應用LADRC的車用質(zhì)子交換膜燃料電池溫濕度控制優(yōu)化研究

井緒寶,劉叢浩,郭 宇,蔡思遠

(遼寧工業(yè)大學 汽車與交通工程學院, 遼寧 錦州 121000)

0 引言

隨著經(jīng)濟的發(fā)展,傳統(tǒng)不可再生能源的使用增多,排放的污染氣體對環(huán)境造成了嚴重的影響,特別是在經(jīng)濟快速發(fā)展的地區(qū)和國家[1]。面對日益嚴峻的環(huán)境問題以及能源短缺問題,許多汽車制造廠家已經(jīng)開始尋找其他能源來替代傳統(tǒng)燃油。燃料電池通過能量轉(zhuǎn)換進行發(fā)電過程中不需要進行燃燒,雖然整個過程較為復雜,但是沒有造成排放污染問題,具有清潔無污染、環(huán)境友好、效率高等優(yōu)點,成為未來清潔能源汽車的發(fā)展方向之一[2]。但是,質(zhì)子交換膜燃料電池(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)需要較低的運行溫度(60～80 ℃),一旦電池處于不適當?shù)墓ぷ鳒囟?就會導致各種問題發(fā)生,如比較常見的質(zhì)子交換膜電池“膜干燥”以及“水淹”問題。

溫度是燃料電池性能的重要影響因素之一[3-5],當電堆溫度穩(wěn)定在60～80 ℃ 時,質(zhì)子交換膜燃料電池的能效可達40%～60%[6]。當電堆的工作溫度過低時,因電堆內(nèi)部的阻抗增加,導致燃料電池的能效降低;而工作溫度過高時,又會使質(zhì)子交換膜脫水,嚴重情況會損壞電池內(nèi)部結構。因此,為了保持穩(wěn)定的工作溫度,有必要通過熱管理系統(tǒng)對電堆的熱量進行控制。

水管理同樣是保證電池能效的重要措施[7-11],如果膜的含水量過低,會使膜對質(zhì)子的阻力增加,而當膜的含水量過高,會導致存在太多的液態(tài)水,形成兩極氣體濃度差,從而嚴重影響燃料電池的性能。

Jang等[12]發(fā)現(xiàn)氣體加濕溫度、電池溫度和氣體流速是影響燃料電池性能的關鍵操作條件。Lobato等[13]發(fā)現(xiàn)電堆的性能與溫度相關,過高的溫度會導致質(zhì)子交換膜干燥甚至脫水。Strahl等[14]針對電池的溫濕度開發(fā)了一種性能優(yōu)異的控制器,用于PEMFC系統(tǒng)的進一步溫度和濕度控制研究。Raman等[15]設計了一種控制策略,進行準確的濕度控制,通過保持加濕來避免干燥和浸水。Ou等[16]構造了一種五輸入、兩輸出的模糊邏輯控制器,用于實時調(diào)節(jié)開陰極燃料電池的溫度和相對濕度。張寧等[17]提出了一種模糊規(guī)則的容錯控制策略,以緩解膜干和水淹故障。

通過上述分析可以得知,區(qū)別于其他電池,對于燃料電池溫度、濕度雙重控制會更好地改善燃料電池的能效。主要應用LMS AMESim仿真軟件建立了一個車用燃料電池系統(tǒng)的綜合模型,用于分析燃料電池車輛的質(zhì)子交換膜燃料電池組的性能。并使用Matlab-Simulink搭建了一種基于線性自抗擾(linear active disturbances rejection controller,LADRC)算法的模型,通過調(diào)節(jié)冷卻水泵轉(zhuǎn)速以及濕度調(diào)節(jié)器來對燃料電池電堆溫濕度進行控制,模擬并研究了在LADRC控制下PEMFC的動態(tài)特性。

1 燃料電池系統(tǒng)建模

PEMFC系統(tǒng)是由多個子系統(tǒng)構成的復雜系統(tǒng)。圖1為簡單PEMFC 系統(tǒng)結構框圖。供氣系統(tǒng)包括氧氣供給子系統(tǒng)、氫氣供給子系統(tǒng),其中氫氣供給子系統(tǒng)將高壓氫氣罐中的氫氣減壓處理后輸送至電堆處,氧氣供給子系統(tǒng)通過空壓機將空氣壓縮至一定壓力后,送至加濕器中進行濕度調(diào)節(jié)處理,然后將壓力、濕度合適的空氣送入電堆。燃料電池電堆發(fā)生反應所產(chǎn)生的電能會通過DC/DC轉(zhuǎn)換器后連接驅(qū)動電機提供動力。而燃料電池電堆在發(fā)電過程中所積累的大量熱量會通過冷卻液傳遞至散熱器處進行冷卻處理。

1.1 燃料電池模型

PEMFC系統(tǒng)的主要部件是陽極、氣體擴散層、質(zhì)子交換膜、陰極和催化劑層,如圖2所示。單個燃料電池的電壓通常在1.2 V左右。通常情況下燃料電池汽車中所使用的電池組會由數(shù)百個單個電池組成,以獲得足夠的電壓和功率。

