基于目標探測的車載燃料電池熱管理系統集成化設計

習璐

（咸陽職業技術學院 汽車工程學院，咸陽 712000）

引言

氫燃料是綠色清潔能源，伴隨著能源技術和電動汽車的發展，燃料電池汽車得以快速發展并取得了重大的成果[1]。作為燃料電池電動汽車的重要驅動源，燃料電池系統的穩定性和安全性非常重要，尤其是溫控特性，其直接關系到燃料電池電堆的充放電性能和安全性能[2]。

作為一個完整的車載動力系統，燃料電池電動汽車通常采用動力電池作為另一驅動源，構成龐大且復雜的動力驅動系統，因此需要有獨立的熱管理系統對其進行加熱冷卻控制，涉及到對溫度采樣、加熱冷卻請求和控制相關的執行器件。國內針對燃料電池系統的熱管理研究在近些年取得了重大成果，文獻[3]為了提高燃料電池機車的工作效率和動態性能，建立了包含散熱器風機和冷卻液循環泵的面向控制模型，對旁路閥開度、循環泵以及散熱器風機進行動態控制和分析；文獻[4]利用GTCOOL 軟件建立了全功率燃料電池汽車熱管理系統仿真計算平臺，對極端工況下系統的散熱性能進行了分析，繼而設計了全功率燃料電池汽車熱管理系統；文獻[5]詳細分析了動力蓄電池的散熱需求，結合整車布置，完成了熱管理系統的整體設計，并對設計結果進行了數值模擬，設計了插電式燃料電池鋰電池熱管理系統。在研究大量的文獻和結合當前的研究狀態基礎上，本文以車載燃料電池熱管理系統為研究對象，在車載燃料電池熱管理系統結構基礎上，對熱管理系統性能進行影響分析，構建了分布式的燃料電池電堆和動力電池熱管理路徑，實現多路獨立冷卻回路和PTC 加熱回路，采用目標探測算法對燃料電池熱管理系統進行精確化控制，繼而提升車載燃料電池熱管理系統的性能。

1 熱管理系統結構

燃料電池電堆作為燃料電池電動汽車的主要驅動能源，其自身特性受到溫度的限制，低溫狀態下輸出功率受限，高溫狀態下易導致熱失控，尤其是對于整車，需要保證燃料電池和動力電池都工作在高效功率區間，因此需要設計合適的可靠的熱管理系統來對燃料電池電堆和動力電池進行熱量管理。整個熱管理系統主要由智能溫度傳感器、散熱器、PTC 加熱器、膨脹罐、電動水泵、空壓機、中冷器以及電子節溫器組成[6]。

利用獨立冷卻回路來實現燃料電池電堆的高低溫和動力電池的熱管理，高溫熱管理回路對電堆進行冷卻，主要通過控制電子節溫器和PTC 對電堆進行熱管理，低溫回路主要利用空壓機和空氣中冷器進行可調功率電子設備來實現低溫回路的冷卻功能，動力電池回路則是通過換熱器件和低溫冷卻回路進行耦合散熱，與此同時，電池處于高溫狀態下時利用電子節溫器可以進行精確的流量控制，在低溫狀態下利用水暖PTC 進行加熱，使其保持在最佳工作溫度區間，由于散熱器采用大功率的風扇裝置，在電堆和動力電池需要快速散熱時，只需要進行簡單的Bang-Bang 控制，輸出最大的功率來進行散熱，熱管理系統結構如圖1 所示。

圖1 燃料電池熱管理系統結構

2 熱管理性能影響分析

車載燃料電池熱管理系統的設計對燃料電池電堆具有非常大的影響，尤其是溫度的再反應對電堆輸出功率具有很大的限制，溫度過高又會導致整個燃料電池系統出現熱失控，由此在設計熱管理系統時可以有效的根據電堆的熱力學特性，制定有效且合適的冷卻觸發條件和加熱觸發條件。當熱管理系統智能溫度傳感器檢測到相應的電堆溫度滿足觸發條件，即可輸出冷卻或加熱請求指令，進而驅動熱管理執行器。

