質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)溫度穩(wěn)定性控制研究

謝義淳　鄭麗萍　賴(lài)聯(lián)鋒　郭瑋韡　林玉祥

摘 要：質(zhì)子交換膜燃料電池溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)以滿(mǎn)足高環(huán)境溫度和高負(fù)載等極端工況下的散熱需求為目標(biāo)，常忽略了在低溫以及低負(fù)載下溫度控制的穩(wěn)定性;為了提高在低環(huán)境溫度下、低負(fù)載下溫度控制系統(tǒng)對(duì)燃料電池溫度控制的穩(wěn)定性，在傳統(tǒng)的PID控制的基礎(chǔ)上，改進(jìn)了控制策略，有效提升了燃料電池在低環(huán)境下低負(fù)載時(shí)溫度的穩(wěn)定性，對(duì)提高燃料電池性能與耐久性有積極影響。

關(guān)鍵詞：燃料電池 控制 溫度 穩(wěn)定性

1 引言

以煤和石油為主的化石燃料作為驅(qū)動(dòng)工業(yè)社會(huì)發(fā)展的主要能源被大量使用，導(dǎo)致了嚴(yán)重的環(huán)境污染問(wèn)題和自然資源被過(guò)度開(kāi)采，所以尋求一種高效、潔凈的新能源已經(jīng)成為全世界的共同目標(biāo)。燃料電池由于具有高轉(zhuǎn)換效率、低污染、低排放而備受關(guān)注。

質(zhì)子交換膜燃料電池是燃料電池中最常見(jiàn)的類(lèi)型，質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）的電解質(zhì)是一種能夠傳導(dǎo)質(zhì)子的固體聚合物，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通常以氫氣作為燃料，工作溫度為60～80℃，具有功率密度高、啟動(dòng)時(shí)間快、效率高、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為目前最有希望取代內(nèi)燃機(jī)作為汽車(chē)動(dòng)力的能源1;溫度對(duì)質(zhì)子交換膜燃料電池的性能有非常重要的影響，燃料電池電堆工作溫度直接影響催化劑的催化活性以及CO耐受能力，同時(shí)還影響燃料電池內(nèi)部的濕度、質(zhì)子交換膜電導(dǎo)率、膜電極含水量等，這些因素直接關(guān)系的燃料電池的可靠性、穩(wěn)定性和安全性，所以控制質(zhì)子交換膜燃料電池在合理的溫度范圍內(nèi)運(yùn)行，并且避免溫度出現(xiàn)較大幅度的波動(dòng)尤為重要2。劉洋等3建立了燃料電池?zé)峁芾砟Ｐ?，設(shè)計(jì)了基于模糊-PID 算法的控制策略對(duì)PEMFC發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行溫度控制試驗(yàn)，結(jié)果顯示該算法對(duì)PEMFC發(fā)電系統(tǒng)溫度動(dòng)態(tài)響應(yīng)效果良好，溫度超調(diào)量小。文獻(xiàn)4在PID控制器調(diào)節(jié)方式轉(zhuǎn)速基礎(chǔ)上，將水泵和散熱風(fēng)扇的控制輸入量解耦，前饋與反饋控制相結(jié)合，提出了一種流量跟隨電流控制冷卻水流量的水冷 PEMFC 熱管理系統(tǒng)控制策略。文獻(xiàn)5建立了質(zhì)子交換膜燃料電池的溫度模糊控制系統(tǒng)，以解決溫度控制的時(shí)變性、滯后性、不確定性和強(qiáng)耦合問(wèn)題，經(jīng)仿真表明控制方案合理，滿(mǎn)足溫度控制要求。文獻(xiàn)6提出了基于遞歸模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的溫度控制策略，該算法對(duì)溫度波動(dòng)控制有較高的跟蹤性能。文獻(xiàn)7以半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)，采用PID控制冷卻循環(huán)水泵速度，以開(kāi)關(guān)控制器控制風(fēng)扇的啟動(dòng)和關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)溫度的控制。

