質子交換膜燃料電池發動機熱管理特性仿真分析

作者簡介：孫鐵生（1998―），男，碩士研究生，研究方向為氫能與燃料電池系統，（E-mail）956028258@qq.com。

通信作者：李潔，女，博士，副教授，碩士生導師，主要研究方為新能源電池技術，（E-mail）lijie@sjzu.edu.cn。

摘要：為解決質子交換膜燃料電池發動機在功率變化時熱管理系統溫度不穩定、進出口冷卻液溫差大等問題，使用LMS AMESim仿真軟件，以30 kW質子交換膜燃料電池發動機為基礎，考慮整車的功率變化和駕駛員需求等因素，建立質子交換膜燃料電池發動機熱管理系統模型。使用燃料電池發動機標定工況來分析熱管理系統各個部件的冷卻液溫度和壓力情況；采用新歐洲駕駛循環（NEDC）工況進行質子交換膜燃料電池熱管理仿真測試。結果表明，所建立的熱管理系統可以在NEDC工況下保持溫度穩定，進出口冷卻液最高溫差約為5.6 ℃，可為質子交換膜燃料電池發動機熱管理試驗研究及測試提供一定的依據和指導。

關鍵詞：質子交換膜燃料電池；整車模型；熱管理系統；LMS AMESim；NEDC

中圖分類號：TM911.42" " " " " 文獻標志碼：A" " " 文章編號：1000?582X（2023）04?027?10

Abstract： To solve the problems of unstable temperature of thermal management system and large coolant temperature difference between inlet and outlet when the power of proton-exchange-membrane fuel cell （PEMFC） changes， using LMS AMESim simulation software， a thermal management system model of PEMFC engine was proposed based on a 30 kW PEMFC engine， considering factors including the power change of the whole vehicle and the driver’s demand. Firstly， the fuel-cell engine calibration condition was used to analyze the coolant temperature and pressure of each component of the thermal management system. Secondly， the New European Driving Cycle （NEDC） was used to simulate the PEMFC thermal management. The results show that the established thermal management system can keep the temperature stable under NEDC working condition， and the maximum temperature difference between inlet and outlet coolant is about 5.6 ℃. This simulation analysis can provide guidance for the thermal management test research of PEMFC engine.

Keywords： proton-exchange-membrane fuel cell; vehicle model; thermal management system; LMS AMESim; NEDC

燃料電池發動機通過催化劑將燃料中的化學能直接轉換為電能，與傳統內燃機不同的是燃料電池發動機不受卡諾循環限制、內部沒有機械傳動結構等。因此，燃料電池發動機運行時具有能量轉換效率高、噪音小等特點[1?3]，其中質子交換膜燃料電池（proton exchange membrane fuel cell，PEMFC）因其比能量高、可靠性高等優點被廣泛應用于車用燃料電池發動機。但是，由于質子交換膜燃料電池內部催化劑在高溫下易失效，工作溫度通常被限制在60～80 ℃范圍內，并且對冷卻液進出口溫差的要求較高，一般不大于10 ℃。為解決這一問題，國內外學者對質子交換膜燃料電池發動機熱管理進行了大量研究工作[4?7]。

佘翔[8]闡述了內燃機熱管理系統各個部件的選型方案和設計要求，運用LMS AMESim仿真軟件對所匹配設計的內燃機系統進行不同工況下的熱管理系統仿真分析。陳維榮等[9]提出了一種冷卻液流量跟隨電流的控制策略，結果表明，該策略實現了較高的控制精度。Khan等[10]建立了一種動態算法用于檢測負載變化時引起的燃料電池溫度變化。Zhang等 [11]采用了一維與三維模型協同仿真對質子交換膜燃料電池發動機熱管理系統進行仿真模擬，預測了極端條件下熱管理系統的動態性能。Bao等[12]建立了燃料電池水熱管理一維模型，對空氣化學計量、陰極出口壓力及加濕情況對水熱管理的影響進行分析。Kang等[13]基于MATLAB/Simulink與LMS AMESim聯合建立PEMFC模型，對換熱器、加濕器、鼓風機和泵等部件進行能耗仿真，得出在聯邦測試規程（FTP75）測試循環期間，輔助部件消耗378.01 kJ能量，PEMFC的效率為41.94%。Xu等[14]基于關鍵零部件對車輛綜合熱管理系統建模，該車輛由36 kW的燃料電池和11 kW?h的鋰電池共同供電，針對車輛進行5種工況仿真，結果表明，所建立模型可以在部件熱狀態變化時分析對整車的影響。

為了解決質子交換膜燃料電池熱管理系統溫度不穩定、進出口冷卻液溫差大等問題，筆者利用LMS AMESim仿真軟件，以30 kW質子交換膜燃料電池發動機為基礎，考慮整車的功率變化和駕駛員需求等因素，建立質子交換膜燃料電池發動機熱管理系統模型。在整車功率變化的基礎上，對所建立熱管理系統在標定工況和NEDC工況進行質子交換膜燃料電池發動機熱管理仿真，所得結果可為燃料電池熱管理試驗研究及測試提供一定的依據和指導。

