設計一個前饋控制器。然而，冷卻循環中只在電堆入口和出口處安裝了溫度傳感器，所以基于現有的測量建立了一個狀態觀測器來估計系統狀態，利用了一個全階狀態觀測器，反饋系數與環境溫度的關系，如圖5所示。

圖5 反饋系數與環境溫度的關系Fig.5 Changes in the Feedback Factor

觀測器的狀態方程為：

估計函數增益L是根據預先設定的過程噪聲w和測量噪聲v的強度，通過卡爾曼濾波器算得。函數形式如下所示：

其中Q=E(wwT)，R=E(vvT)，N=E(wvT)

該模型在Simulink平臺上搭建，輸入量為電堆輸出電流、電壓、風扇狀態和環境溫度，輸出量為電堆冷卻水入口和出口的溫度。最后，基于模型的控制器的結構，如圖6所示。

圖6 控制器結構框圖Fig.6 Controller Structure Diagram

4 結果分析

以電堆冷卻水入口和出口的溫度差作為優化策略的目標，是要保證溫差在允許范圍內，同時電堆入口的溫度不能超過允許的范圍。以電堆冷卻液入口溫度、出口溫度以及風扇的轉速作為約束條件進行優化。當環境溫度為30℃時，優化后電堆冷卻系統的動態仿真結果，如圖7所示。

圖7 熱管理系統Fig.7 Thermal Management System

前450s內風扇不開啟，PEMFC發動機開始工作并加載100A電流。這時，電池堆開始釋放熱量，導致電池堆溫度逐漸上升，冷卻液的溫度也隨之升高；繼續將電堆電流增加到200A，當電堆入口的溫度升高到62℃時大循環開啟，電堆的入口溫度控制在70℃上下，電堆入口和出口的溫差控制在10℃以內，控制效果滿足實際工作需求。此外，考慮到水泵的大慣性，為了便于控制，水泵采用檔位控制策略而冷卻風扇則采用無級變速，控制器顯示出令人滿意的性能控制。通過對比，新的控制方法溫度波動明顯得到了改善，從而提高了電堆內部溫度的沖擊，提高了電堆的使用壽命。

將設計的控制器嵌入到測試臺控制單元中進行實驗以驗證控制策略的可靠性。對冷卻系統的熱平衡誤差進行了對比，對比結果，如圖8所示。其中橫坐標為試驗值，縱坐標為仿真結果，經計算誤差在[-10%，+10%]范圍內，用于評價預測精度的平均誤差小于3%，誤差控制在可接受的范圍內，所以熱管理系統仿真模型和仿真結果是準確和有效可靠。

圖8 熱平衡對比結果Fig.8 Comparison of Thermal Balance

控制策略優化前后風扇的工作狀態實車路試結果，如圖9所示。采用新的控制器之后風扇開關狀態較之前明顯變得更加均勻，證明新設計的控制器工作效果良好，較好的控制電堆溫度的波動。

圖9 優化前后風扇開關狀態對比Fig.9 Comparison of Fan Switching Status Before and After Optimization

5 結束語

為了提高大功率燃料電池的運行效率、保障其運行安全，對其熱管理系統進行了研究。在Amesim 軟件中建立了冷卻系統的一維仿真模型，并實現了與Matlab 進行聯合仿真。以車用質子交換膜燃料電池溫度控制系統為研究對象，采用了LQR方法進行反饋控制，主要結論為：

（1）在電堆不同的電流電壓和不同的目標溫度下，出堆水溫都較好地跟隨了目標水溫，模型與實驗值誤差均在10%以內，控制電堆出入口的溫差在10℃以內。

（2）采用新的控制器之后風扇開關狀態較之前明顯變得更加均勻，成功實現了溫度波動的控制，溫度的波動控制在±0.5℃以內。