氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理系統(tǒng)的控制方案研究

李文浩，方虹璋，杜常清，盧熾華

(1.先進(jìn)能源科學(xué)與技術(shù)廣東省實(shí)驗(yàn)室佛山分中心(佛山仙湖實(shí)驗(yàn)室)，廣東 佛山 528200；2.武漢理工大學(xué)現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430070)

氫燃料電池汽車是全球汽車動(dòng)力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要方向，也是構(gòu)建低碳交通體系的重要組成部分，將極大推動(dòng)我國盡早實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”。氫燃料電池汽車在運(yùn)行過程中其核心部件電堆會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，通常是傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車的兩倍，而考慮到電堆的性能以及壽命，需要使電堆溫度保持在合適的范圍(75～90 ℃)，因此對其熱管理系統(tǒng)提出了更高的要求。氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理系統(tǒng)主要由水泵、散熱器、PTC加熱器、膨脹水箱、散熱風(fēng)扇和節(jié)溫器等部件構(gòu)成，通過各部件的協(xié)同工作控制氫燃料電池電堆進(jìn)出口的冷卻液溫度來維持電堆的運(yùn)行溫度。然而在啟動(dòng)、拉載、減載等復(fù)雜工況下，受水泵、散熱風(fēng)扇等零部件因素影響，系統(tǒng)對冷卻液溫度的控制有一定的滯后性，增大電堆進(jìn)出口冷卻液溫度的波動(dòng)幅度，進(jìn)而影響氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能及電堆的使用壽命。因此，快速精確的熱管理系統(tǒng)控制方案對于氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)及整車的高效、安全運(yùn)行具有十分重要的意義。

目前，針對氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理系統(tǒng)的控制需求，國內(nèi)外眾多研究人員在控制方案上開展了廣泛的研究。Ahn等提出了一種利用熱回路來管理溫度的溫度控制方案，發(fā)現(xiàn)這種控制方案對于確保燃料電池系統(tǒng)的高效率運(yùn)轉(zhuǎn)具有重要的作用。Liso等提出了一種由溫度變化控制的模型，這種模型能夠適應(yīng)負(fù)載的大幅度變化，保證燃料電池的安全、高效性。Saygili等通過利用開關(guān)控制器以及PID控制器，大幅度地降低了熱量的損耗。陳維榮等利用電流控制水泵的轉(zhuǎn)速，減輕熱管理系統(tǒng)中一些強(qiáng)耦合作用，對熱管理系統(tǒng)的控制更精準(zhǔn)，響應(yīng)速度更快。趙洪波等提出流量跟隨電流及功率方式以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自抗擾方法兩種熱管理控制方案，試驗(yàn)表明系統(tǒng)中水泵和散熱風(fēng)扇的強(qiáng)耦合作用明顯地被削弱，并且降低了電堆進(jìn)出口的溫度以及調(diào)節(jié)時(shí)間。

雖然已有眾多研究人員對氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的熱管理控制方案進(jìn)行了深入的研究，且取得了一些成果，但依然存在變載工況時(shí)溫度波動(dòng)大、響應(yīng)速度較慢等問題。針對上述問題，本研究提出了基于電堆功率、電堆進(jìn)出口冷卻液溫差、冷卻液流量等多參數(shù)跟隨的熱管理控制方案，并利用多學(xué)科領(lǐng)域的復(fù)雜系統(tǒng)建模與仿真平臺(tái)AMESim對某款氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的熱管理系統(tǒng)建立了一維仿真模型，通過在典型工況下對不同控制方案進(jìn)行仿真分析，詳細(xì)研究了多參數(shù)跟隨的控制方案對電堆進(jìn)出口冷卻液的溫度、溫差、變載時(shí)溫度波動(dòng)以及響應(yīng)速度的影響規(guī)律。

1 氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理系統(tǒng)是由多個(gè)部件組成的耦合系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)的作用就是將電堆的溫度控制在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)。如果溫度過高，電堆會(huì)出現(xiàn)脫水現(xiàn)象，使其不能正常工作，導(dǎo)電率下降，影響電堆的使用壽命以及系統(tǒng)安全性。如果溫度過低，則會(huì)使電堆里面的催化劑失活。為了保證電堆內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)的高效性及均勻性，電堆進(jìn)出口冷卻液的溫差應(yīng)當(dāng)盡量控制在10 ℃以內(nèi)。