1 質子交換膜燃料電池仿真平臺建立

1.1 質子交換膜燃料電池系統拓撲結構

燃料電池動力系統的拓撲結構如圖1所示，主要包括供氣系統、燃料電池電堆、熱管理系統、DC/DC變流器和電機及控制器等[15]。供氣系統包括氫氣供氣和氧氣供氣：氫氣供氣將高壓氫氣瓶中的氫氣通過減壓閥降到合適的壓力輸送至電堆；氧氣供氣通過空壓機將空氣壓縮至一定壓力，在加濕器加濕后送入電堆。燃料電池電堆所產生的電能通過DC/DC變流器后為驅動汽車行駛的電機供電，燃料電池發電時電堆產生的熱量通過冷卻液帶到散熱器處散發到外界。

1.2 仿真軟件簡介

LMS AEMSim仿真軟件提供系統工程設計的完整平臺，實現機電液一體化分析。使用該仿真軟件可以建立一個復雜的多學科領域系統模型，可研究系統模型的動態和瞬態特性。因此，輸入真實試驗數據，使用該仿真軟件建立質子交換膜燃料電池發動機及其熱管理系統模型能夠較真實地反應熱管理系統情況，可以為燃料電池發動機熱管理測試提供一定的指導。

使用LMS AMESim仿真軟件建立的模塊主要包括燃料電池模塊、混合氣體模塊、熱液壓模塊、控制單元模塊、整車及駕駛員模塊等。

1.3 供氣系統模型

燃料電池供氣系統分為空氣供氣和氫氣供氣，模型如圖2所示。圖中空氣供氣模型包括空壓機、加濕器和空氣尾排閥。其中空壓機的轉速通過燃料電池輸出電壓函數控制，而空壓機的自身特性通過圖3數據輸入。壓縮空氣經空壓機加壓后進入加濕器，在加濕器中濕度增加到90%后進入電堆參與反應。空氣尾排閥開度為40%常開，為了排氣管路的壓力安全加裝安全閥，在排氣管路中壓力過高時安全閥起跳，安全閥開啟的質量流量設置為0.1 g·（s·kPa）-1。

因為質子交換膜燃料電池內部的催化劑需要一定濕度才能達到良好的催化效果，所以燃料電池中空氣加濕器的作用是對空氣進行加濕，使進入電堆的空氣可以濕潤質子交換膜。加濕器中氣體濕度可以描述為：

式中：為飽和水蒸氣的分壓力，Pa；為飽和水蒸氣的飽和分壓力，Pa；T為溫度，K；為氣體濕度。

氫氣供氣模型包括氫氣罐（70 MPa）、氫氣循環泵和氫氣尾排。燃料電池系統工作時，70 MPa氫氣罐中的氣體通過減壓閥減到0.15 MPa后進入電堆進行反應，未反應完全的氫氣通過氫氣循環泵循環回電堆進氣口再次參與反應。模型中的尾排閥通過傳感器識別電堆氫氣出口的濕度進行控制，當濕度超過80%時打開氫氣尾排閥，在濕度降回到50%后關閉尾排閥。本研究中氫氣循環泵的特性曲線如圖4所示，氫氣瓶基本參數如表1所示。

1.5 駕駛員及整車模型

在駕駛艙模型中通過將當前車速與預期車速比較，判斷當下應該做出的動作是加速或制動，模型輸出控制信號（0：不做動作；1：最大加速或制動加速度）到整車控制器，控制車輛行駛速度[16]。

1.6 熱管理系統模型

質子交換膜燃料電池發動機的工作溫度為60～80 ℃，且電堆進出口的溫差要小于10℃，溫差越小越好，而燃料電池在工作過程中不斷產生的熱量會使電堆內部溫度不斷上升，所以對電堆進行散熱是必要的[17]。熱管理系統架構如圖6所示，包括水泵、散熱器、加熱器和三通閥。

散熱器的散熱量為冷卻液與流經散熱器的空氣所交換的熱量，是冷卻液體積流量和經過散熱器空氣速度的函數。

2 熱管理仿真研究

2.1 實驗驗證

為了驗證仿真模型，在質子交換膜燃料電池電堆冷卻液進出口處安裝溫度傳感器測量進出口溫度，將測得的溫差與仿真結果進行對比。在冷卻介質為去離子水、流量為100 L·min-1情況下，對比輸出功率為22、25、28、31 kW的電堆冷卻水溫差，結果如圖8所示。可以看出實驗數據與仿真數據的變化趨勢相同，在31 kW功率下兩者溫差較為接近，在22 kW、25 kW和28 kW功率下兩者溫差相差約為1 ℃。