燃料電池內部產生的熱量升高了其電堆在相對應局部的反應點位的溫度，這種溫度的傳導也是聚集在電堆雙極板和供給通道中產生對流傳輸的，其熱力學描述如下所示[7]：

式中：

H r,v is,v it,I—傳熱率、電堆單體反電勢電壓和實際電壓、電流值；

?T/ ?t,m,λt—電堆溫升速率、電堆質量以及電堆平均比熱系數；

Tm,Tn,zs—電堆進出口溫度、熱管理性能表征系數。

通過對燃料電池的熱力學分析，可以看出其熱量傳遞的規律，尤其是針對其溫度冷卻，內部的熱量控制需要對其進出口冷卻流速進行調節，進出口的溫度通過冷卻裝置的開度進行控制，將劃分出不同的溫度分段，在溫度設定的區間[T1，T2]內其冷卻流速是由L4逐步往上增加至L5，冷卻裝置開啟的時間為可控的ton時間，在[T2,T3]區間內進行保溫策略，冷卻裝置關閉的時間為可控的toff時間，其進入最佳的工作溫度后重新量定出口溫度，由于大負荷的功率需求，電堆內部溫升變動很大，溫度值較小，在Ks和Kt溫控域內進行溫度調控，冷卻裝置的流速進行緩慢的下降至L0檔位，保證整個熱管理系統的穩定運行，如圖2 所示。

圖2 燃料電池熱管理系統冷卻性能

為了實現車載燃料電池熱管理系統的高性能工作，對電堆溫度進行采樣濾波后，選取有效的電堆平均溫度和整個系統的進出口溫度作為熱管理冷卻加熱的觸發溫度信號，在不同的時段進行冷卻器、PTC 加熱器的時序控制和開度控制。在溫度信號濾波后判斷到信號的有效性后進行時序控制的使能條件判斷，對于冷卻觸發使能條件的判斷，以出口溫度和濾波后有效的電堆平均溫度差為判斷，當兩者處于冷卻溫度觸發條件閾值段內，冷卻觸發使能條件滿足；加熱觸發使能條件的判斷需要先判斷進口溫度，其有效值大于Tih℃，隨后判斷電堆溫度和出口溫度的差值是否大于設定的觸發溫度閾值，從而判斷加熱觸發使能，如圖3 所示。

圖3 燃料電池熱管理系統控制時序

3 熱管理目標探測控制

熱管理系統對燃料電池電堆和動力電池的溫度進行控制，其實質就是通過采集到電堆溫度、動力電池溫度以及進出口溫度進行邏輯判斷后控制執行器進行冷卻或加熱，對于如何有效控制執行器件的冷卻或加熱動作，需要設計相應的熱管理控制算法。目標探測控制算法是一種自下而上的控制算法，其通過設定多維的控制目標后進行多路徑的探測，在最優的路徑中選取的各種控制參數加以反饋校正后進行最后的仲裁，實質是一種針對多目標進行參數優化的過程[8]。

燃料電池熱管理系統面對多部件的冷卻或加熱請求，需要處理傳感器采集到的信號、執行器驅動信號以及控制閾值，首先，對燃料電池電堆內部溫度傳感器采集的電堆溫度、動力電池溫度、進出風口溫度進行滑動平均值濾波[9]，滑動平均值濾波周期和時間設定為10 ms，其值可以在線標定。隨后對目標探測區域劃分出兩個局部求優目標，分別是通過判斷進出風口的溫度進行高溫冷卻、通過判斷電堆溫度進行低溫加熱，如圖4 所示。

圖4 熱管理系統目標探測控制

其中，在高溫冷卻目標探測路徑中，采樣周期內的濾波后的兩個電堆溫度采樣點溫度與進出風口的溫度差大于等于冷卻請求溫度閾值，且熱管理功能目標界定偏差值大于等于冷卻請求溫度閾值，在滿足上述的溫度判斷后，燃料電池熱管理系統即可發送冷卻請求，如下所示：

同理，在低溫加熱目標探測路徑中，濾波后的燃料電池電堆溫度與進風口采樣點的溫度差值小于等于加熱溫度請求閾值，同樣的，熱管理功能目標界定偏差值小于等于加熱請求溫度閾值，如下所示：

