高溫甲醇燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)設(shè)計(jì)

李毅，袁永熠，2，廖中亮

（1湘潭大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖南湘潭411105；2蘇州浩擎新能源科技有限公司，江蘇蘇州215131）

甲醇燃料電池由于其能量密度高，電池性能穩(wěn)定，燃料易于儲(chǔ)存運(yùn)輸，在車輛、船舶、電力等領(lǐng)域應(yīng)用前景廣泛，得到了國(guó)家的政策支持。實(shí)驗(yàn)表明，溫度對(duì)甲醇燃料電池的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能具有明顯影響，電池穩(wěn)態(tài)性能和對(duì)于負(fù)載的動(dòng)態(tài)響應(yīng)隨著電池溫度升高而提升，而溫度過高或過低都將直接導(dǎo)致電池性能惡化[1]。因此，配備穩(wěn)定有效的熱管理系統(tǒng)對(duì)燃料電池性能及使用壽命的提升十分重要[2-5]。

關(guān)于燃料電池溫度控制策略，有文獻(xiàn)提出了將模糊PID控制與模糊控制分別用于外部循環(huán)和內(nèi)部循環(huán)的控制方法，總體溫度偏差約為4℃[6]。另有學(xué)者提出了基于遞歸模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的溫度控制策略，使用四層網(wǎng)絡(luò)連接結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)模糊推理，具有較好的跟蹤性能，需35s 達(dá)到穩(wěn)態(tài)[7]。此類智能控制算法具有較好的控制精度及跟蹤性，但由于算法結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，工程實(shí)際中很難保證其實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性，暫不能滿足本文所針對(duì)的高溫甲醇燃料電池系統(tǒng)工程應(yīng)用要求。此前某型號(hào)高溫甲醇燃料電池模塊主要根據(jù)實(shí)時(shí)過熱量進(jìn)行風(fēng)扇轉(zhuǎn)速控制，控制效率滯后，溫度波動(dòng)范圍較大，冷卻系統(tǒng)采用肋板式風(fēng)冷散熱結(jié)構(gòu)，存在結(jié)構(gòu)笨重、換熱效率低等問題。

針對(duì)上述問題，基于Matlab/Simulink平臺(tái)提出了針對(duì)某高溫甲醇?xì)淙剂蠁坞姵啬K的熱管理系統(tǒng)控制擬合簡(jiǎn)化方程算法，在保證控溫精度的前提下，最大限度簡(jiǎn)化控制系統(tǒng)計(jì)算模型，使其能廣泛應(yīng)用于工程實(shí)際。同時(shí)對(duì)冷卻系統(tǒng)換熱器進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，采用緊湊的板翅式換熱器結(jié)構(gòu)，集成PTC加熱模塊，提升電池冷啟動(dòng)特性。

1 熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 整體方案

該燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)設(shè)計(jì)要求滿足3.5kW散熱功率，集成PTC電加熱模塊縮短冷啟動(dòng)時(shí)間，風(fēng)扇和泵采用智能控制，溫度控制精度要求±2℃，介質(zhì)進(jìn)出口溫差小于10℃，利用高溫余熱對(duì)甲醇燃料進(jìn)行預(yù)熱。

基于上述要求，針對(duì)該電池進(jìn)行了熱管理系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)，整體方案包括內(nèi)、外雙循環(huán)回路，內(nèi)循環(huán)回路主要功能是甲醇燃料的預(yù)熱汽化重整制氫，外循環(huán)回路的主要功能是智能冷卻精確控溫，穩(wěn)定燃料電池電堆的工作溫度，如圖1所示。

