燃料電池堆測試平臺溫控系統(tǒng)研究進(jìn)展與趨勢

【歡迎引用】劉軒，郝冬，馬明輝，等. 燃料電池堆測試平臺溫控系統(tǒng)研究進(jìn)展與趨勢[J]. 汽車文摘，2024（XX）： 1-11.

【Cite this paper】LIUX， HAO D， MA M H， et al.Research Progress and Trend of Temperature Control System for Fuel Cell Stack Test Platform[J]. Automotive Digest （Chinese）， 2024（XX）：1-11.

【摘要】為了評估燃料電池堆設(shè)計(jì)與優(yōu)化的結(jié)果，許多研究探討了燃料電池堆測試平臺在測試燃料電池性能方面的關(guān)鍵作用，結(jié)果表明：通過測試平臺可以獲得燃料電池堆功率密度和壽命等重要信息，推動(dòng)燃料電池技術(shù)的發(fā)展。溫度是影響性能測試的重要因素，所以有必要了解目前燃料電池堆測試平臺溫度管理模塊的研究現(xiàn)狀。為此，首先闡述了測試平臺的基本組成和設(shè)計(jì)開發(fā)進(jìn)展，然后從建模和控制兩個(gè)方面介紹了測試平臺溫度管理模塊的研究現(xiàn)狀，最后展望了測試平臺未來的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：燃料電池堆測試平臺；溫度管理；建模；控制

中圖分類號：TM911.4文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A"""""""""" DOI：10.19822/j.cnki.1671-6329. 20230315

Research Progress and Trend of Temperature Control System for Fuel Cell Stack Test Platform

Liu Xuan12， Hao Dong1， Ma Minghui1， Sun Tian1， Chen Guang1

（1. CATARC New Energy Vehicle Test Center （Tianjin） Co.， Ltd.， Tianjin; 2. College of Mechanical and Vehicle Engineering， Hunan University， Changsha 410082）

【Abstract】In order to evaluate the results of fuel cell stack design and optimization， many studies have explored the key role of fuel cell stack test platforms in testing fuel cell performance.The results show that important information such as power density and lifetime of fuel cell stack can be obtained through the test platform， which can promote the development of fuel cell technology. Temperature is an important factor affecting performance test， so it is necessary to understand the current research status of temperature management of fuel cell stack test platform. Therefore， the basic composition and development progress of the test platform are described， and then the research status of the temperature management module of the test platform is introduced from two aspects of modeling and control. Finally， the future development direction of the test platform is prospected.

Key words： Fuel cell stack test platform， Temperature management， Modeling， Control

1引言

燃料電池是一種直接將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，具有燃料多樣化、噪音低、對環(huán)境污染小、維修性好以及可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是21世紀(jì)新型環(huán)保高效的發(fā)電技術(shù)之一[1]。燃料電池測試平臺是燃料電池開發(fā)的基礎(chǔ)，可以測試燃料電池在不同工況下的輸出性能[2]，從而用來測試部件性能、評估電池壽命、驗(yàn)證控制方法等，大大地縮短研發(fā)周期，降低燃料電池開發(fā)成本。為了便于研究者改進(jìn)燃料電池堆測試平臺，本文詳細(xì)介紹了測試平臺的規(guī)格和功能，從建模和控制方面著重分析了溫度管理模塊的研究現(xiàn)狀，歸納總結(jié)了溫度管理模塊未來的發(fā)展方向。

燃料電池堆測試平臺研究現(xiàn)狀

燃料電池的工作性能受溫度、壓力、濕度等因素的影響，為了保證燃料電池能夠穩(wěn)定可靠地工作，一個(gè)優(yōu)秀的燃料電池堆測試平臺不言而喻[3]。如圖1所示，一個(gè)完整的燃料電池堆測試平臺包含：氣體供應(yīng)模塊、壓力控制模塊、溫度管理模塊、加濕模塊、電子負(fù)載模塊、數(shù)據(jù)采集模塊以及安全報(bào)警模塊[4-6]。

目前，對燃料電池堆測試平臺進(jìn)行開發(fā)的公司較多。國外比較知名的公司有：加拿大綠光創(chuàng)新（GreenLight），日本HORIBA等。國內(nèi)具有代表性的公司有：大連銳格、寧波拜特、氫澈科技等。