本文基于20kW質(zhì)子交換膜燃料電池溫度控制系統(tǒng)，針對(duì)在低環(huán)境溫度下，特別是在降低輸出負(fù)載時(shí)，燃料電池產(chǎn)熱量相應(yīng)較低，而由于環(huán)境溫度降低導(dǎo)致環(huán)境與燃料電池溫差增大，使得散熱器散熱效率增大從而導(dǎo)致燃料電池溫度出現(xiàn)較大波動(dòng)的情況，改進(jìn)了控制策略，并進(jìn)行了燃料電池實(shí)際運(yùn)行的試驗(yàn)驗(yàn)證。

2 PEMFC燃料電池系統(tǒng)產(chǎn)熱與散熱模型/PEMFC燃料電池溫度控制系統(tǒng)工作原理

2.1 PEMFC燃料電池產(chǎn)熱模型

PEMFC燃料電池?zé)崃康漠a(chǎn)生，按照能量守恒定律，其熱平衡方程為8：

∑Qm-∑Qout=Wele+Wdis+Qc （1）

式中：

Qin—進(jìn)入電堆的反應(yīng)氣體焓值;

Qout—出電堆的生成物和未反應(yīng)氣體的焓值;

Wele—燃料電池所做的電功;

Qdis—電堆散到環(huán)境中的熱量;

Qc—電堆冷卻系統(tǒng)帶走的熱量。

燃料電池產(chǎn)生的熱量主要通過(guò)向周?chē)臒彷椛?、反?yīng)氣體帶走熱量、生成水帶走的熱量、冷卻液帶走熱量。由于燃料電池的效率大約為50%，所以產(chǎn)生的熱量基本上與燃料電池所做的電功相當(dāng)，而這些熱量主要通過(guò)溫度控制系統(tǒng)中的冷卻液帶走，熱輻射散熱以及反應(yīng)氣體等帶走的熱量等所占比例很小，特別是對(duì)大功率的燃料電池而言，更是如此。若忽略反應(yīng)氣帶入的熱量和廢氣帶走的熱量以及水的焓值;那么燃料電池產(chǎn)生的熱量可簡(jiǎn)化為為：

Qheat=（1.254-V）IN （2）

式中：

V—為燃料電池工作額定電壓（V）;

I—為燃料電池工作電流（A）;

N—為燃料電池節(jié)數(shù);

2.2 PEMFC燃料電池散熱模型

冷卻液從燃料電池內(nèi)部帶走的熱量為：

Qc=CpmΔT （3）

式中：

Cp—為冷卻液的比熱容;

m—為冷卻液的流速;

ΔT—為冷卻液的進(jìn)出口溫度差（ΔT=（Tcoolant，out-Tcoolant，in））;

冷卻液從燃料電池帶走的熱量再通過(guò)散熱器與環(huán)境中空氣進(jìn)行熱交換，達(dá)到散熱目的，散熱器的散熱量如下公式所示：

Qrad=Cp，airmair（Tair，out-Tair，in） （4）

式中：

Cp，air—為空氣的比熱容;

mair—為散熱風(fēng)扇的空氣流速;

Tair，in—為散熱器中散熱風(fēng)扇入口冷風(fēng)溫度，一般與環(huán)境溫度一致;

Tair，out—為散熱器中散熱風(fēng)扇出口熱風(fēng)溫度。

在進(jìn)行燃料電池散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，一般選擇按最大散熱能力選擇散熱器，保證散熱器能夠滿(mǎn)足燃料電池在最大輸出功率下產(chǎn)生的散熱需求，散熱器的散熱能力大于燃料電池系統(tǒng)最大產(chǎn)熱量即Qrad>Qheat。

