氢燃料电池发动机热管理系统的控制方案研究

2022-03-05李文浩方虹璋杜常清卢炽华

车用发动机 2022年1期

李文浩，方虹璋，杜常清，卢炽华

(1.先进能源科学与技术广东省实验室佛山分中心(佛山仙湖实验室)，广东佛山 528200；2.武汉理工大学现代汽车零部件技术湖北省重点实验室，湖北武汉 430070)

氢燃料电池汽车是全球汽车动力系统转型升级的重要方向，也是构建低碳交通体系的重要组成部分，将极大推动我国尽早实现“碳达峰、碳中和”。氢燃料电池汽车在运行过程中其核心部件电堆会产生大量的热量，通常是传统内燃机汽车的两倍，而考虑到电堆的性能以及寿命，需要使电堆温度保持在合适的范围(75～90 ℃)，因此对其热管理系统提出了更高的要求。氢燃料电池发动机热管理系统主要由水泵、散热器、PTC加热器、膨胀水箱、散热风扇和节温器等部件构成，通过各部件的协同工作控制氢燃料电池电堆进出口的冷却液温度来维持电堆的运行温度。然而在启动、拉载、减载等复杂工况下，受水泵、散热风扇等零部件因素影响，系统对冷却液温度的控制有一定的滞后性，增大电堆进出口冷却液温度的波动幅度，进而影响氢燃料电池发动机系统的动态响应性能及电堆的使用寿命。因此，快速精确的热管理系统控制方案对于氢燃料电池发动机系统及整车的高效、安全运行具有十分重要的意义。

目前，针对氢燃料电池发动机热管理系统的控制需求，国内外众多研究人员在控制方案上开展了广泛的研究。Ahn等提出了一种利用热回路来管理温度的温度控制方案，发现这种控制方案对于确保燃料电池系统的高效率运转具有重要的作用。Liso等提出了一种由温度变化控制的模型，这种模型能够适应负载的大幅度变化，保证燃料电池的安全、高效性。Saygili等通过利用开关控制器以及PID控制器，大幅度地降低了热量的损耗。陈维荣等利用电流控制水泵的转速，减轻热管理系统中一些强耦合作用，对热管理系统的控制更精准，响应速度更快。赵洪波等提出流量跟随电流及功率方式以及神经网络自抗扰方法两种热管理控制方案，试验表明系统中水泵和散热风扇的强耦合作用明显地被削弱，并且降低了电堆进出口的温度以及调节时间。

虽然已有众多研究人员对氢燃料电池发动机系统的热管理控制方案进行了深入的研究，且取得了一些成果，但依然存在变载工况时温度波动大、响应速度较慢等问题。针对上述问题，本研究提出了基于电堆功率、电堆进出口冷却液温差、冷却液流量等多参数跟随的热管理控制方案，并利用多学科领域的复杂系统建模与仿真平台AMESim对某款氢燃料电池发动机的热管理系统建立了一维仿真模型，通过在典型工况下对不同控制方案进行仿真分析，详细研究了多参数跟随的控制方案对电堆进出口冷却液的温度、温差、变载时温度波动以及响应速度的影响规律。

1 氢燃料电池发动机热管理系统

1.1 系统结构及原理

氢燃料电池发动机热管理系统是由多个部件组成的耦合系统，这个系统的作用就是将电堆的温度控制在适当的范围内。如果温度过高，电堆会出现脱水现象，使其不能正常工作，导电率下降，影响电堆的使用寿命以及系统安全性。如果温度过低，则会使电堆里面的催化剂失活。为了保证电堆内部化学反应的高效性及均匀性，电堆进出口冷却液的温差应当尽量控制在10 ℃以内。

图1示出某款氢燃料电池发动机的热管理系统示意图。系统主要包括水泵、散热器、节温器、PTC加热器、中冷器、散热风扇，以及各种阀门和管件。热管理系统包含两个循环:大循环和小循环。大循环为散热器冷却回路，小循环为PTC加热回路。热管理系统工作原理：在低温启动阶段通过小循环的PTC加热器对电堆进行加热，当电堆温度达到一定值时经过大循环由散热器带走电堆绝大部分热量，水泵驱动冷却液在热管理回路中流动，节温器根据进口冷却液温度来控制两个循环的流量分配，中冷器对经过空压机加压后的高温空气进行冷却。