GreenLight公司提供高精度、自動(dòng)化的燃料電池測試平臺，功率范圍覆蓋100W到300kW，自研的快速加濕和溫控系統(tǒng)，能夠精確控制燃料電池進(jìn)氣濕度和溫度，在行業(yè)應(yīng)用較為廣泛[6]。HORIBA FuelCon能夠?yàn)楦黝愋偷娜剂想姵靥峁y試平臺，功率范圍覆蓋1W到250kW。大連銳格、寧波拜特、氫澈科技等公司均為國內(nèi)從事燃料電池測試裝備的企業(yè)，目前所開發(fā)的燃料電池堆測試平臺最大可覆蓋400kW的功率等級，穩(wěn)態(tài)溫度控制精度處于±1℃的水平[7， 8]。

質(zhì)子交換膜燃料電池的性能、效率、使用壽命與溫度有很大的關(guān)系[9]。高溫雖然可以加速化學(xué)反應(yīng)速率，提高輸出性能，但是過高的溫度會(huì)使質(zhì)子交換膜水分流失加快，引起膜收縮破裂，降低電池壽命。相反，溫度過低會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)傳質(zhì)受限，電化學(xué)反應(yīng)速度降低，電池性能下降。所以為了保證PEMFC在測試時(shí)能夠正常且安全穩(wěn)定的工作，需要設(shè)計(jì)良好的溫度管理模塊來控制電堆的溫度。為了便于相關(guān)研究人員了解測試平臺溫度管理的研究現(xiàn)狀，本文從建模和控制方面對其進(jìn)行了綜述和分析。

燃料電池堆測試平臺溫度管理建模

燃料電池堆測試平臺溫度管理模塊數(shù)學(xué)模型是優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行條件，指導(dǎo)溫度控制的重要工具。目前燃料電池堆測試平臺溫度管理模塊可以分為水冷型和空冷型[10]，水冷型以冷卻液或去離子水作為冷卻介質(zhì)，空冷型以空氣作為冷卻介質(zhì)。圖2和圖3分別展示了燃料電池堆測試平臺水冷型和空冷型溫度管理模塊的基本組成。

測試平臺溫度管理模塊可以分為2個(gè)部分：燃料電池堆與輔助系統(tǒng)。對于水冷型溫度管理模塊，輔助系統(tǒng)關(guān)鍵零部件包括循壞水箱、水泵、加熱器、換熱器和流量控制閥[11]。電堆啟動(dòng)時(shí)溫度較低，需要預(yù)熱，因此加熱器開啟，板式散熱器不工作、冷卻液經(jīng)加熱器加熱后供給燃料電池堆預(yù)熱。隨著化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，電堆溫度逐漸升高，加熱器關(guān)閉，散熱器開始運(yùn)作，冷卻液經(jīng)散熱器降溫之后供給燃料電池堆，實(shí)現(xiàn)降溫。在整個(gè)過程中，流量控制閥依據(jù)運(yùn)行策略調(diào)節(jié)開度，調(diào)整進(jìn)入電堆和循壞水箱的冷卻液流量，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控溫。對于空冷型溫度管理模塊，輔助系統(tǒng)關(guān)鍵零部件是風(fēng)扇。風(fēng)扇既要為電堆提供反應(yīng)物氧氣又要去除電堆內(nèi)部的熱量。溫度控制器負(fù)責(zé)采集燃料電池堆當(dāng)前的溫度，并控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速來達(dá)到目標(biāo)溫度。

本章從熱傳遞示意圖、關(guān)鍵假設(shè)和關(guān)鍵方程3個(gè)方面對燃料電池堆與輔助系統(tǒng)的建模進(jìn)行總結(jié)。

1.1燃料電池堆

燃料電池堆是整個(gè)熱管理系統(tǒng)的核心部件，其他部件的調(diào)控完全取決于燃料電池堆當(dāng)前的狀態(tài)。在對燃料電池堆進(jìn)行溫度建模時(shí)，所涉及到的關(guān)鍵假設(shè)有[12-14]：