2.2 熱管理系統在標定工況下的仿真分析

標定工況為：燃料電池電堆的輸出功率固定在30 kW，冷卻介質流量100 L·min-1，加熱器關閉溫度60 ℃，散熱器風扇開啟后空氣流速為6.5 m·s-1，環境溫度為室溫（25℃），環境風速1 m·s-1，環境氣壓101.3 kPa。

車輛處于標定狀態下，達到穩定后仿真得到冷卻系統不同位置的冷卻液壓力和冷卻液溫度情況如圖9所示。冷卻系統中冷卻液的流動是通過水泵提供的壓力進行的。由于燃料電池內部冷卻液流道細小，所以在電堆入口處冷卻液壓力急劇升高，之后隨著流經電堆水套、三通閥和散熱器，冷卻液壓力一路降低。其中流經電堆水套的壓力降為8.55 kPa，三通閥的壓力降為9.67 kPa，散熱器中壓力降為4.80 kPa，而散熱器出口到水泵的入口之間的壓力降來自連接管路的壓力損耗3.97 kPa，用這個壓力降代替整個冷卻系統中的連接管路壓力降。當燃料電池電堆處于此標定時，電堆溫度為78.9 ℃，冷卻液進出口溫差為6.1 ℃，冷卻液的溫升全部來自于電堆的熱量，其降溫全部通過散熱器與外部的熱交換，散熱器的進出口溫差與電堆溫差一致。

上述分析說明，熱管理系統可以滿足30 kW質子交換膜燃料電池電堆的散熱需求，對30 kW穩定輸出的燃料電池的冷卻效果較為理想，電堆進出口溫差為6.1 ℃，電堆溫度穩定在78.9 ℃，滿足燃料電池發動機的散熱要求。

2.3 NEDC工況下發動機冷卻結果分析

NEDC包括4個城市路況單元和1個高速路況單元，包含加速、減速、怠速和均速4種運行狀態，能比較真實地反映整車在道路中的運行情況，因此，選擇NEDC作為仿真測試工況[18]。對熱管理模型進行NEDC工況下的產熱仿真[19]，結果如圖10所示。產熱功率與電堆功率較為接近，說明電堆模型較合理。可以看到，NEDC高速工況下的產熱急劇增加，最高產熱峰值達到36.7 kW，并且熱功率變化頻率較大。因此，對冷卻系統進行優化以達到快速降溫需求：用溫差控制水泵的流量，溫差超過4.5 ℃時水泵流量為110 L·min-1，在溫差降到3.5 ℃后水泵流量為90 L·min-1。

從圖11可以看出，在0～234 s之間電堆溫升過程散熱系統功率為負值，表示熱管理系統加熱器打開為電堆升溫提供熱量，達到電堆穩定工作溫度后，電堆溫度基本保持在60 ℃。在1 095 s時，電堆功率緩慢攀升至工況段內峰值，這時由于產熱量變大且熱管理系統達到滿負荷，電堆溫度上升至70 ℃，當峰值過后電堆溫度又回落到60 ℃。

從圖12可以看到，溫差越大，冷卻液經過散熱器的流量越大，且當溫差超過4.5 ℃時水泵加大流量以達到散熱器需求。1 050 s之后最高溫差達到5.6 ℃，這時泵的流量為110 L·min-1，且全部流過散熱器來滿足散熱要求。

從圖13可以看到，在220 s之后三通閥打開，冷卻液開始流經散熱器，此時冷卻液流量很小，散熱器進出口的溫差較大，這是由于散熱器的散熱能力強，而流經冷卻液少，導致進出口溫差較大；在1 040 s之后電堆的功率變大，散熱器內部的冷卻液流量急劇增大，所有冷卻液全部流經散熱器以應對增多的熱量，這時散熱器的進出口溫差減小到與燃料電池電堆冷卻液進出口溫差相同（根據圖12，此時電堆冷卻液進出口溫差為5.6 ℃），并且最高溫度在70 ℃以下，滿足燃料電池散熱要求。

3 結" 論

針對質子交換膜燃料電池發動機在功率變化時其熱管理系統溫度不穩定、進出口冷卻液溫差大等問題，提出了基于LMS AMESim仿真軟件建立熱管理系統模型。利用模型對標定工況和NEDC工況進行熱管理系統分析，得出如下結論：

1）在標定狀態下給出該熱管理系統各個部件的溫度和壓力情況，可為燃料電池熱管理系統試驗研究及測試提供一定的參考價值。

2）整車在NEDC工況下運行，所建立的熱管理系統可滿足該工況下加速、減速、怠速和勻速的散熱需求。

3）所建立的熱管理系統在整車功率變化劇烈的情況下保持燃料電池電堆溫度穩定，有利于燃料電池電堆長期穩定運行。

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（編輯" 羅敏）