1.2 控制算法

采用了一種基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臄M合簡(jiǎn)化方程算法，先根據(jù)實(shí)測(cè)試驗(yàn)和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)建立經(jīng)驗(yàn)計(jì)算模型，標(biāo)定燃料電池不同輸出功率時(shí)的產(chǎn)熱曲線和風(fēng)扇、泵等部件的理想控制曲線，后將風(fēng)扇、泵等部件的理想控制曲線使用一元對(duì)數(shù)函數(shù)、二次函數(shù)等簡(jiǎn)單函數(shù)進(jìn)行擬合，同時(shí)根據(jù)燃料電池的實(shí)時(shí)輸出進(jìn)行產(chǎn)熱量的預(yù)計(jì)算，實(shí)現(xiàn)溫度控制預(yù)判并提前給出控制量，以此縮短溫度控制響應(yīng)時(shí)間，保證溫度控制的精確性與時(shí)效性。此控制策略的設(shè)計(jì)理念是在保證控溫精度的前提下最大限度簡(jiǎn)化控制系統(tǒng)計(jì)算模型，使其能廣泛應(yīng)用于工程實(shí)際?？刂扑惴ㄔO(shè)計(jì)原理如圖2所示。

基于上文分析，電池輸出功率、溫度傳感器和壓力傳感器采集溫度信號(hào)作為實(shí)時(shí)輸入，控制系統(tǒng)根據(jù)各傳感器數(shù)值及溫度預(yù)判對(duì)電子風(fēng)扇和循環(huán)水泵進(jìn)行PWM控制，真正實(shí)現(xiàn)冷卻系統(tǒng)按需而工作，滿足燃料電池溫控條件的同時(shí)盡可能減少能量損耗。系統(tǒng)控制邏輯如圖3所示。此控制策略以極簡(jiǎn)化運(yùn)算為設(shè)計(jì)思想，相較模糊PID、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等智能算法，雖對(duì)于復(fù)雜工況的溫度跟蹤性較弱，但數(shù)學(xué)模型運(yùn)算量小，系統(tǒng)響應(yīng)更為迅速，適用于工況較為穩(wěn)定的電池系統(tǒng)。

圖1 燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)整體方案簡(jiǎn)圖

圖2 燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)擬合簡(jiǎn)化方程算法原理圖

1.3 基于Matlab/Simulink平臺(tái)的設(shè)計(jì)仿真

根據(jù)所提出的熱管理系統(tǒng)控制邏輯，基于Matlab/Simulink 平臺(tái)建立了熱管理系統(tǒng)控制算法模型，主要模塊有風(fēng)扇控制模塊（fan）、電子離心泵PWM 計(jì)算模塊（bump）、燃料電池產(chǎn)熱計(jì)算模塊（FC HEAT）、散熱量計(jì)算函數(shù)以及溫度積分模塊和溫差計(jì)算自定義函數(shù)模塊，如圖4所示。

先通過燃料電池?zé)峤粨Q模型計(jì)算燃料電池在不同輸出功率下的冷卻系統(tǒng)余熱，再由風(fēng)冷板翅式換熱器傳熱理論公式得出各工況下所需的空氣質(zhì)量流速，根據(jù)風(fēng)扇性能曲線反推得到風(fēng)扇PWM 理想控制曲線。擬合得到簡(jiǎn)化的風(fēng)扇PWM 控制方程經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，見?1)。

擬合優(yōu)度判定系數(shù)：R2=0.9865。

式中，y為風(fēng)扇控制占空比；x為電池輸出功率值，kW。

當(dāng)溫度輸入大于等于163℃時(shí)風(fēng)扇啟動(dòng)，風(fēng)扇PWM 控制函數(shù)調(diào)整風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，并對(duì)風(fēng)扇性能曲線進(jìn)行擬合計(jì)算，如圖5所示。

風(fēng)扇PWM控制函數(shù)見式(2)。

式中，f(t)表示風(fēng)扇關(guān)于溫度信號(hào)的控制函數(shù)，f(t)≥0；t為溫度信號(hào)值，t≥163。

實(shí)際系統(tǒng)中離心泵PWM 參數(shù)由壓力傳感器信號(hào)作為輸入進(jìn)行計(jì)算調(diào)整，使系統(tǒng)穩(wěn)定在某一工作壓力，在仿真模型中按實(shí)際運(yùn)行過程中不同時(shí)段的壓力要求，給定時(shí)間信號(hào)作為輸入。電子離心泵PWM計(jì)算模塊如圖6所示，泵速調(diào)整函數(shù)見式(3)。