（1）無論在任何工況下，參與反應(yīng)的氣體為理想氣體，遵循理想氣體規(guī)律。

（2）燃料中的化學(xué)能全部轉(zhuǎn)化為電能和熱能。

（3）干空氣中只有氧氣和氮?dú)猓⑶覂烧弑壤秊椋?9∶21。

（4）燃料電池堆溫度均勻分布，且電堆溫度與電堆冷卻流道出口處冷卻介質(zhì)溫度相等。

（5）陰極所產(chǎn)生的水假設(shè)均為液態(tài)。

（6）各單電池性能統(tǒng)一，電堆輸出電壓為各單電池之和。

（7）忽略水的相變產(chǎn)熱。

（8）氣體均勻分布在燃料電池內(nèi)部，因此認(rèn)為電流也是均勻分布的。

（9）陽極、陰極、膜處于同一溫度。

燃料電池堆是能量轉(zhuǎn)化裝置，將燃料中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能和熱能。圖4是燃料電池堆能量平衡示意圖，當(dāng)氣體反應(yīng)產(chǎn)生的熱量和氣體本身帶入的熱量與電堆的產(chǎn)電做功、各種散熱以及氣體帶出的熱量之間達(dá)到平衡時(shí)，燃料電池堆才能穩(wěn)定工作在某一溫度下。

許多研究基于能量守恒和熱平衡方程，完成了燃料電池堆溫度模型的構(gòu)建[4， 15-17]。燃料電池產(chǎn)熱、散熱和電池溫度之間的關(guān)系為：

式中：為質(zhì)子交換膜燃料電池堆的比熱容，為電堆的質(zhì)量，為電堆的溫度。

參與反應(yīng)的反應(yīng)物中總的化學(xué)能為：

式中：為電堆單電池?cái)?shù)量，為電堆當(dāng)前電流，法拉第常數(shù)，氫氧反應(yīng)焓變（取值為285 KJ）。

帶入熱量的反應(yīng)氣體包括陽極的氫氣、水蒸氣，陰極的氧氣、氮?dú)夂退魵?，帶入熱量的?jì)算公式為：

式中：、、、為氫氣、水、氧氣、氮?dú)獾哪栙|(zhì)量，、為單位時(shí)間內(nèi)通入陽極的氫氣、水蒸氣的物質(zhì)的量，、、為單位時(shí)間內(nèi)通入陰極的氧氣、氮?dú)?、水蒸氣的物質(zhì)的量，、、、為氫氣、水蒸氣、氧氣、氮?dú)獾谋葻崛?，、、為進(jìn)入陽極、陰極的氣體溫度以及標(biāo)準(zhǔn)大氣溫度。

電池的輸出功率可表示為：

式中，為電堆當(dāng)前電壓。

能得出熱量的反應(yīng)氣體包括陽極的氫氣、水蒸氣，陰極的氧氣、氮?dú)狻⑺魵庖约爱a(chǎn)生的液態(tài)水，熱量的計(jì)算公式為：

式中：、為單位時(shí)間內(nèi)陽極出堆的氫氣水蒸氣的物質(zhì)的量，、、為單位時(shí)間內(nèi)陰極出堆的氧氣、氮?dú)狻⑺魵獾奈镔|(zhì)的量，為液態(tài)水的比熱容，、為陽極、陰極排出的氣體溫度。

輻射到周圍環(huán)境中的熱量：

式中：電堆的黑度，斯蒂芬玻爾茲曼常數(shù)，電堆能向外熱輻射的面積，環(huán)境溫度。

1.2輔助系統(tǒng)

輔助系統(tǒng)的作用是向燃料電池堆補(bǔ)給或消散熱量，從而實(shí)現(xiàn)電池的穩(wěn)定運(yùn)行。對于水冷型溫度管理模塊，現(xiàn)有研究在進(jìn)行建模時(shí)，所涉及到的關(guān)鍵假設(shè)有[4， 15， 18]：

（1）忽略冷卻液傳輸管路、水泵以及循環(huán)水箱與外界的熱交換。

（2）忽略冷卻液從進(jìn)入散熱器到離開散熱器的時(shí)間。

水冷型溫度管理模塊溫度傳遞如圖5所示。在低溫工況下，散熱器不工作，冷卻液經(jīng)加熱器加熱后，由水泵供給燃料電池堆，實(shí)現(xiàn)升溫。在此過程中，PTC供給熱量為：

式中：為冷卻液的比熱容，為冷卻液的密度，為循環(huán)冷卻液出堆溫度；為循環(huán)冷卻液入堆溫度。

在高溫工況下，加熱器不工作，較高溫度的冷卻液由水泵供給散熱器進(jìn)行降溫，之后再供給燃料電池堆，實(shí)現(xiàn)降溫。在此過程中，水泵提供理論需求流量為：