圖2 質(zhì)子交換膜燃料電池體積示意圖

燃料電池的實際輸出電壓主要由4部分組成:ENernst、Vact、Vcons和Vohm。電壓計算如下:

Ucell=ENernst-Vact-Vcons-Vohm

(1)

式中:Ucell為燃料電池輸出電壓;ENernst為能斯特開路電壓;Vact為電池活化電壓損失;Vcons為電池濃度電壓損失;Vohm為電池歐姆電壓損失。

1)Vact電池活化電壓損失是指移動電子在陰極和陽極之間形成化學鍵的過程中產(chǎn)生的電壓損失。可以表示為:

(2)

式中:R為氣體常數(shù),取值8.314 5(J/(mol·K));T為電堆溫度;n為參與反應的電子數(shù),此處取值為2;F為法拉第常數(shù),96 485.341 5(C/mol);α為電荷轉(zhuǎn)移系數(shù);Jstack為電堆電流密度(mA/cm2);Jn為內(nèi)部電流密度(mA/cm2);J0為交換電流密度(mA/cm2)。

2)Vohm電池歐姆電壓損失是由于PEM對電池的歐姆電阻所引起的電壓損失,可表示為:

(3)

3)Vcons電池濃度電壓損失是指在電化學反應中陰陽極反應物消耗時由于反應物濃度縮小所產(chǎn)生的電壓損失。

(4)

式中:B為濃度壓降系數(shù)(V);Jstack為電堆電流密度(mA/cm2);J1為極限電流密度(mA/cm2)。

1.2 LMS AMESim模型

LMS AMESim可以建立復雜的涉及多學科領域的模型,并且可對復雜系統(tǒng)的瞬態(tài)以及動態(tài)特性進行研究。使用真實數(shù)據(jù)進行燃料電池系統(tǒng)及其水熱管理系統(tǒng)進行建模,較為真實地反應系統(tǒng)各項性能,為燃料電池系統(tǒng)的水熱管理提供一定的指導。因此,使用LMS AMESim平臺建立燃料電池系統(tǒng)的功能模型。表1為燃料電池系統(tǒng)模型主要部件參數(shù)。

表1 燃料電池系統(tǒng)模型主要部件參數(shù)

續(xù)表(表1)

燃料電池電堆在運行時不斷積累熱量,導致電池溫度上升,其中熱量組成為電池中電化學反應產(chǎn)生的熱量、歐姆極化產(chǎn)生的熱量、增濕氣體攜帶的熱量以及外部環(huán)境的熱量。質(zhì)子交換膜燃料電池的適宜工作溫度在60～80 ℃,因此,一個高效的水熱管理系統(tǒng)對于燃料電池系統(tǒng)至關重要。圖3為質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)的一維仿真模型示意圖,模型中包括許多模塊部件,由上至下,分別為駕駛員模型、車輛模型、燃料電池電堆模型、氫氣供給系統(tǒng)模型、氧氣供給系統(tǒng)模型、控制模塊以及冷卻系統(tǒng)模型等。

圖3 質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)的一維仿真模型示意圖

駕駛員及車輛模型用于模擬駕駛員的加速以及制動等指令,以實現(xiàn)各個工況場景,在模塊的參數(shù)定義中可以選擇循環(huán)工況等,車輛的速度取決于整車質(zhì)量、電機扭矩、阻力等因素。氫氣供給系統(tǒng)通過氫氣罐以及壓力調(diào)節(jié)裝置為電堆提供氫氣,其中使用泵將陽極出口處的氣體再次循環(huán)到入口處,考慮到陽極流道內(nèi)氫氣濃度問題,設置了凈化閥裝置,進行簡單的反饋控制,超過設定閾值上限,閥門打開進行調(diào)節(jié),達到閾值下限,關閉閥門。氧氣供給系統(tǒng)通過將空氣進行空壓機增壓,通過濕度調(diào)節(jié)器改變濕度等操作后為電堆反應提供壓力濕度適宜的氧氣。針對空氣的質(zhì)量流量問題,考慮到微分器對于噪聲的敏感性,選擇PI控制器,根據(jù)牽引電機的電流,對所需的氧氣摩爾質(zhì)量進行推導,再通過對牽引電機電壓的控制改變空壓機的轉(zhuǎn)速進而達到持續(xù)提供適量氧氣的目的。冷卻系統(tǒng)中設有泵對冷卻液的流速進行控制,當冷卻液與電堆進行熱交換后,冷卻液的溫度達到閾值時冷卻風扇啟動、恒溫器開啟,冷卻系統(tǒng)進行散熱。

2 控制策略

線性自抗擾控制(LADRC)是從傳統(tǒng)PID控制發(fā)展出來的一種優(yōu)秀的控制方法。在LADRC控制器的控制下,可以將不確定性集中為總干擾,通過實時分析輸入和輸出數(shù)據(jù)進行補償,因此,即使在實時動態(tài)過程中出現(xiàn)干擾的情況下,LADRC控制器的控制和跟蹤性能也可以對結果的準確度提供保障。