3 燃料電池溫度控制系統(tǒng)控制策略分析

3.1 傳統(tǒng)的PEMFC溫度控制系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)及策略

傳統(tǒng)的溫度控制系統(tǒng)是以滿(mǎn)足燃料電池系統(tǒng)最大散熱需求為目標(biāo)，在溫度控制過(guò)程中，往往較大的散熱能力有利于燃料電池系統(tǒng)溫度的控制，以在高溫下，燃料電池在最大輸出功率甚至過(guò)載的情況下，其溫度控制的精度和均勻性為目標(biāo)，但是環(huán)境溫度與燃料電池冷卻液出口溫度的溫差是散熱器散熱的驅(qū)動(dòng)力，環(huán)境溫度越低，驅(qū)動(dòng)力越大，如公式（4）所示，溫差ΔT=Tair，out-Tair，in，其中散熱風(fēng)扇入口溫度Tair，in與環(huán)境溫度Tenv相等，那么公式轉(zhuǎn)化為：Qrad=Cp，airmair（Tair，out-Tenv），那么環(huán)境溫度Tenv越低，散熱量Qrad增大，雖然Qrad增大能夠滿(mǎn)足燃料電池的散熱能力，但是容易導(dǎo)致燃料電池在低負(fù)載情況下，散熱器過(guò)度散熱導(dǎo)致燃料電池溫度波動(dòng)，穩(wěn)定性變差。

3.2 改進(jìn)的燃料電池溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及控制策略

隨著環(huán)境溫度降低，散熱器的散熱能力增加，散熱風(fēng)扇PID調(diào)節(jié)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速降低，但是由于散熱風(fēng)扇本身固有的特性，散熱風(fēng)扇有一最小閾值，低于此閾值即使給出轉(zhuǎn)速信號(hào)，散熱風(fēng)扇依然處于停止?fàn)顟B(tài)，而當(dāng)高于此閾值時(shí)風(fēng)扇直接在此閾值之上運(yùn)行，而非從低到高逐漸增加，傳統(tǒng)的PID控制方法，正是未考慮到風(fēng)扇本身的特性，在風(fēng)扇處于開(kāi)啟閾值以下時(shí)，給出的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速信號(hào)無(wú)效，只有當(dāng)溫度繼續(xù)升高，PID繼續(xù)調(diào)節(jié)加大風(fēng)扇轉(zhuǎn)速超過(guò)風(fēng)扇開(kāi)啟閾值時(shí)，風(fēng)扇才開(kāi)始開(kāi)啟并散熱，從而導(dǎo)致溫度超過(guò)設(shè)定值，波動(dòng)較大;在此基礎(chǔ)上提出了邊界PID控制方法，測(cè)試得到散熱風(fēng)扇的開(kāi)啟閾值，將風(fēng)扇的開(kāi)啟閾值考慮在控制范圍內(nèi)，有效避免溫度超調(diào)。

本文對(duì)傳統(tǒng)的散熱風(fēng)扇控制結(jié)構(gòu)和控制策略也相應(yīng)做了改進(jìn)，如圖1和2所示，在原控制結(jié)構(gòu)上，將兩個(gè)散熱風(fēng)扇進(jìn)行獨(dú)立控制，其控制策略為，在燃料電池輸出功率增加，所需散熱功率也逐漸增加，控制系統(tǒng)先啟動(dòng)其中一個(gè)風(fēng)扇進(jìn)行散熱，進(jìn)行散熱控制，在低環(huán)境溫度以及低負(fù)載情況下，單個(gè)風(fēng)扇在其轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，可均勻調(diào)節(jié)燃料電池散熱溫度，有效避免了同時(shí)啟動(dòng)兩個(gè)風(fēng)扇情況，過(guò)度散熱導(dǎo)致的溫度超調(diào)，燃料電池溫度穩(wěn)定性差的現(xiàn)象;而隨著負(fù)載增加，或者環(huán)境溫度的升高，另外一個(gè)風(fēng)扇再啟動(dòng)，與第一個(gè)風(fēng)扇進(jìn)行散熱疊加，溫度控制更加穩(wěn)定。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)采用自制的20kW燃料電池電堆，搭建完整的燃料電池系統(tǒng)，用N6960-600-200可編程電子負(fù)載（國(guó)產(chǎn)）進(jìn)行程序設(shè)定燃料電池的變載工況設(shè)定加載情況。用RG330國(guó)產(chǎn)燃料電池測(cè)試平臺(tái)與燃料電池系統(tǒng)控制器進(jìn)行通信，進(jìn)行燃料電池輸出的電壓和電流信號(hào)、電堆的冷卻液溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并將數(shù)據(jù)送至PC端進(jìn)行記錄存儲(chǔ)。