式中：冷卻液帶走的熱量，可聯(lián)立式（1）-（6）求解，為循環(huán)冷卻液出堆溫度，為循環(huán)冷卻液入堆溫度。

板式散熱器的散熱量：

式中：、分別為換熱器出、入口冷卻液的溫度。

流量控制閥依據(jù)運(yùn)行策略調(diào)節(jié)開度，調(diào)整進(jìn)入電堆和循壞水箱的冷卻液流量，來實(shí)現(xiàn)控溫。兩條支路流量與冷卻液總流量和流量控制閥開度有關(guān)[19]：

式中：流量控制閥開度，流入電堆的冷卻液流量，通過支路流入循壞水箱的冷卻液流量；

循環(huán)水箱出入口溫度之間的關(guān)系為：

式中：、、分別為循環(huán)水箱出口、經(jīng)過電堆支路流入循壞水箱以及通過旁路流入循壞水箱的冷卻液溫度，經(jīng)過電堆支路流入循壞水箱冷卻液的流量。

對于空冷型溫度管理模塊，現(xiàn)有研究在進(jìn)行建模時(shí)，所涉及到的關(guān)鍵假設(shè)有[20]：

（1）冷卻空氣為不可壓縮流，僅考慮空氣密度隨溫度的變化。

（2）電池單體的導(dǎo)熱系數(shù)保持各向同性。

風(fēng)扇通過強(qiáng)制對流散熱的方式對電堆散熱，散熱量的計(jì)算為：

式中：為強(qiáng)制對流散熱系數(shù)，為強(qiáng)制對流散熱面積，為燃料電池堆強(qiáng)制散熱前溫度。

式中，強(qiáng)制對流散熱系數(shù)可以簡化為與風(fēng)扇PWM控制信號之間的關(guān)系，如下式所示：

式中：為風(fēng)扇PWM控制信號，、為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定。

現(xiàn)有研究中，一般通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)去擬合，具體操作如下[10， 21]：根據(jù)不同電流下的燃料電池堆穩(wěn)定狀態(tài)的輸出電壓、電流和工作溫度數(shù)據(jù)，依據(jù)式（2）、式（4）計(jì)算得到電堆的總產(chǎn)熱，再通過式（3）、式（5）、式（6）計(jì)算氣體帶入熱量、氣體帶出熱量和熱輻射量，最后得到強(qiáng)制散熱總量，通過式（12）就能擬合強(qiáng)制散熱系數(shù)與風(fēng)扇PWM之間的關(guān)系。

燃料電池堆測試平臺溫度控制優(yōu)化

在燃料電池中，幾乎所有的傳輸參數(shù)都與溫度有關(guān)[22]，為了使燃料電池有效發(fā)揮作用，其運(yùn)行溫度需要保持在60～80℃范圍內(nèi)[23， 24]。在啟動(dòng)階段，燃料電池需要升溫來達(dá)到合適的溫度，而在運(yùn)行過程中，又需要通過冷卻裝置將余熱排出來達(dá)到合適的溫度。因此，為了保證燃料電池在整個(gè)測試過程中穩(wěn)定的工作，需要有效的溫度控制方法來實(shí)現(xiàn)。

1.3PID控制

比例-積分-微分（Proportional Integral Derivative， PID））控制是一種經(jīng)典的控制方法，它是由比例（P）、積分（I）和微分（D）三個(gè)環(huán)節(jié)組成的反饋控制系統(tǒng)。PID控制器根據(jù)當(dāng)前的誤差、誤差的累積和誤差的變化率來計(jì)算控制量，以實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的控制。劉鎮(zhèn)江等[25]設(shè)計(jì)搭建了120kW的大功率質(zhì)子交換膜燃料電池堆測試平臺，通過對主散熱系統(tǒng)中的散熱風(fēng)扇采取PID控制方法，實(shí)現(xiàn)對冷卻水溫度的精準(zhǔn)控制和及時(shí)響應(yīng)。Ma等[26]為了克服傳統(tǒng)PID算法由于溫度慣性導(dǎo)致的超調(diào)問題，設(shè)計(jì)了一種補(bǔ)償積分分離PID控制算法。通過搭建的35 kW質(zhì)子交換膜燃料電池測試平臺，驗(yàn)證了該算法能夠有效地降低動(dòng)態(tài)負(fù)載下的溫度超調(diào)。林澤兆[15]提出了一種模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制算法，該控制算法能依據(jù)工況自整定、、來更好地控制燃料電池的溫度，通過搭建的燃料電池?zé)峁芾頊y試系統(tǒng)驗(yàn)證了算法在溫度控制過程中具有良好效果。