图1 氢燃料电池发动机热管理系统示意

在氢燃料电池发动机热管理系统中，水泵和散热风扇是主要的控制对象。水泵驱动冷却水循环来带走电堆工作产生的热量，由此控制着电堆进出口冷却液的温差；而散热风扇则决定了散热器的散热量，控制着电堆入口冷却液的温度。由于温度具有时滞性，热管理系统具有惯性、非线性等特点，而且冷却水泵与散热风扇具有耦合作用，电堆在负荷变化的情况下会出现温度波动较大，甚至短暂性高温、难调节的情况，这样会导致电堆的效率较低、寿命缩短。为了避免在大幅度变载过程中热管理系统出现不良反应，应采用合适的控制方案使电堆进出口冷却液温度变化稳定、热管理系统各部件响应速度快，保证热管理系统的高效性和安全性。

1.2 基于多参数跟随的控制方案设计

本研究提出了基于电堆功率、电堆进出口冷却液温差、冷却液流量等多参数跟随的热管理控制方案。为了进行对比，采用控制变量法建立了4种不同的控制方案(见图2)。图2a所示的控制方案为较传统的燃料电池热管理系统控制方案，其水泵转速跟随电堆功率的控制，散热风扇转速则由电堆出口温度来控制；图2b在图2a的基础上，将PID控制与水泵转速跟随电推功率的控制相结合，和分别为电堆进出口的温度，实现了水泵和散热风扇的部分解耦；图2c在图2a的基础上，采用电堆出口温度和冷却液流量同时控制散热风扇转速；图2d综合考虑了图2b和图2c两种控制方案。

图2 多参数跟随热管理系统控制方案

水泵转速跟随电堆功率控制是根据电堆所发出的功率来控制水泵的转速，在变载时，通过迅速改变管路中冷却液的流量保证电堆进出口的温度波动不大。PID控制则是将电堆进出口冷却液温差作为反馈来控制水泵的转速，调节电堆进出口冷却液温差。散热风扇转速跟随温度及冷却液流量控制，是将电堆出口的温度及流量作为自变量来调节散热风扇转速，产生与电堆产热量相匹配的散热量。

2 热管理系统建模及仿真结果分析

2.1 仿真模型建立

采用多学科领域的复杂系统建模与仿真平台AMESim来搭建燃料电池发动机热管理系统的模型。如图3所示，此模型为控制方案a的仿真模型，其中包含3个回路：大循环、小循环和中冷回路。氢燃料电池发动机系统的散热需求主要来自于两方面：一是燃料电池堆化学反应产生的热量，二是经空压机加压之后高温高压空气经过中冷器时带来的热量，仿真模型中通过信号库中Piecewiselinear元件的电堆热量输入接口和中冷器热量输入接口来进行设定；水泵的转速通过信号库的Fofx元件来跟随电堆功率的控制；PTC加热器及散热风扇由信号库的Trigger元件进行控制；进气速度跟随车速改变；进气温度由全局变量中的外界环境决定。全局变量包含外界环境及冷却液两个元件：外界环境定义了整个热管理系统所处的自然环境，其中温度和压力分别设置为20 ℃和标准大气压；冷却液为50%乙醇水溶液。通过管路进行各元件之间的连接，同时利用孔类元件来进行流阻模拟，利用传感器采集的温度和功率等信号来对系统进行控制。b、c、d 3种控制方案下的热管理系统一维仿真模型与控制方案a类似。

图3 控制方案a一维仿真模型

2.2 热管理系统散热需求计算

氢燃料电池发动机系统所匹配的是额定功率为62 kW、峰值功率为80 kW的质子交换膜氢燃料电池堆，图4示出电堆的极化曲线，相关技术参数如表1所示，据此可计算电堆散热需求和中冷器散热需求。

图4 电堆极化曲线

表1 电堆主要技术参数

2.2.1 电堆散热需求计算

电堆所产生的能量分为两部分，一部分为输出的电能，另一部分则为需要散发的热量。则电堆的发热量为电堆内部化学反应所产生的总能量减去电堆所产生的电能。

=(-)，

(1)

=·。

(2)