實(shí)驗(yàn)采用恒流工作模式，測(cè)試了燃料電池從環(huán)境溫度45℃降低到15℃，燃料電池系統(tǒng)溫度控制的穩(wěn)定性，恒定負(fù)載電流下的（50A、100A、170A、250A、300A），對(duì)應(yīng)的輸出功率為5kW、9kW、14.5kW、20kW、22.5kW;以電堆的出口溫度做為研究對(duì)象，進(jìn)行分析。

溫度控制系統(tǒng)是基于環(huán)境溫度45℃下，滿(mǎn)足燃料電池最大散熱功率設(shè)計(jì);首先測(cè)試了傳統(tǒng)的控制策略在環(huán)境溫度下降至15℃時(shí)，燃料電池系統(tǒng)溫度控制的穩(wěn)定性。

如圖3所示為燃料電池在傳統(tǒng)的控制策略下在環(huán)境溫度為15℃下，燃料電池輸出功率與溫度的變化曲線圖，當(dāng)燃料電池以20kW功率輸出時(shí)，電堆溫度控制還維持在比較平穩(wěn)的水平，而當(dāng)輸出功率低于15kW時(shí)，燃料電池溫度開(kāi)始出現(xiàn)鋸齒狀波動(dòng)，同時(shí)燃料電池的輸出功率也相應(yīng)地出現(xiàn)跟隨溫度進(jìn)行上下波動(dòng)。圖4為改進(jìn)控制策略之后，在環(huán)境溫度為15℃下的燃料電池系統(tǒng)溫度與功率變化曲線圖，與改進(jìn)前的燃料電池溫度曲線進(jìn)行對(duì)比，燃料電池的溫度沒(méi)有隨著負(fù)載的下降出現(xiàn)較大波動(dòng)，在燃料電池的輸出功率降低至5kW以下，燃料電池溫度依然維持在較為穩(wěn)定的水平。

5 結(jié)語(yǔ)

本文建立的燃料電池系統(tǒng)熱管理子系統(tǒng)的模型能較精確地實(shí)現(xiàn)對(duì)燃料電池電堆的模擬仿真。在該模型基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的基于預(yù)測(cè)的智能PID算法，根據(jù)簡(jiǎn)化的系統(tǒng)模型預(yù)測(cè)電堆的溫度變化趨勢(shì)并進(jìn)行提前控制，因而能有效地減小超調(diào)。溫度控制的試驗(yàn)結(jié)果顯示，該算法具有很高的響應(yīng)速度和控制精度，能滿(mǎn)足控制的需要。

基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃新能源汽車(chē)重點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)，編號(hào)（2017YFB0102900）;福建省新能源汽車(chē)電機(jī)產(chǎn)業(yè)技術(shù)開(kāi)發(fā)基地。

參考文獻(xiàn)：

[1]郭愛(ài)，陳維榮，劉志祥，李奇，車(chē)用燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)模型研究.電源技術(shù) 2014.12，38，5.

[2]陳啟宏，全書(shū)海，燃料電池混合電源檢測(cè)與控制. 科學(xué)出版社：2014;P34.

[3]劉洋，全書(shū)海，張立炎，燃料電池發(fā)電系統(tǒng)溫度控制策略研究.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào).信息與管理工程版2010-4，32（2），5.

[4]陳維榮，牛茁，韓喆，劉優(yōu)賢，劉志祥， 水冷PEMFC熱管理系統(tǒng)流量跟隨控制策略.化工學(xué)報(bào).2019，68（4），9.

[5]田玉冬，朱新堅(jiān)，曹廣益，質(zhì)子交換膜燃料電池移動(dòng)電源溫度模糊控制.電源技術(shù) 2005，29（3），3.

[6]李春華，朱新堅(jiān)，基于遞歸模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PEMFC溫度控制研究.熱能動(dòng)力工程2012，27（6），6.

[7]Saygili Y，E.I.，Kincal S Model based temperature controller development for water cooled PEM fuel cell systems. International Journal of Hydrogen Energy 2015，40（1），8.

[8]Spiegel，C.，質(zhì)子交換膜燃料電池建模與MATLAB仿真.電子工業(yè)出版社：2013;P323.