傳統(tǒng)PID控制由于結(jié)構(gòu)簡單、對模型準(zhǔn)確性依賴低、使用方便等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于PEMFC的溫度控制。但傳統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)是根據(jù)溫度變化來控制的，很難克服溫度慣性引起的大超調(diào)，并且還存在響應(yīng)速度慢，調(diào)節(jié)時(shí)間長等缺點(diǎn)。

1.4模型預(yù)測控制

模型預(yù)測控制（Model Predictive Control， MPC）是一種模型驅(qū)動(dòng)的控制方法。它通過對未來系統(tǒng)行為的預(yù)測來指導(dǎo)當(dāng)前的控制決策。Zhang等[27]建立了燃料電池?zé)峁芾砟Ｐ停δＰ瓦M(jìn)行線性化，設(shè)計(jì)了閉環(huán)反饋MPC控制器。通過燃料電池測試臺驗(yàn)證了控制器的有效性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提出的MPC能夠在恒定電流和動(dòng)態(tài)負(fù)載調(diào)度模式下跟蹤參考軌跡。特別是在復(fù)合驅(qū)動(dòng)循環(huán)等效試驗(yàn)條件下，燃料電池的溫度經(jīng)過146.6s的穩(wěn)定時(shí)間后達(dá)到目標(biāo)，溫度波動(dòng)小于±0.5℃，平均絕對誤差為0.223，均方根誤差值為0.346。Chen等[11]提出了一種基于MPC的質(zhì)子交換膜燃料電池溫度和電壓動(dòng)態(tài)管理控制器。工作溫度和輸出電壓分別由冷卻水和氫氣的質(zhì)量流量控制。在測試臺架上采用MPC控制器對5 kW PEMFC電堆溫度進(jìn)行了控制實(shí)驗(yàn)研究。在不考慮階躍負(fù)載電流的情況下，可以有效地調(diào)節(jié)堆溫，并且可以將堆溫的超調(diào)精確控制在1.1K以內(nèi)。Arce等[28]提出了一種顯式MPC算法用來控制燃料電池系統(tǒng)的散熱風(fēng)機(jī)。該控制器的目標(biāo)是在給定的設(shè)定點(diǎn)上保持電堆的溫度，該設(shè)定點(diǎn)是由實(shí)時(shí)優(yōu)化算法的結(jié)果得到的，目標(biāo)是使堆棧退化最小化，使全局效率最大化?？刂破髟谌剂想姵卦囼?yàn)臺上成功實(shí)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方案成功地處理了控制時(shí)存在的時(shí)滯、約束和干擾問題，能夠在整個(gè)操作條件范圍內(nèi)準(zhǔn)確跟蹤參考溫度。

MPC控制具有良好的穩(wěn)定性和魯棒性，當(dāng)燃料電池系統(tǒng)受到各種參數(shù)的干擾時(shí)，MPC能有效地減少系統(tǒng)的干擾，減少系統(tǒng)超調(diào)，保持系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。但MPC受限于精確的溫度計(jì)算模型、在線優(yōu)化時(shí)間長。

1.5模糊控制

模糊控制（Fuzzy Logic Control， FLC）是以模糊集理論、模糊語言變量和模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種智能控制方法。陳彥志[4]在建立燃料電池、水泵、水箱以及散熱器熱模型的基礎(chǔ)上，提出了基于模糊控制的細(xì)調(diào)節(jié)溫度控制策略。在水冷型PEMFC測試平臺上對8 kW的燃料電池進(jìn)行了策略驗(yàn)證，在四種穩(wěn)態(tài)工況下的最大超調(diào)量為0.5℃，在動(dòng)態(tài)變載工況下的最大超調(diào)量為1.5℃，驗(yàn)證了該控制策略能在不同的工況下滿足溫度的控制需求。Zou等[29]為了在最佳工作溫度范圍內(nèi)控制電堆溫度的波動(dòng)，設(shè)計(jì)了一種模糊控制器，電堆溫度及其推導(dǎo)被認(rèn)為是模糊輸入，冷卻劑泵電壓被選為控制變量。將控制策略應(yīng)用于5 kW水冷PEMFC測試系統(tǒng)的冷卻泵，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，該模糊控制器能夠有效地實(shí)時(shí)管理堆棧溫度。應(yīng)用模糊控制可使堆棧溫度在2°C以內(nèi)波動(dòng)。Wang等[30]建立了質(zhì)子交換膜燃料電池溫度三維模糊控制器，模糊輸入包括溫度誤差、溫度變化率和外部負(fù)載電流，冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速作為輸出變量來調(diào)節(jié)溫度。在確認(rèn)所設(shè)計(jì)的模糊規(guī)則對電池溫度控制是有效的之后，在測試平臺上利用H-100燃料電池和冷卻風(fēng)扇進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明三維模糊控制器比傳統(tǒng)的基于ITAE的PI控制器具有更好的溫度調(diào)節(jié)能力。