圖1示出某款氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的熱管理系統(tǒng)示意圖。系統(tǒng)主要包括水泵、散熱器、節(jié)溫器、PTC加熱器、中冷器、散熱風(fēng)扇，以及各種閥門和管件。熱管理系統(tǒng)包含兩個(gè)循環(huán):大循環(huán)和小循環(huán)。大循環(huán)為散熱器冷卻回路，小循環(huán)為PTC加熱回路。熱管理系統(tǒng)工作原理：在低溫啟動(dòng)階段通過小循環(huán)的PTC加熱器對電堆進(jìn)行加熱，當(dāng)電堆溫度達(dá)到一定值時(shí)經(jīng)過大循環(huán)由散熱器帶走電堆絕大部分熱量，水泵驅(qū)動(dòng)冷卻液在熱管理回路中流動(dòng)，節(jié)溫器根據(jù)進(jìn)口冷卻液溫度來控制兩個(gè)循環(huán)的流量分配，中冷器對經(jīng)過空壓機(jī)加壓后的高溫空氣進(jìn)行冷卻。

圖1 氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理系統(tǒng)示意

在氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理系統(tǒng)中，水泵和散熱風(fēng)扇是主要的控制對象。水泵驅(qū)動(dòng)冷卻水循環(huán)來帶走電堆工作產(chǎn)生的熱量，由此控制著電堆進(jìn)出口冷卻液的溫差；而散熱風(fēng)扇則決定了散熱器的散熱量，控制著電堆入口冷卻液的溫度。由于溫度具有時(shí)滯性，熱管理系統(tǒng)具有慣性、非線性等特點(diǎn)，而且冷卻水泵與散熱風(fēng)扇具有耦合作用，電堆在負(fù)荷變化的情況下會(huì)出現(xiàn)溫度波動(dòng)較大，甚至短暫性高溫、難調(diào)節(jié)的情況，這樣會(huì)導(dǎo)致電堆的效率較低、壽命縮短。為了避免在大幅度變載過程中熱管理系統(tǒng)出現(xiàn)不良反應(yīng)，應(yīng)采用合適的控制方案使電堆進(jìn)出口冷卻液溫度變化穩(wěn)定、熱管理系統(tǒng)各部件響應(yīng)速度快，保證熱管理系統(tǒng)的高效性和安全性。

1.2 基于多參數(shù)跟隨的控制方案設(shè)計(jì)

本研究提出了基于電堆功率、電堆進(jìn)出口冷卻液溫差、冷卻液流量等多參數(shù)跟隨的熱管理控制方案。為了進(jìn)行對比，采用控制變量法建立了4種不同的控制方案(見圖2)。圖2a所示的控制方案為較傳統(tǒng)的燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)控制方案，其水泵轉(zhuǎn)速跟隨電堆功率的控制，散熱風(fēng)扇轉(zhuǎn)速則由電堆出口溫度來控制；圖2b在圖2a的基礎(chǔ)上，將PID控制與水泵轉(zhuǎn)速跟隨電推功率的控制相結(jié)合，和分別為電堆進(jìn)出口的溫度，實(shí)現(xiàn)了水泵和散熱風(fēng)扇的部分解耦；圖2c在圖2a的基礎(chǔ)上，采用電堆出口溫度和冷卻液流量同時(shí)控制散熱風(fēng)扇轉(zhuǎn)速；圖2d綜合考慮了圖2b和圖2c兩種控制方案。

圖2 多參數(shù)跟隨熱管理系統(tǒng)控制方案

水泵轉(zhuǎn)速跟隨電堆功率控制是根據(jù)電堆所發(fā)出的功率來控制水泵的轉(zhuǎn)速，在變載時(shí)，通過迅速改變管路中冷卻液的流量保證電堆進(jìn)出口的溫度波動(dòng)不大。PID控制則是將電堆進(jìn)出口冷卻液溫差作為反饋來控制水泵的轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)電堆進(jìn)出口冷卻液溫差。散熱風(fēng)扇轉(zhuǎn)速跟隨溫度及冷卻液流量控制，是將電堆出口的溫度及流量作為自變量來調(diào)節(jié)散熱風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，產(chǎn)生與電堆產(chǎn)熱量相匹配的散熱量。

