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        質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)溫度穩(wěn)定性控制研究

        2021-11-23 00:49:14謝義淳鄭麗萍賴聯(lián)鋒郭瑋韡林玉祥
        時(shí)代汽車 2021年21期
        關(guān)鍵詞:燃料電池控制穩(wěn)定性

        謝義淳 鄭麗萍 賴聯(lián)鋒 郭瑋韡 林玉祥

        摘 要:質(zhì)子交換膜燃料電池溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)以滿足高環(huán)境溫度和高負(fù)載等極端工況下的散熱需求為目標(biāo),常忽略了在低溫以及低負(fù)載下溫度控制的穩(wěn)定性;為了提高在低環(huán)境溫度下、低負(fù)載下溫度控制系統(tǒng)對(duì)燃料電池溫度控制的穩(wěn)定性,在傳統(tǒng)的PID控制的基礎(chǔ)上,改進(jìn)了控制策略,有效提升了燃料電池在低環(huán)境下低負(fù)載時(shí)溫度的穩(wěn)定性,對(duì)提高燃料電池性能與耐久性有積極影響。

        關(guān)鍵詞:燃料電池 控制 溫度 穩(wěn)定性

        1 引言

        以煤和石油為主的化石燃料作為驅(qū)動(dòng)工業(yè)社會(huì)發(fā)展的主要能源被大量使用,導(dǎo)致了嚴(yán)重的環(huán)境污染問題和自然資源被過度開采,所以尋求一種高效、潔凈的新能源已經(jīng)成為全世界的共同目標(biāo)。燃料電池由于具有高轉(zhuǎn)換效率、低污染、低排放而備受關(guān)注。

        質(zhì)子交換膜燃料電池是燃料電池中最常見的類型,質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)的電解質(zhì)是一種能夠傳導(dǎo)質(zhì)子的固體聚合物,其結(jié)構(gòu)簡單,通常以氫氣作為燃料,工作溫度為60~80℃,具有功率密度高、啟動(dòng)時(shí)間快、效率高、安全可靠等優(yōu)點(diǎn),被認(rèn)為目前最有希望取代內(nèi)燃機(jī)作為汽車動(dòng)力的能源1;溫度對(duì)質(zhì)子交換膜燃料電池的性能有非常重要的影響,燃料電池電堆工作溫度直接影響催化劑的催化活性以及CO耐受能力,同時(shí)還影響燃料電池內(nèi)部的濕度、質(zhì)子交換膜電導(dǎo)率、膜電極含水量等,這些因素直接關(guān)系的燃料電池的可靠性、穩(wěn)定性和安全性,所以控制質(zhì)子交換膜燃料電池在合理的溫度范圍內(nèi)運(yùn)行,并且避免溫度出現(xiàn)較大幅度的波動(dòng)尤為重要2。劉洋等3建立了燃料電池?zé)峁芾砟P?,設(shè)計(jì)了基于模糊-PID 算法的控制策略對(duì)PEMFC發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行溫度控制試驗(yàn),結(jié)果顯示該算法對(duì)PEMFC發(fā)電系統(tǒng)溫度動(dòng)態(tài)響應(yīng)效果良好,溫度超調(diào)量小。文獻(xiàn)4在PID控制器調(diào)節(jié)方式轉(zhuǎn)速基礎(chǔ)上,將水泵和散熱風(fēng)扇的控制輸入量解耦,前饋與反饋控制相結(jié)合,提出了一種流量跟隨電流控制冷卻水流量的水冷 PEMFC 熱管理系統(tǒng)控制策略。文獻(xiàn)5建立了質(zhì)子交換膜燃料電池的溫度模糊控制系統(tǒng),以解決溫度控制的時(shí)變性、滯后性、不確定性和強(qiáng)耦合問題,經(jīng)仿真表明控制方案合理,滿足溫度控制要求。文獻(xiàn)6提出了基于遞歸模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的溫度控制策略,該算法對(duì)溫度波動(dòng)控制有較高的跟蹤性能。文獻(xiàn)7以半經(jīng)驗(yàn)?zāi)P驮O(shè)計(jì),采用PID控制冷卻循環(huán)水泵速度,以開關(guān)控制器控制風(fēng)扇的啟動(dòng)和關(guān)閉,實(shí)現(xiàn)溫度的控制。

        本文基于20kW質(zhì)子交換膜燃料電池溫度控制系統(tǒng),針對(duì)在低環(huán)境溫度下,特別是在降低輸出負(fù)載時(shí),燃料電池產(chǎn)熱量相應(yīng)較低,而由于環(huán)境溫度降低導(dǎo)致環(huán)境與燃料電池溫差增大,使得散熱器散熱效率增大從而導(dǎo)致燃料電池溫度出現(xiàn)較大波動(dòng)的情況,改進(jìn)了控制策略,并進(jìn)行了燃料電池實(shí)際運(yùn)行的試驗(yàn)驗(yàn)證。