燃料電池是一個(gè)非線性系統(tǒng)，并且溫度的控制過程存在滯后性和耦合性。從工作原理上看，模糊控制是合適的，并且模糊控制不需要準(zhǔn)確的計(jì)算模型，更容易實(shí)現(xiàn)。但信息簡單的模糊處理可能導(dǎo)致系統(tǒng)的控制精度降低和動(dòng)態(tài)品質(zhì)變差。

1.6其他控制

尹良震等[31]針對空冷型PEMFC發(fā)電系統(tǒng)溫度控制具有非線性、時(shí)變等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)開發(fā)了自適應(yīng)逆控制（Adaptive Inverse Control， AIC）非線性控制器，來實(shí)現(xiàn)發(fā)電系統(tǒng)實(shí)時(shí)最優(yōu)溫度控制。在搭建的空冷型PEMFC測試平臺上進(jìn)行了驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明提出的AIC控制方法在加減載過程中有效抑制了系統(tǒng)的超調(diào)，縮短了系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間，減小了系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)工作時(shí)工作溫度以及輸出電壓的波動(dòng)，有利于發(fā)電系統(tǒng)長期高效、穩(wěn)定的工作。Yan等[32]為了確保即使在故障條件下，電堆溫度也保持在指定范圍內(nèi)，提出了一種基于滑模的主動(dòng)容錯(cuò)控制（Active Fault-Tolerant Control， AFTC）策略。利用裝有3 kW質(zhì)子交換膜燃料電池堆的試驗(yàn)臺進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，在傳感器故障條件下，熱管理系統(tǒng)可以高精度地將電堆出口溫度調(diào)節(jié)到參考值。Wang等[33]為了有效提高空冷質(zhì)子交換膜燃料電池在變環(huán)境條件下的輸出功率，提出了一種基于主動(dòng)溫度控制的實(shí)時(shí)功率優(yōu)化策略。基于超螺旋滑模算法（Super Twisting Algorithm， STA）開發(fā)了溫度控制器來調(diào)節(jié)電堆溫度。在配有1 kW空冷PEMFC的測試臺架上進(jìn)行了不同運(yùn)行工況下的實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明空冷質(zhì)子交換膜燃料電池在較高負(fù)荷下運(yùn)行時(shí)，功率提高了4%以上，說明了STA溫度控制器能有效控制電堆溫度。

表1總結(jié)了上述燃料電池堆測試平臺溫度控制方法的優(yōu)缺點(diǎn)，為相關(guān)研究人員選擇控制方法提供參考。

表1 燃料電池堆測試平臺溫控系統(tǒng)控制方法對比

控制方法"""""" 優(yōu)點(diǎn)"""""" 缺點(diǎn)

PID控制 （1）控制原理簡單，易于理解

（2）容易優(yōu)化，僅需調(diào)整比例、積分和微分系數(shù)就可優(yōu)化控制效果" （1）無法處理非線性系統(tǒng)

（2）無法處理復(fù)雜系統(tǒng)

（3）響應(yīng)速度慢，調(diào)節(jié)時(shí)間長

模型預(yù)測控制"""""" （1）可以處理多輸入多輸出的復(fù)雜系統(tǒng)

（2）可以處理非線性系統(tǒng)

（3）容易優(yōu)化，可以通過調(diào)整模型和目標(biāo)函數(shù)來優(yōu)化系統(tǒng)的控制效果"""" （1）計(jì)算量大：MPC需要在每一個(gè)時(shí)間步迭代求解優(yōu)化問題，比較耗費(fèi)時(shí)間

（2）高度依賴模型，如果模型不準(zhǔn)確，控制效果可能不如期望

（3）調(diào)參難度大，MPC需要根據(jù)具體的控制系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，這需要一定的專業(yè)知識和經(jīng)驗(yàn)，如果參數(shù)設(shè)置不當(dāng)，可能導(dǎo)致控制系統(tǒng)不穩(wěn)定

