俞林炯， 陳鳳祥，2， 賈 驍， 周 蘇

(1.同濟大學汽車學院，上海201804;2.同濟大學新能源汽車工程中心汽車學院，上海201804)

0 引 言

質子交換膜燃料電池(PEMFC)是一種將化學能轉化為電能的裝置，具有運行溫度低、功率密度高、低溫啟動快、能量轉換效率高和零污染等優(yōu)點，是很有可能取代內燃機的一種新型汽車動力源［1 ～2］.

根據(jù)PEMFC 的實際工作效率，系統(tǒng)運行時產(chǎn)生的熱能幾乎和電能一樣多，主要包括電化學反應生成熱、歐姆熱和外界輻射熱，較大的熱負荷使燃料電池熱管理成為目前研究的重點之一［3］. 熱管理研究的內容是PEMFC 系統(tǒng)熱量的生成、傳遞以及冷卻方式，目的是通過合理的熱量分配和利用，促使整個系統(tǒng)在某個溫度范圍內實現(xiàn)吸放熱平衡，電堆溫度場分布均勻，從而使電池高效運行.

研究發(fā)現(xiàn)，溫度的高低對電堆性能影響很大，低溫時電堆內各種極化增強，歐姆阻抗也較大，電池性能惡化;高溫時歐姆阻抗降低，同時較少極化，有利于提高電化學反應速度和質子在膜內的傳遞速度，電池性能變好.但溫度過高時會導致膜脫水，電導率下降，電池性能變差，因此，冷卻系統(tǒng)對PEMFC 運行有著重要的意義［4］. 目前，對于燃料電池發(fā)動機內部的水熱管理闡述較多［5～6］，對冷卻系統(tǒng)的研究主要集中在冷卻系統(tǒng)試驗、水熱管理系統(tǒng)設計以及電堆的溫度控制，專門針對冷卻系統(tǒng)的建模仿真較少. 本研究根據(jù)PEMFC 發(fā)動機的散熱特點，基于現(xiàn)有的燃料電池冷卻系統(tǒng)結構，設計了綜合型冷卻系統(tǒng)，將中冷器也集成到冷卻系統(tǒng)中，利用Simulink 和AMESim 兩個仿真平臺各自的優(yōu)勢建立了PEMFC 發(fā)動機冷卻系統(tǒng)聯(lián)合仿真模型，利用模型對PEMFC 冷卻系統(tǒng)的冷卻效果和影響因素進行了仿真分析.

1 PEMFC 冷卻系統(tǒng)建模

PEMFC 發(fā)動機的冷卻方式有水冷和風冷兩種，水冷型冷卻效果優(yōu)于風冷型，本文研究的是水冷式冷卻系統(tǒng)，包括冷卻循環(huán)泵、冷卻水管路、水箱、旁路分流閥、散熱器、中冷器以及相應的控制器，系統(tǒng)結構布置如圖1 所示.

現(xiàn)有的PEMFC 發(fā)動機冷卻系統(tǒng)主要集中在電堆的冷卻，對空氣的冷卻都是單獨考慮，而在本研究中將PEMFC 系統(tǒng)空氣端的中冷器也歸并入冷卻系統(tǒng)中，以冷卻液為主線將PEMFC 系統(tǒng)穿起來，從而為全面分析冷卻系統(tǒng)對PEMFC 發(fā)動機性能的影響提供可能.

冷卻系統(tǒng)的模型是在Matlab/Simulink 和AMESim 兩個平臺上建立的.Matlab/Simulink 建模的優(yōu)勢在于可以建立較為簡潔的模型，并為模型的控制提供了大量工具包;AMESim 的建模優(yōu)勢是提供了大量的液壓和熱力學系統(tǒng)庫，為冷卻系統(tǒng)的建模提供了現(xiàn)成模塊，建模時不需要深入研究模塊內部的計算機理，從而簡化了建模過程，同時能保證模型的準確性.聯(lián)合仿真模型的中冷器和旁路閥模型在Simulink 上建立，其余部分在AMESim 平臺上建立.