2 熱管理系統(tǒng)建模及仿真結(jié)果分析

2.1 仿真模型建立

采用多學(xué)科領(lǐng)域的復(fù)雜系統(tǒng)建模與仿真平臺(tái)AMESim來搭建燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理系統(tǒng)的模型。如圖3所示，此模型為控制方案a的仿真模型，其中包含3個(gè)回路：大循環(huán)、小循環(huán)和中冷回路。氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的散熱需求主要來自于兩方面：一是燃料電池堆化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱量，二是經(jīng)空壓機(jī)加壓之后高溫高壓空氣經(jīng)過中冷器時(shí)帶來的熱量，仿真模型中通過信號(hào)庫中Piecewiselinear元件的電堆熱量輸入接口和中冷器熱量輸入接口來進(jìn)行設(shè)定；水泵的轉(zhuǎn)速通過信號(hào)庫的Fofx元件來跟隨電堆功率的控制；PTC加熱器及散熱風(fēng)扇由信號(hào)庫的Trigger元件進(jìn)行控制；進(jìn)氣速度跟隨車速改變；進(jìn)氣溫度由全局變量中的外界環(huán)境決定。全局變量包含外界環(huán)境及冷卻液兩個(gè)元件：外界環(huán)境定義了整個(gè)熱管理系統(tǒng)所處的自然環(huán)境，其中溫度和壓力分別設(shè)置為20 ℃和標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；冷卻液為50%乙醇水溶液。通過管路進(jìn)行各元件之間的連接，同時(shí)利用孔類元件來進(jìn)行流阻模擬，利用傳感器采集的溫度和功率等信號(hào)來對系統(tǒng)進(jìn)行控制。b、c、d 3種控制方案下的熱管理系統(tǒng)一維仿真模型與控制方案a類似。

圖3 控制方案a一維仿真模型

2.2 熱管理系統(tǒng)散熱需求計(jì)算

氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)所匹配的是額定功率為62 kW、峰值功率為80 kW的質(zhì)子交換膜氫燃料電池堆，圖4示出電堆的極化曲線，相關(guān)技術(shù)參數(shù)如表1所示，據(jù)此可計(jì)算電堆散熱需求和中冷器散熱需求。

圖4 電堆極化曲線

表1 電堆主要技術(shù)參數(shù)

2.2.1 電堆散熱需求計(jì)算

電堆所產(chǎn)生的能量分為兩部分，一部分為輸出的電能，另一部分則為需要散發(fā)的熱量。則電堆的發(fā)熱量為電堆內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的總能量減去電堆所產(chǎn)生的電能。

=(-)，

(1)

=·。

(2)

式中：為電堆即時(shí)發(fā)熱功率；為單片電池電壓；為單片電池即時(shí)電壓；為系統(tǒng)即時(shí)電流；為電堆的總片數(shù)；為單位活化面積電流；為電堆活化面積。

2.2.2 中冷器散熱需求計(jì)算

中冷器產(chǎn)生的熱量主要是來自經(jīng)空壓機(jī)壓縮后高溫高壓空氣產(chǎn)生的熱能。

=··Δ。

(3)

式中：為空氣的比熱容；為空氣質(zhì)量流量；Δ為空氣溫差。

2.3 熱管理系統(tǒng)一維仿真模型驗(yàn)證

在對本研究提出的熱管理系統(tǒng)不同控制方案仿真分析之前，選取文獻(xiàn)[15]中的試驗(yàn)結(jié)果作為參照，來驗(yàn)證所建立熱管理系統(tǒng)一維仿真模型。驗(yàn)證工況為水泵的轉(zhuǎn)速一定時(shí)，將電堆電流以40 A的增幅從80 A增至200 A，對應(yīng)的模型中熱量輸入需求如圖5所示。在此工況下基于所建立的仿真模型計(jì)算得到電堆進(jìn)出口冷卻液溫度的差值，并與文獻(xiàn)中的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，結(jié)果如圖6所示?？梢钥闯?，在相同的工況下，電堆進(jìn)出口的冷卻液溫差的仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合度很高，驗(yàn)證了所建立的熱管理系統(tǒng)一維仿真模型的可靠性。

圖5 驗(yàn)證工況下系統(tǒng)散熱需求

圖6 熱管理系統(tǒng)一維仿真模型驗(yàn)證

2.4 不同控制方案下仿真結(jié)果對比分析

在燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)典型工況下對不同控制方案下的仿真結(jié)果進(jìn)行對比分析。典型工況的散熱需求如圖7所示。

圖7 典型工況下系統(tǒng)散熱需求

2.4.1 水泵采用多參數(shù)跟隨控制方案下熱管理系統(tǒng)性能

控制方案b在控制方案a的基礎(chǔ)上利用PID調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速，主要期望通過PID調(diào)節(jié)使電堆進(jìn)出口冷卻液溫差盡可能地小，且溫差變化更加平緩，保證電堆工作更加高效、安全。圖8和圖9示出熱管理系統(tǒng)在控制方案a和b下電堆進(jìn)出口冷卻液溫度和溫差變化對比。