在冷卻或加熱請求目標探測過程中，進出風口的溫度需要將其進行物理特性限定：

利用目標探測策略獲取到熱管理系統高溫冷卻請求和低溫加熱請求后，需要對執行器件進行速度或功率控制，在熱管理冷卻過程中，當收到冷卻請求瞬時狀態后進行防抖處理后，根據電堆溫度和進風口溫度進行散熱風扇轉速的調節，由于進風口溫度會存在長時間的恒溫狀態，無法真正的確認電堆溫度是否下降，在冷卻請求置位后，可以先將風扇啟動后保持恒定的轉速，運行周期可以為固定的，將進風口溫度降下后，與電堆溫度做邏輯，后對風扇進行轉速調節，當電堆溫度達到極值狀態，需要全速運行風扇進行散熱；低溫加熱過程主要是利用PTC 加熱器進行加熱，根據不同的電堆溫度段進行PTC加熱器的PWM 控制[10]，通過控制其占空比來實現PTC的功率調節，在低溫加熱過程中需要結合電子節溫器進行常溫下的水循環，如圖5 所示。

圖5 熱管理執行器件分段控制

4 試驗分析

針對設計的車載燃料電池熱管理集成系統在變工況狀態下的冷卻加熱性能，利用現有最大功率43 kW 的電堆構建了熱管理系統實驗臺架，主要由燃料電池電堆、智能溫度傳感器、工況模擬裝置、可編程電阻模擬器以及在線標定裝置構成。在線標定裝置可以對熱管理系統中的冷卻加熱觸發條件閾值、冷卻器的轉速等進行在線標定，可編程電阻模擬裝置可以設置不同的溫度值，滿足不同工況的溫度觸發條件，整個實驗過程中，采集了燃料電池電堆不同工況下的實時溫度，具體的如圖6~9所示。

圖6 燃料電池熱管理系統實驗臺架

在設計的熱管理策略中功能模塊的運行周期是100 ms，采樣周期設定為100 ms，整個熱管理過程中，針對燃料電池電堆的溫度進行不同工況下的采樣，其中，圖7 采樣結果表示的是電堆溫度在間歇開啟獨立冷卻回路下的濾波采樣溫度，從圖中可以看出，不同工況下溫度的波動幅度較小，通過對電堆溫度進行滑動平均濾波，將溫度突變較為嚴重的部分削除，工況1 下的電堆溫度經過2 個采樣周期的濾波后數值保持穩定；圖8 是在整個采樣過程中，對熱管理介入過程中，變工況下燃料電池電堆的平均溫度采樣結果，整個采樣過程中，熱管理系統對燃料電池電堆進行溫度控制誤差范圍保持在0.5 ℃，電堆的平均溫度一直保持在穩定狀態，沒有出現采樣偏差；圖9 是觸發了冷卻和加熱條件后熱管理系統控制下的燃料電池電堆溫度，從實時溫度采樣結果可以看出，在溫度較高，觸發冷卻請求條件后，熱管理系統控制冷卻器迅速介入，對電堆進行散熱，在一個采樣周期內，散熱裝置啟動，在溫度較低，觸發加熱請求后，PTC 加熱器進行加熱工作，確保電堆工作在高效輸出溫度區間內。

圖7 燃料電池熱電堆采樣溫度

圖8 燃料電池電堆變工況平均溫度

圖9 熱管理控制下電堆采樣溫度

5 結束語

車載燃料電池系統熱管理是非常關鍵的組件，其承擔著整個系統的冷卻加熱過程控制性能優化，燃料電池需要保持在一定的溫度區間才能釋放出最優的能量，針對車載燃料電池的熱管理性能需求，設計了獨立冷卻回路的熱管理系統，采用目標探測的熱管理控制方法，對冷卻器件和加熱器件進行控制，從而實現燃料電池電堆的溫度控制，整個集成化設計的熱管理系統在構建的試驗環境中進行了實驗驗證，結果表明其設計方法和目標探測算法的可靠性，能夠快速的提升車載燃料電池系統的熱管理性能。