圖1 冷卻系統(tǒng)結構

1.1 Simulink 模型

1.1.1 中冷器模型

中冷器的主要作用是降低空壓機出口的空氣溫度，間接提高空氣相對濕度. 中冷器入口空氣溫度可由空壓機模型求得;入口冷卻液溫度可由散熱器模型求得，因此，中冷器模型主要計算出口空氣溫度和冷卻液溫度. 根據(jù)傳熱學原理，建立水冷逆流式中冷器機理模型:

中冷器模型需要的入口冷卻液信號由AMESim 中的散熱器模型提供，其余信號由Simulink 中的PEMFC 系統(tǒng)模型提供. 關于本中冷器模型的詳細介紹，可參考本文作者已發(fā)表的文獻［7］.

1.1.2 旁路閥模型

旁路閥起到類似于節(jié)溫器的作用，根據(jù)發(fā)動機的工作狀態(tài)調整通過電堆和中冷器的冷卻液流量，以達到調節(jié)冷卻強度的作用. 旁路閥結構簡單，為便于計算，忽略壓力和溫度變化，得到旁路閥模型:

1.2 AMESim 模型

AMESim Rev 10 軟件為冷卻系統(tǒng)建模提供了很好的軟件平臺. 在信號庫、熱液壓庫、冷卻庫、熱交換庫等組件庫的支持下，建立了冷卻系統(tǒng)模型，模型基本結構如圖2 所示.

圖2 AMESim 模型結構圖

1.2.1 散熱器模型

散熱器是整個冷卻系統(tǒng)最關鍵的部件，PEMFC 發(fā)動機90% 以上的熱量通過散熱器散發(fā)，因此，散熱器的特性直接決定了整個冷卻系統(tǒng)的散熱能力.在AMESim 中散熱器是用水-氣熱交換器表示的.

散熱器的散熱量主要是冷卻液體積流量和風速的函數(shù)，可以表示為:

冷卻液流量Wcoolant可由水泵模型計算得到，風速由車速和風扇決定.風扇的作用是提高流經(jīng)散熱器表面的風速，從而增加空氣流量. 在AMESim 中風速與車速及風扇開度的對應關系已用實驗數(shù)據(jù)制成表格，因此，只要風扇開度一定即可計算出風速增加量.為便于計算，假定風扇不啟動時風速等于車速.在實際車輛運行中車速和風速之間基本可以按照一定關系換算過去，因此本假設不影響仿真的可靠性.流經(jīng)散熱器的風速可按下式計算:

根據(jù)實驗數(shù)據(jù)建立散熱器散熱量數(shù)據(jù)表格，通過冷卻液流量和風速查表可得散熱器在實驗條件下的散熱量Qrad_exp，對該散熱量做修正即可得到實際的散熱量:

其中ΔTexp為實驗條件下入口冷卻液和空氣的溫差，ηrad為散熱器表面效率.

1.2.2 水泵模型

PEMFC 冷卻系統(tǒng)一般采用離心式循環(huán)水泵，水泵的流量和轉速成正比. 在AMESim 中，水泵模型的輸入變量是轉速，流量計算公式為:

水泵進出口的壓力隨轉度的變化而變化，AMESim 中根據(jù)水泵的臨界轉速引入了一個壓力修正因子，在轉速不斷變化時，對水泵進出口壓力做修正:

水泵焓值的變化主要是由于水泵消耗的軸功率引起的，水泵進出口冷卻液焓值分別為:

1.2.3 水箱模型

AMESim 中的水箱模型是用熱力學容器來表示的.水箱內部冷卻液和空氣之間進行熱交換，同時水箱還可以與外部空氣進行熱交換.水箱內冷卻液和空氣的體積之和即水箱總體積，且水箱內空氣認為是理想空氣，故可利用理想氣體公式計算水箱內壓力.