模糊控制"""""" （1）不需要構(gòu)建復(fù)雜的模型公式，通過經(jīng)驗(yàn)和直觀的方式就可進(jìn)行設(shè)計(jì)和調(diào)整

（2）可以處理多輸入多輸出的復(fù)雜系統(tǒng)

（3）具有較好的容錯(cuò)性，可以快速響應(yīng)控制信號和反饋信號的變化" （1）高度依賴經(jīng)驗(yàn)規(guī)則，如果規(guī)則庫不完善，將導(dǎo)致系統(tǒng)的控制精度降低和動(dòng)態(tài)品質(zhì)變差

（2）模糊控制的輸出結(jié)果通常為一系列模糊集，不太容易理解和解釋

自適應(yīng)逆控制"""""" （1）能夠適應(yīng)系統(tǒng)參數(shù)的變化和外界干擾的影響

（2）具有較好的魯棒性和控制性能" （1）系統(tǒng)模型的建立和參數(shù)估計(jì)器的設(shè)計(jì)相對復(fù)雜

（2）對計(jì)算資源和實(shí)時(shí)性要求較高

主動(dòng)容錯(cuò)控制"""""" （1）能夠在故障發(fā)生后對控制器進(jìn)行重新調(diào)整，以適應(yīng)系統(tǒng)參數(shù)的變化和外界干擾的影響

（2）具有較好的魯棒性和控制性能

（3）能夠更大限度地提高控制系統(tǒng)的性能，對故障何時(shí)發(fā)生、故障發(fā)生幅度的自適應(yīng)性容錯(cuò)能力相比被動(dòng)容錯(cuò)控制強(qiáng)許多"""""" （1）需要設(shè)計(jì)較多的控制算法，對計(jì)算資源和實(shí)時(shí)性要求較高

（2）控制器結(jié)構(gòu)和參數(shù)估計(jì)器的設(shè)計(jì)相對復(fù)雜

超螺旋滑?？刂?"" （1）具有較強(qiáng)的魯棒性，能夠有效地抑制系統(tǒng)的擾動(dòng)

（2）響應(yīng)快速，能夠在較短的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定控制" （1）容易產(chǎn)生抖振現(xiàn)象，需要采取相應(yīng)的措施進(jìn)行抑制

（2）對控制器參數(shù)的選擇較為敏感，需要進(jìn)行精細(xì)調(diào)節(jié)

（3）在實(shí)際應(yīng)用中需要考慮系統(tǒng)的非線性特性，需要進(jìn)行相應(yīng)的處理

結(jié)束語

本文在廣泛調(diào)研的基礎(chǔ)上，首先總結(jié)了國內(nèi)外燃料電池堆測試平臺的研發(fā)現(xiàn)狀，然后從建模和控制兩個(gè)方面具體介紹了目前測試平臺熱管理模塊的研究進(jìn)展，得到了以下結(jié)論：

（1）隨著傳感器精度以及參數(shù)估計(jì)模型準(zhǔn)確度的提升，燃料電池測試平臺的濕度控制功能更加完善。其他運(yùn)行參數(shù)的控制也更加準(zhǔn)確，范圍更廣。為了滿足不同測試需求，系統(tǒng)設(shè)計(jì)向模塊化方向發(fā)展。

（2）隨著對控制精度要求的提升，測試平臺溫度管理模型更加細(xì)化，將更多輔助系統(tǒng)部件的熱傳輸納入建模中。

（3）現(xiàn)階段，PID控制在燃料電池測試平臺溫度控制中應(yīng)用最廣泛，但PID控制算法的效果并不如人意。燃料電池堆測試平臺溫度控制開始使用智能算法，例如模型預(yù)測控制、模糊控制等。

未來燃料電池堆測試平臺溫度模型的構(gòu)建，需要考慮電堆的非等溫特性，避免模型在應(yīng)用于控制時(shí)，出現(xiàn)局部溫度過高的情況?？刂品椒ǚ矫娉嗽趥鹘y(tǒng)PID控制方法上進(jìn)行改進(jìn)之外，可以嘗試將PID與其他先進(jìn)控制結(jié)合，例如模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等，來實(shí)現(xiàn)溫度的實(shí)時(shí)精準(zhǔn)調(diào)控。

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