氫燃料電池發動機熱管理系統的控制方案研究

李文浩，方虹璋，杜常清，盧熾華

(1.先進能源科學與技術廣東省實驗室佛山分中心(佛山仙湖實驗室)，廣東 佛山 528200；2.武漢理工大學現代汽車零部件技術湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430070)

氫燃料電池汽車是全球汽車動力系統轉型升級的重要方向，也是構建低碳交通體系的重要組成部分，將極大推動我國盡早實現“碳達峰、碳中和”。氫燃料電池汽車在運行過程中其核心部件電堆會產生大量的熱量，通常是傳統內燃機汽車的兩倍，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提出了更高的要求。氫燃料電池發動機熱管理系統主要由水泵、散熱器、PTC加熱器、膨脹水箱、散熱風扇和節溫器等部件構成，通過各部件的協同工作控制氫燃料電池電堆進出口的冷卻液溫度來維持電堆的運行溫度。然而在啟動、拉載、減載等復雜工況下，受水泵、散熱風扇等零部件因素影響，系統對冷卻液溫度的控制有一定的滯后性，增大電堆進出口冷卻液溫度的波動幅度，進而影響氫燃料電池發動機系統的動態響應性能及電堆的使用壽命。因此，快速精確的熱管理系統控制方案對于氫燃料電池發動機系統及整車的高效、安全運行具有十分重要的意義。

目前，針對氫燃料電池發動機熱管理系統的控制需求，國內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，發現這種控制方案對于確保燃料電池系統的高效率運轉具有重要的作用。Liso等提出了一種由溫度變化控制的模型，這種模型能夠適應負載的大幅度變化，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速，減輕熱管理系統中一些強耦合作用，對熱管理系統的控制更精準，響應速度更快。趙洪波等提出流量跟隨電流及功率方式以及神經網絡自抗擾方法兩種熱管理控制方案，試驗表明系統中水泵和散熱風扇的強耦合作用明顯地被削弱，并且降低了電堆進出口的溫度以及調節時間。

雖然已有眾多研究人員對氫燃料電池發動機系統的熱管理控制方案進行了深入的研究，且取得了一些成果，但依然存在變載工況時溫度波動大、響應速度較慢等問題。針對上述問題，本研究提出了基于電堆功率、電堆進出口冷卻液溫差、冷卻液流量等多參數跟隨的熱管理控制方案，并利用多學科領域的復雜系統建模與仿真平臺AMESim對某款氫燃料電池發動機的熱管理系統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行仿真分析，詳細研究了多參數跟隨的控制方案對電堆進出口冷卻液的溫度、溫差、變載時溫度波動以及響應速度的影響規律。

1 氫燃料電池發動機熱管理系統

1.1 系統結構及原理

氫燃料電池發動機熱管理系統是由多個部件組成的耦合系統，這個系統的作用就是將電堆的溫度控制在適當的范圍內。如果溫度過高，電堆會出現脫水現象，使其不能正常工作，導電率下降，影響電堆的使用壽命以及系統安全性。如果溫度過低，則會使電堆里面的催化劑失活。為了保證電堆內部化學反應的高效性及均勻性，電堆進出口冷卻液的溫差應當盡量控制在10 ℃以內。

圖1示出某款氫燃料電池發動機的熱管理系統示意圖。系統主要包括水泵、散熱器、節溫器、PTC加熱器、中冷器、散熱風扇，以及各種閥門和管件。熱管理系統包含兩個循環:大循環和小循環。大循環為散熱器冷卻回路，小循環為PTC加熱回路。熱管理系統工作原理：在低溫啟動階段通過小循環的PTC加熱器對電堆進行加熱，當電堆溫度達到一定值時經過大循環由散熱器帶走電堆絕大部分熱量，水泵驅動冷卻液在熱管理回路中流動，節溫器根據進口冷卻液溫度來控制兩個循環的流量分配，中冷器對經過空壓機加壓后的高溫空氣進行冷卻。