式中，f(p)表示離心泵關(guān)于壓力信號(hào)的PWM值；p為壓力傳感器信號(hào)值。

該系統(tǒng)的電化學(xué)反應(yīng)熱與極化熱之和可通過測(cè)得燃料電池I-V曲線，利用式(1)[8]求得式(4)。

圖3 燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)控制邏輯框圖

圖4 燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)控制算法模型

圖5 風(fēng)扇控制模塊圖

圖6 電子離心泵PWM計(jì)算模塊圖（bump）

圖7 燃料電池產(chǎn)熱計(jì)算模塊圖

式中，Itotal為電池電流，A；Voutput為電池輸出電壓，V；N為電池?cái)?shù)目，本系統(tǒng)為單電堆熱管理系統(tǒng)，因此N=1。

將電池電流、輸出電壓信號(hào)根據(jù)實(shí)際工況用時(shí)間輸入代替，并計(jì)算求得產(chǎn)熱量ΔQ?？紤]高溫燃料電池輻射熱損失，根據(jù)不同環(huán)境將所得值乘以修正系數(shù)（此為0.8），得到燃料電池冷卻系統(tǒng)需求散熱功率q。燃料電池產(chǎn)熱計(jì)算模塊見圖7。

2 換熱器設(shè)計(jì)

2.1 換熱器結(jié)構(gòu)

此前采用的換熱器結(jié)構(gòu)多為肋板式結(jié)構(gòu)，體積和質(zhì)量大，且介質(zhì)容積大，不利于快速預(yù)熱。本系統(tǒng)散熱器為板翅式平行流散熱器，見圖8。散熱器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)匹配燃料電池系統(tǒng)進(jìn)出口，質(zhì)量體積較之前大幅減小，散熱容積盡量減小并配置6 根180W電加熱棒實(shí)現(xiàn)開機(jī)快速升溫，具體參數(shù)如表1所示。

表1 原換熱器方案與優(yōu)化方案參數(shù)對(duì)比

左右水室均為異型型腔如圖9、圖10所示，電加熱棒安裝塊采用弧形設(shè)計(jì)，增大與熱側(cè)流體介質(zhì)接觸面積，優(yōu)化介質(zhì)流場(chǎng)。此系統(tǒng)工作溫度高（介質(zhì)溫度160℃以上），散熱系統(tǒng)內(nèi)若殘留空氣無法排出，經(jīng)受熱膨脹形成氣泡進(jìn)入介質(zhì)循環(huán)回路，會(huì)導(dǎo)致泵壓力下降，使電池系統(tǒng)工作停止，因此進(jìn)出水室型腔均設(shè)置為有利于氣泡排出的斜面。同時(shí)集成了PTC 電加熱棒安裝模塊，有利于電池預(yù)熱快速升溫。

圖8 原方案與新方案換熱器結(jié)構(gòu)對(duì)比圖

圖9 進(jìn)水水室型腔

圖10 出水水室型腔

2.2 換熱器傳熱計(jì)算

本系統(tǒng)中冷側(cè)介質(zhì)為空氣，熱側(cè)介質(zhì)為三乙二醇。利用H2O 熱力學(xué)性質(zhì)的統(tǒng)一基本方程[9]、IAWPS 公式[10]結(jié)合AP1700 網(wǎng)站MARS 模型求解得該系統(tǒng)中冷、熱側(cè)介質(zhì)的物性參數(shù)。

設(shè)計(jì)換熱器冷熱側(cè)f因子、j因子經(jīng)驗(yàn)公式參考文獻(xiàn)中的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)公式[11-12]分別見式(5)～式(8)。

式中，fh為熱側(cè)流體阻力因子；jh為熱側(cè)流體傳熱因子；de為熱側(cè)流體當(dāng)量直徑，m；α為換熱器熱側(cè)波高與壁厚差值，m；Re為熱側(cè)流體雷諾數(shù)。

式中，fc為冷側(cè)流體阻力因子；jc為冷側(cè)流體傳熱因子；De為冷側(cè)流體當(dāng)量直徑，m；Ld為換熱器芯體厚度，m；Fh為換熱器冷側(cè)波高，m；δ為換熱器冷側(cè)帶材壁厚，m；Re為冷側(cè)流體雷諾數(shù)。