式中：为电堆即时发热功率；为单片电池电压；为单片电池即时电压；为系统即时电流；为电堆的总片数；为单位活化面积电流；为电堆活化面积。

2.2.2 中冷器散热需求计算

中冷器产生的热量主要是来自经空压机压缩后高温高压空气产生的热能。

=··Δ。

(3)

式中：为空气的比热容；为空气质量流量；Δ为空气温差。

2.3 热管理系统一维仿真模型验证

在对本研究提出的热管理系统不同控制方案仿真分析之前，选取文献[15]中的试验结果作为参照，来验证所建立热管理系统一维仿真模型。验证工况为水泵的转速一定时，将电堆电流以40 A的增幅从80 A增至200 A，对应的模型中热量输入需求如图5所示。在此工况下基于所建立的仿真模型计算得到电堆进出口冷却液温度的差值，并与文献中的试验结果进行对比，结果如图6所示。可以看出，在相同的工况下，电堆进出口的冷却液温差的仿真结果与试验结果吻合度很高，验证了所建立的热管理系统一维仿真模型的可靠性。

图5 验证工况下系统散热需求

图6 热管理系统一维仿真模型验证

2.4 不同控制方案下仿真结果对比分析

在燃料电池发动机典型工况下对不同控制方案下的仿真结果进行对比分析。典型工况的散热需求如图7所示。

图7 典型工况下系统散热需求

2.4.1 水泵采用多参数跟随控制方案下热管理系统性能

控制方案b在控制方案a的基础上利用PID调节水泵的转速，主要期望通过PID调节使电堆进出口冷却液温差尽可能地小，且温差变化更加平缓，保证电堆工作更加高效、安全。图8和图9示出热管理系统在控制方案a和b下电堆进出口冷却液温度和温差变化对比。

图8 在控制方案a和b下电堆进出口冷却液温度变化

图9 在控制方案a和b下电堆进出口冷却液温差

由图8可知，当电堆在中低负荷情况下工作时，控制方案b电堆出口冷却液温度较控制方案a降低约0.9 ℃，电堆进口冷却液温度无明显差异；随着电堆功率的增加，采用控制方案b的热管理系统电堆进、出口冷却液温度均较控制方案a有所降低，分别约为0.4 ℃和0.9 ℃，能够防止电堆在高负荷下内部温度过高。

由图9可知，采用控制方案b的热管理系统电堆进出口冷却液温差较控制方案a降低约0.5 ℃，且采用控制方案b的电堆进出口冷却液温差在系统变载时波动更小，有利于维持电堆内部温度均匀性。

2.4.2 散热风扇采用多参数跟随控制方案下热管理系统性能

控制方案c在控制方案a的基础上，使用冷却液流量和电堆出口冷却液温度联合控制散热风扇转速，使热管理系统在散热需求增大时，能够降低由于温度迟滞带来的影响，提高热管理系统的响应速度。图10示出热管理系统在控制方案a和c下电堆进出口冷却液温度变化情况。

由图10可知，在电堆拉载时，相对于控制方案a，控制方案c能够在电堆拉载开始后，迅速地增大散热器风扇的转速，提高散热器的功率，使电堆进出口冷却液温度变化更加平缓，提高了热管理系统散热响应速度；并且每次拉载完成后，控制方案c电堆进出口冷却液温度大约比控制方案a的低2 ℃，在整个电堆工作过程中，温度变化的幅度较小，有利于电堆高效率的工作及安全性能。

图10 在控制方案a和c下电堆进出口冷却液温度变化

2.4.3 水泵和散热风扇同时采用多参数跟随控制方案下热管理系统性能

控制方案d综合考虑了控制方案b和控制方案c的特点。图11、图12分别示出热管理系统在控制方案a和d下电堆进出口冷却液温度变化和温差变化情况。由图11和图12可知，控制方案d的电堆进出口冷却液温差较控制方案a降低约2.3 ℃，使温差更小且在系统变载时变化幅度更小；在电堆进出口冷却液温度变化控制上，控制方案d能够在拉载时迅速提升系统的散热能力，并且每次拉载完成后，电堆进出口冷却液温度大约比控制方案a的低3 ℃，使电堆进出口冷却液温度在整个工作过程中变化更平缓、波动更小。