1.2.4 管道模型

在AMESim 中管道由多種子模型可選，在本文模型中根據(jù)不同的位置選取了兩種子模型，分別為絕熱液壓管道和可壓縮熱力管道.AMESim 的管道模型較復雜，涉及大量流體公式，具體可參見AMESim 中Thermal Hydraulic Resistance 庫中組件的help 文件，在此不再贅言.

圖3 環(huán)境溫度的影響

2 模型仿真分析

2.1 仿真參數(shù)設定

針對某公司一套實際的45kW 質子交換膜燃料電池系統(tǒng)建立模型，除上述冷卻系統(tǒng)外，其余部分在Simulink 中建立，可參見文獻［8］. 冷卻系統(tǒng)的仿真參數(shù)如表所示:

表1 冷卻系統(tǒng)仿真參數(shù)

2.2 冷卻效果影響因素

2.2.1 環(huán)境溫度的影響

在150A 負載電流下，冷卻水泵轉速1500rpm，車速6m/s，冷卻風扇開度0.7，冷卻液旁通閥開度0.9，環(huán)境溫度從5℃變到35℃，根據(jù)模型計算電堆溫度、電堆出口冷卻液溫度和散熱器出口冷卻液溫度，如圖3 所示:

從圖中可看出，環(huán)境溫度對PEMFC 系統(tǒng)的溫度影響非常明顯. 在當前電堆的運行條件下，環(huán)境溫度到達35℃時，電堆溫度已經(jīng)超過90℃.環(huán)境溫度平均每升高1℃，電堆溫度就平均升高1℃，由此可見，環(huán)境溫度對冷卻系統(tǒng)的影響非常大，當環(huán)境溫度變化時，必須調整相應的控制策略.

2.2.2 水泵轉速的影響

在150A 負載電流下，環(huán)境溫度25℃，車速5m/s，風扇開度0.5，冷卻液旁通閥開度0.9 時，水泵轉速從1200rpm 變到2500rpm，依據(jù)建立的仿真模型，計算PEMFC 系統(tǒng)運行至溫度穩(wěn)定時，電堆溫度、電堆出口冷卻液溫度、散熱器出口冷卻液溫度、中冷器出口冷卻液溫度和冷卻液流量的關系如圖4、5 所示.水泵轉速的變化直接影響流經(jīng)系統(tǒng)冷卻液的流量.

圖4 水泵轉速對電堆的影響

從圖4 中可以看出，電堆溫度、電堆出口冷卻液溫度、散熱器出口冷卻液溫度隨冷卻液流量的增大而降低，但梯度不大，當流量超過0.78kg/s 后溫度下降梯度更小. 從圖5 中可以看出，隨著流經(jīng)中冷器的冷卻液流量的增加，空氣溫度也下降，但在0.086kg/s 這個拐點之前下降比較明顯，之后下降趨勢變緩和.由此可見，冷卻液流量對冷卻系統(tǒng)性能的影響是分段的:在流量拐點之前影響較大，拐點后影響就減小了.流量拐點的值隨冷卻強度的變化而變化.這和文獻［7］的仿真結果一致，也符合理論［9］分析的結果.所以，調節(jié)冷卻液流量的方式只有在一定范圍內有效，超出范圍后作用就不明顯了.

圖5 水泵轉速對中冷器的影響

2.2.3 風扇開度的影響

在150A 負載電流下，環(huán)境溫度25℃，車速5m/s，水泵轉速1500rpm，冷卻液旁通閥開度0.9時，風扇開度從0.4 變到0.8，依據(jù)建立的仿真模型，計算PEMFC 系統(tǒng)運行至溫度穩(wěn)定時，電堆出口冷卻液溫度、散熱器出口冷卻液溫度、中冷器出口冷卻液溫度和空氣溫度如圖6 所示.

從圖中可以看出，電堆出口冷卻液溫度、散熱器出口冷卻液溫度都隨風扇開度增大迅速降低，最大調節(jié)幅度達到20℃以上.當開度為0.8 時，冷卻液溫度已經(jīng)降了45℃以下.因此，風扇開度對冷卻系統(tǒng)的性能影響非常大，對PEMFC 系統(tǒng)溫度進行實際控制時，通過控制風扇的開度調節(jié)電堆溫度是最有效的調節(jié)方式.