根據(jù)傳熱學(xué)基本原理及公式計(jì)算換熱器在不同風(fēng)量下的設(shè)計(jì)換熱量，并得到換熱器與風(fēng)量相關(guān)的換熱性能曲線如圖11所示。

圖11 換熱器性能曲線

根據(jù)圖11 換熱器性能曲線擬合換熱器散熱量Q（kW）計(jì)算方程，見式(9)。

式中，qc為風(fēng)量，m3/s。

3 裝機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

3.1 試驗(yàn)平臺(tái)介紹

所搭建的試驗(yàn)平臺(tái)見圖12，主要包括電池安裝臺(tái)架、5kW 甲醇重整燃料電池單元模塊、電控系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、電池輸出負(fù)載調(diào)節(jié)系統(tǒng)和電池監(jiān)控系統(tǒng)。電池安裝臺(tái)架為鋁合金框架結(jié)構(gòu)，整體結(jié)構(gòu)分為3層，上層為電控系統(tǒng)電路板安裝；中層為燃料電池重整室、燃燒室、電堆等系統(tǒng)安裝；下層為冷卻系統(tǒng)的安裝。

電池運(yùn)行試驗(yàn)方法是將各模塊安裝好之后開機(jī)，根據(jù)電池監(jiān)控系統(tǒng)顯示的溫度、壓力等參數(shù)通過負(fù)載調(diào)節(jié)系統(tǒng)對(duì)電池進(jìn)行自動(dòng)或手動(dòng)搭載，電池運(yùn)行時(shí)通過電池監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控各關(guān)鍵部位進(jìn)出口的溫度傳感器、壓力傳感器采集信號(hào)，數(shù)據(jù)采集時(shí)間間隔為2s。

圖12 燃料電池試驗(yàn)平臺(tái)簡(jiǎn)圖

3.2 仿真溫度曲線與實(shí)測(cè)溫度曲線對(duì)比

利用搭建的Matlab/Simulink系統(tǒng)模型進(jìn)行控制系統(tǒng)仿真運(yùn)行試驗(yàn)，得到熱側(cè)介質(zhì)溫度曲線與電池實(shí)際工作熱側(cè)介質(zhì)曲線如圖13 所示。仿真系統(tǒng)中穩(wěn)定工況溫度設(shè)定為163℃，迭代運(yùn)算中溫度收斂于165.1℃。在此次實(shí)測(cè)中，溫度穩(wěn)定于163.5～165.5℃，實(shí)測(cè)溫度誤差基本可以穩(wěn)定維持在±2℃以內(nèi)，但仍然存在溫度振蕩幅度較大區(qū)域；電加熱棒的局部加熱作用使得電池預(yù)熱時(shí)間短于預(yù)期值；實(shí)測(cè)溫度趨勢(shì)基本與系統(tǒng)仿真結(jié)果相同，因此該控制系統(tǒng)算法及仿真過程具有設(shè)計(jì)參考價(jià)值。

3.3 熱管理系統(tǒng)優(yōu)化前后溫度曲線對(duì)比

圖13 仿真溫度曲線與實(shí)測(cè)溫度曲線對(duì)比圖

圖14 原熱管理系統(tǒng)與新熱管理系統(tǒng)溫度曲線對(duì)比圖

圖14 為電池原熱管理系統(tǒng)（肋板換熱器的被動(dòng)風(fēng)冷）與熱管理系統(tǒng)（能量綜合管理+智能冷卻）的溫度性能對(duì)比圖。該燃料電池系統(tǒng)在介質(zhì)溫度125℃以上時(shí)開始小功率發(fā)電，由圖可以看出，原換熱器結(jié)構(gòu)電池預(yù)熱時(shí)間為2336s，優(yōu)化換熱器結(jié)構(gòu)后電池預(yù)熱時(shí)間為1658s，電池預(yù)熱時(shí)間縮短了678s。

3.4 換熱器溫度均勻性測(cè)試

本系統(tǒng)散熱器集成了電加熱裝置，進(jìn)出口兩側(cè)每側(cè)3根電加熱棒，熱源比較集中，因此在進(jìn)出口型腔內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮加熱棒向介質(zhì)的傳熱效率，避免局部溫度過高引起的局部沸騰，同時(shí)也更為合理地利用能量，防止電能浪費(fèi)。