圖1 氫燃料電池發動機熱管理系統示意

在氫燃料電池發動機熱管理系統中，水泵和散熱風扇是主要的控制對象。水泵驅動冷卻水循環來帶走電堆工作產生的熱量，由此控制著電堆進出口冷卻液的溫差；而散熱風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。由于溫度具有時滯性，熱管理系統具有慣性、非線性等特點，而且冷卻水泵與散熱風扇具有耦合作用，電堆在負荷變化的情況下會出現溫度波動較大，甚至短暫性高溫、難調節的情況，這樣會導致電堆的效率較低、壽命縮短。為了避免在大幅度變載過程中熱管理系統出現不良反應，應采用合適的控制方案使電堆進出口冷卻液溫度變化穩定、熱管理系統各部件響應速度快，保證熱管理系統的高效性和安全性。

1.2 基于多參數跟隨的控制方案設計

本研究提出了基于電堆功率、電堆進出口冷卻液溫差、冷卻液流量等多參數跟隨的熱管理控制方案。為了進行對比，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的燃料電池熱管理系統控制方案，其水泵轉速跟隨電堆功率的控制，散熱風扇轉速則由電堆出口溫度來控制；圖2b在圖2a的基礎上，將PID控制與水泵轉速跟隨電推功率的控制相結合，和分別為電堆進出口的溫度，實現了水泵和散熱風扇的部分解耦；圖2c在圖2a的基礎上，采用電堆出口溫度和冷卻液流量同時控制散熱風扇轉速；圖2d綜合考慮了圖2b和圖2c兩種控制方案。

圖2 多參數跟隨熱管理系統控制方案

水泵轉速跟隨電堆功率控制是根據電堆所發出的功率來控制水泵的轉速，在變載時，通過迅速改變管路中冷卻液的流量保證電堆進出口的溫度波動不大。PID控制則是將電堆進出口冷卻液溫差作為反饋來控制水泵的轉速，調節電堆進出口冷卻液溫差。散熱風扇轉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節散熱風扇轉速，產生與電堆產熱量相匹配的散熱量。

2 熱管理系統建模及仿真結果分析

2.1 仿真模型建立

采用多學科領域的復雜系統建模與仿真平臺AMESim來搭建燃料電池發動機熱管理系統的模型。如圖3所示，此模型為控制方案a的仿真模型，其中包含3個回路：大循環、小循環和中冷回路。氫燃料電池發動機系統的散熱需求主要來自于兩方面：一是燃料電池堆化學反應產生的熱量，二是經空壓機加壓之后高溫高壓空氣經過中冷器時帶來的熱量，仿真模型中通過信號庫中Piecewiselinear元件的電堆熱量輸入接口和中冷器熱量輸入接口來進行設定；水泵的轉速通過信號庫的Fofx元件來跟隨電堆功率的控制；PTC加熱器及散熱風扇由信號庫的Trigger元件進行控制；進氣速度跟隨車速改變；進氣溫度由全局變量中的外界環境決定。全局變量包含外界環境及冷卻液兩個元件：外界環境定義了整個熱管理系統所處的自然環境，其中溫度和壓力分別設置為20 ℃和標準大氣壓；冷卻液為50%乙醇水溶液。通過管路進行各元件之間的連接，同時利用孔類元件來進行流阻模擬，利用傳感器采集的溫度和功率等信號來對系統進行控制。b、c、d 3種控制方案下的熱管理系統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 熱管理系統散熱需求計算

氫燃料電池發動機系統所匹配的是額定功率為62 kW、峰值功率為80 kW的質子交換膜氫燃料電池堆，圖4示出電堆的極化曲線，相關技術參數如表1所示，據此可計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 電堆主要技術參數

2.2.1 電堆散熱需求計算

電堆所產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的熱量。則電堆的發熱量為電堆內部化學反應所產生的總能量減去電堆所產生的電能。

=(-)，

(1)

=·。

(2)

式中：為電堆即時發熱功率；為單片電池電壓；為單片電池即時電壓；為系統即時電流；為電堆的總片數；為單位活化面積電流；為電堆活化面積。

2.2.2 中冷器散熱需求計算

中冷器產生的熱量主要是來自經空壓機壓縮后高溫高壓空氣產生的熱能。

=··Δ。

(3)