        2 PEMFC燃料電池系統(tǒng)產(chǎn)熱與散熱模型/PEMFC燃料電池溫度控制系統(tǒng)工作原理

        2.1 PEMFC燃料電池產(chǎn)熱模型

        PEMFC燃料電池?zé)崃康漠a(chǎn)生,按照能量守恒定律,其熱平衡方程為8:

        ∑Qm-∑Qout=Wele+Wdis+Qc (1)

        式中:

        Qin—進(jìn)入電堆的反應(yīng)氣體焓值;

        Qout—出電堆的生成物和未反應(yīng)氣體的焓值;

        Wele—燃料電池所做的電功;

        Qdis—電堆散到環(huán)境中的熱量;

        Qc—電堆冷卻系統(tǒng)帶走的熱量。

        燃料電池產(chǎn)生的熱量主要通過向周圍的熱輻射、反應(yīng)氣體帶走熱量、生成水帶走的熱量、冷卻液帶走熱量。由于燃料電池的效率大約為50%,所以產(chǎn)生的熱量基本上與燃料電池所做的電功相當(dāng),而這些熱量主要通過溫度控制系統(tǒng)中的冷卻液帶走,熱輻射散熱以及反應(yīng)氣體等帶走的熱量等所占比例很小,特別是對(duì)大功率的燃料電池而言,更是如此。若忽略反應(yīng)氣帶入的熱量和廢氣帶走的熱量以及水的焓值;那么燃料電池產(chǎn)生的熱量可簡化為為:

        Qheat=(1.254-V)IN (2)

        式中:

        V—為燃料電池工作額定電壓(V);

        I—為燃料電池工作電流(A);

        N—為燃料電池節(jié)數(shù);

        2.2 PEMFC燃料電池散熱模型

        冷卻液從燃料電池內(nèi)部帶走的熱量為:

        Qc=CpmΔT (3)

        式中:

        Cp—為冷卻液的比熱容;

        m—為冷卻液的流速;

        ΔT—為冷卻液的進(jìn)出口溫度差(ΔT=(Tcoolant,out-Tcoolant,in));

        冷卻液從燃料電池帶走的熱量再通過散熱器與環(huán)境中空氣進(jìn)行熱交換,達(dá)到散熱目的,散熱器的散熱量如下公式所示:

        Qrad=Cp,airmair(Tair,out-Tair,in) (4)

        式中:

        Cp,air—為空氣的比熱容;

        mair—為散熱風(fēng)扇的空氣流速;

        Tair,in—為散熱器中散熱風(fēng)扇入口冷風(fēng)溫度,一般與環(huán)境溫度一致;

        Tair,out—為散熱器中散熱風(fēng)扇出口熱風(fēng)溫度。

        在進(jìn)行燃料電池散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),一般選擇按最大散熱能力選擇散熱器,保證散熱器能夠滿足燃料電池在最大輸出功率下產(chǎn)生的散熱需求,散熱器的散熱能力大于燃料電池系統(tǒng)最大產(chǎn)熱量即Qrad>Qheat。

        3 燃料電池溫度控制系統(tǒng)控制策略分析

        3.1 傳統(tǒng)的PEMFC溫度控制系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)及策略

        傳統(tǒng)的溫度控制系統(tǒng)是以滿足燃料電池系統(tǒng)最大散熱需求為目標(biāo),在溫度控制過程中,往往較大的散熱能力有利于燃料電池系統(tǒng)溫度的控制,以在高溫下,燃料電池在最大輸出功率甚至過載的情況下,其溫度控制的精度和均勻性為目標(biāo),但是環(huán)境溫度與燃料電池冷卻液出口溫度的溫差是散熱器散熱的驅(qū)動(dòng)力,環(huán)境溫度越低,驅(qū)動(dòng)力越大,如公式(4)所示,溫差ΔT=Tair,out-Tair,in,其中散熱風(fēng)扇入口溫度Tair,in與環(huán)境溫度Tenv相等,那么公式轉(zhuǎn)化為:Qrad=Cp,airmair(Tair,out-Tenv),那么環(huán)境溫度Tenv越低,散熱量Qrad增大,雖然Qrad增大能夠滿足燃料電池的散熱能力,但是容易導(dǎo)致燃料電池在低負(fù)載情況下,散熱器過度散熱導(dǎo)致燃料電池溫度波動(dòng),穩(wěn)定性變差。

        3.2 改進(jìn)的燃料電池溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及控制策略

        隨著環(huán)境溫度降低,散熱器的散熱能力增加,散熱風(fēng)扇PID調(diào)節(jié)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速降低,但是由于散熱風(fēng)扇本身固有的特性,散熱風(fēng)扇有一最小閾值,低于此閾值即使給出轉(zhuǎn)速信號(hào),散熱風(fēng)扇依然處于停止?fàn)顟B(tài),而當(dāng)高于此閾值時(shí)風(fēng)扇直接在此閾值之上運(yùn)行,而非從低到高逐漸增加,傳統(tǒng)的PID控制方法,正是未考慮到風(fēng)扇本身的特性,在風(fēng)扇處于開啟閾值以下時(shí),給出的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速信號(hào)無效,只有當(dāng)溫度繼續(xù)升高,PID繼續(xù)調(diào)節(jié)加大風(fēng)扇轉(zhuǎn)速超過風(fēng)扇開啟閾值時(shí),風(fēng)扇才開始開啟并散熱,從而導(dǎo)致溫度超過設(shè)定值,波動(dòng)較大;在此基礎(chǔ)上提出了邊界PID控制方法,測(cè)試得到散熱風(fēng)扇的開啟閾值,將風(fēng)扇的開啟閾值考慮在控制范圍內(nèi),有效避免溫度超調(diào)。