本系統(tǒng)要求三乙二醇換熱器進(jìn)出口溫差控制在10℃以內(nèi)，實(shí)測(cè)三乙二醇進(jìn)出口溫差如圖15所示，可以看出在一般工況下可以滿足系統(tǒng)要求，但是在電池較長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行時(shí)進(jìn)出口溫差最大為12.5℃，因此對(duì)介質(zhì)的流量控制函數(shù)是今后系統(tǒng)進(jìn)一步優(yōu)化的關(guān)鍵問題。

圖15 換熱器進(jìn)出口介質(zhì)溫差曲線圖

為了更準(zhǔn)確地測(cè)量散熱器從開始預(yù)熱到電加熱停止過程中實(shí)際溫度分布數(shù)據(jù)，在散熱器進(jìn)口側(cè)、出口側(cè)外壁中點(diǎn)及散熱器芯體4 個(gè)點(diǎn)（A、B、C、D）上布置了熱電偶測(cè)量壁面溫度，如圖16所示。

實(shí)測(cè)溫度數(shù)據(jù)折線圖如圖17 所示，橫坐標(biāo)為當(dāng)天實(shí)際時(shí)間，縱坐標(biāo)為溫度值（℃）。

圖16 散熱器熱電偶分布位置示意圖

圖17 各點(diǎn)實(shí)測(cè)溫度隨時(shí)間變化折線圖

散熱器芯體幾乎沒有溫差，A、B、C、D各點(diǎn)溫度曲線基本重合，說明流道設(shè)計(jì)較為合理，未出現(xiàn)流道阻塞，各內(nèi)流道介質(zhì)流量與流速一致性高。加熱2160s時(shí)停止加熱。由圖17可以看出，在介質(zhì)溫度較低時(shí)，加熱棒具有較好的加熱效果，當(dāng)進(jìn)液端壁面溫度達(dá)到100℃時(shí)，溫度上升速度開始變慢。根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果，壁面溫度達(dá)到180℃時(shí)系統(tǒng)加熱停止，此時(shí)介質(zhì)溫度為125～128℃，可以估算加熱時(shí)外壁面溫度與介質(zhì)溫度差值約為50℃。當(dāng)外壁溫度達(dá)到100℃時(shí)，介質(zhì)溫度約為50℃，實(shí)測(cè)電堆散熱器工作環(huán)境溫度為50℃，因此當(dāng)介質(zhì)高于環(huán)境溫度時(shí)，散熱器本身會(huì)造成一定程度的熱量損失。今后的優(yōu)化方向可以以此為考慮重點(diǎn)，通過增加一個(gè)加熱回路的方式將電加熱裝置獨(dú)立于散熱器之外，可以有效防止熱量損失，進(jìn)一步縮短電堆預(yù)熱時(shí)間，提高能量利用效率。

4 結(jié)論

（1）所提出的熱管理系統(tǒng)控制方法在本系統(tǒng)中可以實(shí)現(xiàn)有效地控制介質(zhì)溫度，滿足系統(tǒng)進(jìn)出口溫差及溫度穩(wěn)定性需求，縮短系統(tǒng)冷啟動(dòng)預(yù)熱時(shí)間，可為今后熱管理系統(tǒng)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

（2）基于Matlab/Simulink 的熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相比，結(jié)果表明，冷卻介質(zhì)溫度趨勢(shì)基本相同，溫度誤差在±2℃以內(nèi)，達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

（3）板翅式平行流換熱器相較于肋板式換熱結(jié)構(gòu)具有明顯性能優(yōu)勢(shì)，且避免溫度分布均勻，進(jìn)出口溫度一致性高，是目前單模塊燃料電池理想的換熱結(jié)構(gòu)。

（4）電加熱系統(tǒng)集成到散熱系統(tǒng)會(huì)帶來隨著溫度升高溫升速度變慢的問題。因此，雙回路（加熱回路、冷卻回路）系統(tǒng)將成為今后燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的主要解決方案。