式中：為空氣的比熱容；為空氣質量流量；Δ為空氣溫差。

2.3 熱管理系統一維仿真模型驗證

在對本研究提出的熱管理系統不同控制方案仿真分析之前，選取文獻[15]中的試驗結果作為參照，來驗證所建立熱管理系統一維仿真模型。驗證工況為水泵的轉速一定時，將電堆電流以40 A的增幅從80 A增至200 A，對應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算得到電堆進出口冷卻液溫度的差值，并與文獻中的試驗結果進行對比，結果如圖6所示。可以看出，在相同的工況下，電堆進出口的冷卻液溫差的仿真結果與試驗結果吻合度很高，驗證了所建立的熱管理系統一維仿真模型的可靠性。

圖5 驗證工況下系統散熱需求

圖6 熱管理系統一維仿真模型驗證

2.4 不同控制方案下仿真結果對比分析

在燃料電池發動機典型工況下對不同控制方案下的仿真結果進行對比分析。典型工況的散熱需求如圖7所示。

圖7 典型工況下系統散熱需求

2.4.1 水泵采用多參數跟隨控制方案下熱管理系統性能

控制方案b在控制方案a的基礎上利用PID調節水泵的轉速，主要期望通過PID調節使電堆進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示出熱管理系統在控制方案a和b下電堆進出口冷卻液溫度和溫差變化對比。

圖8 在控制方案a和b下電堆進出口冷卻液溫度變化

圖9 在控制方案a和b下電堆進出口冷卻液溫差

由圖8可知，當電堆在中低負荷情況下工作時，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的熱管理系統電堆進、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荷下內部溫度過高。

由圖9可知，采用控制方案b的熱管理系統電堆進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的電堆進出口冷卻液溫差在系統變載時波動更小，有利于維持電堆內部溫度均勻性。

2.4.2 散熱風扇采用多參數跟隨控制方案下熱管理系統性能

控制方案c在控制方案a的基礎上，使用冷卻液流量和電堆出口冷卻液溫度聯合控制散熱風扇轉速，使熱管理系統在散熱需求增大時，能夠降低由于溫度遲滯帶來的影響，提高熱管理系統的響應速度。圖10示出熱管理系統在控制方案a和c下電堆進出口冷卻液溫度變化情況。

由圖10可知，在電堆拉載時，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扇的轉速，提高散熱器的功率，使電堆進出口冷卻液溫度變化更加平緩，提高了熱管理系統散熱響應速度；并且每次拉載完成后，控制方案c電堆進出口冷卻液溫度大約比控制方案a的低2 ℃，在整個電堆工作過程中，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下電堆進出口冷卻液溫度變化

2.4.3 水泵和散熱風扇同時采用多參數跟隨控制方案下熱管理系統性能

控制方案d綜合考慮了控制方案b和控制方案c的特點。圖11、圖12分別示出熱管理系統在控制方案a和d下電堆進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變載時變化幅度更小；在電堆進出口冷卻液溫度變化控制上，控制方案d能夠在拉載時迅速提升系統的散熱能力，并且每次拉載完成后，電堆進出口冷卻液溫度大約比控制方案a的低3 ℃，使電堆進出口冷卻液溫度在整個工作過程中變化更平緩、波動更小。

圖11 在控制方案a和d下電堆進出口冷卻液溫度變化

圖12 在控制方案a和d下電堆進出口冷卻液溫差變化

3 結論

a) 相比于傳統控制方案，水泵采用多參數跟隨控制的方案能夠減小電堆進出口冷卻液溫差，在變載的情況下溫差波動更小，避免了電堆溫度劇烈波動對燃料電池發動機系統工作性能和壽命的影響；

b) 相比于傳統控制方案，風扇采用多參數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，使熱管理系統的響應速度快、調節時間更短、精確度更高，在拉載、最大功率工況下都能夠實現穩定高效地維持電堆進出口正常工作溫度；

c) 水泵和風扇同時采用多參數控制方案，具備穩定高效維持電堆進出口冷卻液溫度、響應速度快等特點，可為氫燃料電池熱管理系統控制提供參考。