        本文對(duì)傳統(tǒng)的散熱風(fēng)扇控制結(jié)構(gòu)和控制策略也相應(yīng)做了改進(jìn),如圖1和2所示,在原控制結(jié)構(gòu)上,將兩個(gè)散熱風(fēng)扇進(jìn)行獨(dú)立控制,其控制策略為,在燃料電池輸出功率增加,所需散熱功率也逐漸增加,控制系統(tǒng)先啟動(dòng)其中一個(gè)風(fēng)扇進(jìn)行散熱,進(jìn)行散熱控制,在低環(huán)境溫度以及低負(fù)載情況下,單個(gè)風(fēng)扇在其轉(zhuǎn)速范圍內(nèi),可均勻調(diào)節(jié)燃料電池散熱溫度,有效避免了同時(shí)啟動(dòng)兩個(gè)風(fēng)扇情況,過度散熱導(dǎo)致的溫度超調(diào),燃料電池溫度穩(wěn)定性差的現(xiàn)象;而隨著負(fù)載增加,或者環(huán)境溫度的升高,另外一個(gè)風(fēng)扇再啟動(dòng),與第一個(gè)風(fēng)扇進(jìn)行散熱疊加,溫度控制更加穩(wěn)定。

        4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

        4.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        實(shí)驗(yàn)采用自制的20kW燃料電池電堆,搭建完整的燃料電池系統(tǒng),用N6960-600-200可編程電子負(fù)載(國產(chǎn))進(jìn)行程序設(shè)定燃料電池的變載工況設(shè)定加載情況。用RG330國產(chǎn)燃料電池測(cè)試平臺(tái)與燃料電池系統(tǒng)控制器進(jìn)行通信,進(jìn)行燃料電池輸出的電壓和電流信號(hào)、電堆的冷卻液溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè),并將數(shù)據(jù)送至PC端進(jìn)行記錄存儲(chǔ)。

        實(shí)驗(yàn)采用恒流工作模式,測(cè)試了燃料電池從環(huán)境溫度45℃降低到15℃,燃料電池系統(tǒng)溫度控制的穩(wěn)定性,恒定負(fù)載電流下的(50A、100A、170A、250A、300A),對(duì)應(yīng)的輸出功率為5kW、9kW、14.5kW、20kW、22.5kW;以電堆的出口溫度做為研究對(duì)象,進(jìn)行分析。

        溫度控制系統(tǒng)是基于環(huán)境溫度45℃下,滿足燃料電池最大散熱功率設(shè)計(jì);首先測(cè)試了傳統(tǒng)的控制策略在環(huán)境溫度下降至15℃時(shí),燃料電池系統(tǒng)溫度控制的穩(wěn)定性。

        如圖3所示為燃料電池在傳統(tǒng)的控制策略下在環(huán)境溫度為15℃下,燃料電池輸出功率與溫度的變化曲線圖,當(dāng)燃料電池以20kW功率輸出時(shí),電堆溫度控制還維持在比較平穩(wěn)的水平,而當(dāng)輸出功率低于15kW時(shí),燃料電池溫度開始出現(xiàn)鋸齒狀波動(dòng),同時(shí)燃料電池的輸出功率也相應(yīng)地出現(xiàn)跟隨溫度進(jìn)行上下波動(dòng)。圖4為改進(jìn)控制策略之后,在環(huán)境溫度為15℃下的燃料電池系統(tǒng)溫度與功率變化曲線圖,與改進(jìn)前的燃料電池溫度曲線進(jìn)行對(duì)比,燃料電池的溫度沒有隨著負(fù)載的下降出現(xiàn)較大波動(dòng),在燃料電池的輸出功率降低至5kW以下,燃料電池溫度依然維持在較為穩(wěn)定的水平。

        5 結(jié)語

        本文建立的燃料電池系統(tǒng)熱管理子系統(tǒng)的模型能較精確地實(shí)現(xiàn)對(duì)燃料電池電堆的模擬仿真。在該模型基礎(chǔ)上開發(fā)的基于預(yù)測(cè)的智能PID算法,根據(jù)簡化的系統(tǒng)模型預(yù)測(cè)電堆的溫度變化趨勢(shì)并進(jìn)行提前控制,因而能有效地減小超調(diào)。溫度控制的試驗(yàn)結(jié)果顯示,該算法具有很高的響應(yīng)速度和控制精度,能滿足控制的需要。

        基金項(xiàng)目:國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃新能源汽車重點(diǎn)專項(xiàng),編號(hào)(2017YFB0102900);福建省新能源汽車電機(jī)產(chǎn)業(yè)技術(shù)開發(fā)基地。

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