溫度與濕度對于PEMFC電堆的性能影響巨大,適宜的溫濕度會使PEMFC電堆的能效得到顯著提高,并且可以有效地提高PEMFC系統(tǒng)的安全性。但是,PEMFC 是一個動態(tài)系統(tǒng),整體系統(tǒng)參數(shù)復雜,不確定性多(如溫度、參數(shù)、負載的變化等)。針對此問題,需要一種可以估計、消除干擾的方法,才能更好地針對電堆的溫濕度進行控制。所以在Matlab-Simulink中建立了基于LADRC的控制器并與LMS AMESim進行聯(lián)合仿真分析來對電堆的溫濕度進行控制優(yōu)化。

LADRC控制器主要由跟蹤微分器(TD)、擴展狀態(tài)觀測器(ESO)和線性狀態(tài)誤差反饋器(LSEF)組成。它們的共同作用可以有效地減少系統(tǒng)超調(diào),并且有很強的抗干擾能力和適應性。圖4是LADRC控制器結構示意圖。

圖4 LADRC控制器結構示意圖

圖4中,控制器輸入V為目標溫度,輸出y為系統(tǒng)的溫度。為了更好地解決超調(diào)和響應時間之間的矛盾,LADRC使用TD對目標溫度進行過渡過程V1及V2。ESO是控制器中的重要部分,它使控制器具有干擾追蹤以及補償?shù)哪芰?使用輸出y以及調(diào)整量U進行擾動的估計,并以它們作為輸入,得到Z1、Z2、Z3信號輸出。其中,Z1為V1的跟蹤信號、Z2為V2的跟蹤信號以及Z3作為擾動補償信號。e1、e2作為LESF的輸入通過內(nèi)部計算輸出U0,再與Z3進行計算,進而實現(xiàn)了對系統(tǒng)的控制。

3 結果分析

為了更加真實地反應燃料電池車輛在道路上的運行狀態(tài),選擇在新歐洲駕駛循環(huán)(NEDC)工況下進行仿真測試,測試結果如圖5所示。NEDC工況包括4個城市道路狀況和1個高速道路狀況階段,可以較為全面地觀察車輛的不同道路狀況的各個狀態(tài)。

圖5 NEDC工況與模型車速仿真曲線

從圖5中可以看出,車輛模型的車速與NEDC的車速請求基本一致,可以得出所建立模型的準確性,達到速度和加速度的目標要求。圖6是散熱器出口溫度曲線。隨著燃料電池功率的增加,燃料電池溫度也隨著升高,通過改變電機電壓進而對冷卻水泵轉(zhuǎn)速進行控制。圖6中紅色曲線(使用PID算法)相對于黑色曲線(設定值)平緩,對波動控制較好,而藍色曲線(使用LADRC算法)則更為穩(wěn)定地控制冷卻水的溫度。實驗結果表明:LADRC相較于PID具有更好的性能。

圖6 散熱器出口溫度

燃料電池的適宜工作溫度在60～80 ℃。圖7為NEDC工作條件下使用LADRC策略進行控制的燃料電池電堆出入口溫度。可以得到,在系統(tǒng)需求功率不斷變化的情況下,電堆的入口溫度可以很好地控制在60 ℃附近,并且電堆進出口溫差也有效地控制在5 ℃以內(nèi),符合要求。

圖7 電堆出入口溫度

燃料電池陰極相對濕度應在30%～90%。圖8為在NEDC工況下,使用LADRC控制策略對PEMFC系統(tǒng)中濕度調(diào)節(jié)器進行控制得到的燃料電池陰極相對濕度曲線,圖中陰極平均相對濕度在60%,該濕度符合燃料電池適宜工作條件。

圖8 陰極相對濕度

圖9為NEDC工況下設定值、PID控制算法、LADRC控制算法各自的PEMFC輸出電壓結果。從圖9可以看出,LADRC的性能要優(yōu)于PID,優(yōu)于設定值,這體現(xiàn)在LADRC的輸出電壓更高,使用LADRC控制燃料電池的輸出電壓相較于初始設定值提升2.08%。

圖9 PEMFC輸出電壓

4 結論

1) 根據(jù)某燃料電池汽車燃料電池系統(tǒng)進行建模,考慮到溫度和濕度的相互影響,可為燃料電池水熱管理系統(tǒng)研究提供參考。

2) 搭建了一種LADRC控制算法,其相較于PID算法以及數(shù)值設定具有更好的動態(tài)性能。在NEDC工況下進行測試,水熱管理系統(tǒng)可以滿足該工況下的加速、減速、勻速狀態(tài)的散熱需求。

3) 對于整車功率不斷變化的情況仍能保持PEMFC溫濕度在適宜的工作區(qū)間,有利于燃料電池的長期穩(wěn)定運行。