圖6 風扇開度的影響

2.2.4 車速的影響

車速對冷卻系統(tǒng)的影響直接體現(xiàn)在流經(jīng)散熱器的風速.當風扇關閉時，散熱器表面的風速完全由車速決定，但并不等于車速. 在本模型的仿真中為了仿真方便而假定風扇關閉時車速等于風速，在實際情況中風扇關閉時車速和風速之間是可以近似轉換的，因此本模型的假設不影響仿真結果的有效性.

在150A 負載電流下，環(huán)境溫度25℃，水泵轉速1500rpm，冷卻液旁通閥開度0.9，風扇開度0.4，車速從4m/s 變化到8m/s，依據(jù)建立的仿真模型，計算PEMFC 系統(tǒng)運行至溫度穩(wěn)定時，散熱器出口冷卻液溫度和風速的關系如圖7 所示.

從圖中可以看出，車速對散熱器的冷卻效果影響很大，隨著風速升高，散熱量也快速增加，同時冷卻水溫度迅速下降，可見風速是影響散熱量的關鍵因素，而風扇的調節(jié)作用說到底也是通過增加風速來實現(xiàn)的.

2.2.5 旁通閥開度的影響

旁路閥根據(jù)發(fā)動機的工作狀況調節(jié)通過電堆和中冷器的冷卻液流量，主要起分流的作用. 有些PEMFC 系統(tǒng)中對流經(jīng)中冷器和電堆的冷卻水流量做固定比例分流，這種分配只能在某一范圍內起到較好的溫度調節(jié)作用，而旁通閥可以隨時根據(jù)發(fā)動 機工況隨時調節(jié)兩邊的冷卻水流量.

圖7 車速的影響

水泵轉速1500rpm，風扇開度0.5，車速=4m/s，旁通閥對電堆的開度從0.6 變化到0.9，各溫度變化如圖8 所示.

圖8 旁通閥開度的影響

在一定的冷卻強度下，冷卻液溫度受散熱量影響明顯，而電堆的散熱量遠大于中冷器的散熱量，因此旁通閥的開度對流經(jīng)電堆的冷卻液溫度影響較大，進而影響散熱器出口冷卻液溫度. 從圖8 中可以看出，隨著旁通閥開度的增大，流經(jīng)電堆的冷卻液流量增加，從而進出口溫差減小，出口冷卻液溫度下降;中冷器出口冷卻液溫度以及空氣溫度變化也不大，隨著旁通閥開度的增加，流經(jīng)中冷器的冷卻液流量減小，與熱空氣的換熱量減小，從而導致溫度升高.旁通閥開度較小時中冷器出口溫度偏低，不適合長期工作，為保證電堆溫度的均勻，實際冷卻系統(tǒng)中旁通閥開度基本控制在0.8 以上.

3 結 論

根據(jù)質子交換膜燃料電池發(fā)動機的熱負荷特性設計了綜合型冷卻系統(tǒng)，主要由冷卻循環(huán)泵、冷卻水管路、水箱、旁路分流閥、散熱器、中冷器組成.利用Simulink 和AMESim 兩個平臺各自的優(yōu)勢建立了冷卻系統(tǒng)的聯(lián)合仿真模型，利用該模型在各工況點分析了冷卻系統(tǒng)各部件對冷卻效果的影響，仿真結果表明散熱器表面的風速是影響散熱量的最主要影響因素，冷卻液流量調節(jié)只能在小范圍內起作用，旁通閥開度變化對冷卻系統(tǒng)是有影響的.

聯(lián)合仿真模型簡化了建模的復雜性，降低了建模要求，同時提高了模型的準確性，為冷卻系統(tǒng)控制算法的實現(xiàn)奠定了基礎，可以對PEMFC 發(fā)動機冷卻系統(tǒng)總體性能指標進行全面分析，為燃料電池發(fā)動機冷卻系統(tǒng)設計與分析提供依據(jù).

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