車載燃料電池系統(tǒng)溫度控制方法

導? 讀

電堆溫度會直接影響燃料電池影響催化轉(zhuǎn)化速率，同時也會影響內(nèi)部水蒸發(fā)冷凝，從而影響膜內(nèi)部水合狀態(tài)。同時，高溫情況會導致材料的降解破裂現(xiàn)象，降低系統(tǒng)壽命。因此溫度狀態(tài)對燃料電池系統(tǒng)而言是一個重要的變量，需要被準確地控制。同時由于燃料電池化學反應一半左右的能量被轉(zhuǎn)化為熱量，散熱需求巨大，與傳統(tǒng)燃油車較高的反應溫度（400℃）相比，其反應溫度卻較低（約80℃左右）。這意味著為維持正常系統(tǒng)溫度穩(wěn)定和精確，燃料電池需要比傳統(tǒng)燃油車更大，更復雜的熱管理系統(tǒng)，同時對精確控制策略要求也更高。因此，高效能熱管理系統(tǒng)及其智能控制策略是車載燃料電池發(fā)動機研究重點之一。

燃料電池系統(tǒng)熱管路框架

典型的PEM燃料電堆和冷卻通道示意圖如圖1所示 [1]。一片單體燃料電池由一個聚合物電解質(zhì)膜(PEM)，兩個催化劑層(CL)，兩個氣體擴散層(GDL)和微孔層(MPL)，兩個雙極板(BP)組成，其中包含了氣體流動通道和冷卻流道。在熱管理過程中，外部冷卻水進入電堆后分流進入各個單體流場，在如圖1（b）交叉的冷卻流道中對各個單體的熱管進行有效熱交換，最后換熱完成的冷卻水匯總輸出給外部熱管理系統(tǒng)。

圖1. 燃料電池單體結(jié)構(gòu)（a）冷卻板及冷卻流道（b）[1]

進一步地，外部熱管理系統(tǒng)根據(jù)PEMFC電堆需求，對冷卻液進行冷卻或是加熱處理，一種典型的熱管理系統(tǒng)如圖2所示[2]，主要包括水泵，散熱器，風扇等部件。其中冷卻水進入電堆換熱后，經(jīng)過外部散熱器與環(huán)境空氣進行熱交換。然后再將降溫后的冷卻水由水泵重新壓入燃料電池電堆，完成冷卻水的循環(huán)。同時，輔助系統(tǒng)中的大功率發(fā)熱器件如壓縮機，DCDC等，也可以通過類似的降溫方式進行熱管理，以保證燃料電池系統(tǒng)的熱穩(wěn)定，提升系統(tǒng)效率，安全與壽命。

圖2. 典型燃料電池熱管理系統(tǒng)示意圖[2]

燃料電池熱管理控制策略

然而，由于燃料電池熱管理問題執(zhí)行器件耦合因素較多，且大功率成組后燃料電池系統(tǒng)質(zhì)量，體積均較大，管路長，熱容高。使得溫度控制遲滯問題嚴重，難實現(xiàn)控制目標的準確追蹤。同時在反應過程中，電堆不同位置散熱差異也容易引起溫度分布不均，造成局部衰減。因此，基于上述問題，需要精確，高效的溫度控制策略對電堆溫度進行有效控制，維持系統(tǒng)正常工作。在溫度控制方面，已許多控制方法被提出并取得了較好的控制效果。

例如，D. O'Keefe等人[3]采用設計了時變的比例積分(PI)控制器，用于控制水冷的5kw氫燃料電池電堆的溫度，控制框架如圖3所示。這種一種經(jīng)典的燃料電池控制方式，通過電堆反饋的溫度與控制目標溫度作為控制誤差，以溫度控制誤差為輸入，根據(jù)誤差控制器在線計算出合適控制量并實時控制冷卻水流量大小，從而實現(xiàn)電堆溫度實時調(diào)節(jié)。

圖3. 基于時變PI冷卻流量控制框架[3]

除了控制冷卻水流量的方式，控制換熱器風扇轉(zhuǎn)速的方式同樣會影響電堆的溫度調(diào)節(jié)。V. Liso [4]等人設計PID控制對散熱器外部風扇轉(zhuǎn)速進行實時控制，如圖4所示。通過控制風扇，改變換熱器外部空氣流速，以影響散熱器壁面與空氣間的對流換熱系數(shù)，從而改變散熱器換熱功率。在燃料電池溫度高時，風扇轉(zhuǎn)速被PID控制器拉高，增大實時換熱量從而降低散熱器出口溫度，間接地控制了冷卻液溫度，從而改變電堆內(nèi)部換熱，實現(xiàn)電堆溫度的實時調(diào)節(jié)。

圖4. 換熱器風扇PID控制框架[4]

溫度控制中存在各種擾動，如負載的變化，環(huán)境溫度變化等。這些擾動會導致系統(tǒng)產(chǎn)熱與換熱的改變，而傳統(tǒng)的PID控制器閉環(huán)響應慢，超調(diào)大，易振蕩等缺點，使得電堆精準的溫度控制變得困難，從而影響燃料電池效率和壽命。因此，具有工況適應性，抗擾性強，快速響應的控制策略是提升燃料電池熱管的重要途經(jīng)，在近年來較多燃料電池系統(tǒng)熱管理控制研究聚焦于此。

例如，D. Li等人[5]提出了一種自抗擾溫度控制器，控制框架如圖5所示。這種二階自抗擾設計主要包括跟蹤微分器(TD)、擴展狀態(tài)觀測器(ESO)和非線性狀態(tài)誤差反饋器(NLSEF)。通過自抗擾控制，可以獲得控制快速的系統(tǒng)輸出響應，同時具有降低內(nèi)部負載變化和膜含水量變化引起的擾動影響，準確快速地實現(xiàn)目標PEMFC溫度控制。

圖5. 一種燃料電池溫度自抗擾控制框架[5]

J. Han 等人[6]設計了一種自適應反饋控制器，其中包括模型參考自適應控制(MRAC)模塊和參考模型模塊，控制策略框架如圖6所示。通過建立參考模型和自適應機制，根據(jù)控制模型與參考模型的溫度差以及當前實際溫度情況，由自適應機制跟新控制增益，從而應對控制中的不確定性，提升PEM燃料電池電堆和冷卻液入口溫度控制魯棒性和準確性。

圖6. 一種燃料電池溫度參考自適應控制框架[6]

B. Zhang 等人[7]采用了模型預測控制方法對燃料電池溫度進行了實時控制，其控制策略框架如圖7所示。通過建立面向控制的熱管理燃料電池模型，并采用泰勒展開式的方式進行線性化后，得到了系統(tǒng)線性化模型，并以狀態(tài)空間表達，用于模型預測。通過的模型預測輸出和在線反饋調(diào)整后，進行滾動優(yōu)化，以實現(xiàn)燃料溫度的準確追蹤控制?；诖丝刂圃O計，通過實驗驗證了MPC對燃料電池溫度控制的有效性。