圖8 在控制方案a和b下電堆進(jìn)出口冷卻液溫度變化

圖9 在控制方案a和b下電堆進(jìn)出口冷卻液溫差

由圖8可知，當(dāng)電堆在中低負(fù)荷情況下工作時(shí)，控制方案b電堆出口冷卻液溫度較控制方案a降低約0.9 ℃，電堆進(jìn)口冷卻液溫度無明顯差異；隨著電堆功率的增加，采用控制方案b的熱管理系統(tǒng)電堆進(jìn)、出口冷卻液溫度均較控制方案a有所降低，分別約為0.4 ℃和0.9 ℃，能夠防止電堆在高負(fù)荷下內(nèi)部溫度過高。

由圖9可知，采用控制方案b的熱管理系統(tǒng)電堆進(jìn)出口冷卻液溫差較控制方案a降低約0.5 ℃，且采用控制方案b的電堆進(jìn)出口冷卻液溫差在系統(tǒng)變載時(shí)波動(dòng)更小，有利于維持電堆內(nèi)部溫度均勻性。

2.4.2 散熱風(fēng)扇采用多參數(shù)跟隨控制方案下熱管理系統(tǒng)性能

控制方案c在控制方案a的基礎(chǔ)上，使用冷卻液流量和電堆出口冷卻液溫度聯(lián)合控制散熱風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，使熱管理系統(tǒng)在散熱需求增大時(shí)，能夠降低由于溫度遲滯帶來的影響，提高熱管理系統(tǒng)的響應(yīng)速度。圖10示出熱管理系統(tǒng)在控制方案a和c下電堆進(jìn)出口冷卻液溫度變化情況。

由圖10可知，在電堆拉載時(shí)，相對于控制方案a，控制方案c能夠在電堆拉載開始后，迅速地增大散熱器風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，提高散熱器的功率，使電堆進(jìn)出口冷卻液溫度變化更加平緩，提高了熱管理系統(tǒng)散熱響應(yīng)速度；并且每次拉載完成后，控制方案c電堆進(jìn)出口冷卻液溫度大約比控制方案a的低2 ℃，在整個(gè)電堆工作過程中，溫度變化的幅度較小，有利于電堆高效率的工作及安全性能。

圖10 在控制方案a和c下電堆進(jìn)出口冷卻液溫度變化

2.4.3 水泵和散熱風(fēng)扇同時(shí)采用多參數(shù)跟隨控制方案下熱管理系統(tǒng)性能

控制方案d綜合考慮了控制方案b和控制方案c的特點(diǎn)。圖11、圖12分別示出熱管理系統(tǒng)在控制方案a和d下電堆進(jìn)出口冷卻液溫度變化和溫差變化情況。由圖11和圖12可知，控制方案d的電堆進(jìn)出口冷卻液溫差較控制方案a降低約2.3 ℃，使溫差更小且在系統(tǒng)變載時(shí)變化幅度更小；在電堆進(jìn)出口冷卻液溫度變化控制上，控制方案d能夠在拉載時(shí)迅速提升系統(tǒng)的散熱能力，并且每次拉載完成后，電堆進(jìn)出口冷卻液溫度大約比控制方案a的低3 ℃，使電堆進(jìn)出口冷卻液溫度在整個(gè)工作過程中變化更平緩、波動(dòng)更小。

圖11 在控制方案a和d下電堆進(jìn)出口冷卻液溫度變化

圖12 在控制方案a和d下電堆進(jìn)出口冷卻液溫差變化

3 結(jié)論

a) 相比于傳統(tǒng)控制方案，水泵采用多參數(shù)跟隨控制的方案能夠減小電堆進(jìn)出口冷卻液溫差，在變載的情況下溫差波動(dòng)更小，避免了電堆溫度劇烈波動(dòng)對燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)工作性能和壽命的影響；

b) 相比于傳統(tǒng)控制方案，風(fēng)扇采用多參數(shù)跟隨控制的方案能夠在電堆散熱提升的情況下，迅速增大散熱器的散熱功率，使熱管理系統(tǒng)的響應(yīng)速度快、調(diào)節(jié)時(shí)間更短、精確度更高，在拉載、最大功率工況下都能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定高效地維持電堆進(jìn)出口正常工作溫度；

c) 水泵和風(fēng)扇同時(shí)采用多參數(shù)控制方案，具備穩(wěn)定高效維持電堆進(jìn)出口冷卻液溫度、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，可為氫燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)控制提供參考。