習(xí)璐

（咸陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車工程學(xué)院，咸陽 712000）

引言

氫燃料是綠色清潔能源，伴隨著能源技術(shù)和電動汽車的發(fā)展，燃料電池汽車得以快速發(fā)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(qū)動源，燃料電池系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性非常重要，尤其是溫控特性，其直接關(guān)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(tǒng)，燃料電池電動汽車通常采用動力電池作為另一驅(qū)動源，構(gòu)成龐大且復(fù)雜的動力驅(qū)動系統(tǒng)，因此需要有獨(dú)立的熱管理系統(tǒng)對其進(jìn)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(guān)的執(zhí)行器件。國內(nèi)針對燃料電池系統(tǒng)的熱管理研究在近些年取得了重大成果，文獻(xiàn)[3]為了提高燃料電池機(jī)車的工作效率和動態(tài)性能，建立了包含散熱器風(fēng)機(jī)和冷卻液循環(huán)泵的面向控制模型，對旁路閥開度、循環(huán)泵以及散熱器風(fēng)機(jī)進(jìn)行動態(tài)控制和分析；文獻(xiàn)[4]利用GTCOOL 軟件建立了全功率燃料電池汽車熱管理系統(tǒng)仿真計(jì)算平臺，對極端工況下系統(tǒng)的散熱性能進(jìn)行了分析，繼而設(shè)計(jì)了全功率燃料電池汽車熱管理系統(tǒng)；文獻(xiàn)[5]詳細(xì)分析了動力蓄電池的散熱需求，結(jié)合整車布置，完成了熱管理系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)，并對設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行了數(shù)值模擬，設(shè)計(jì)了插電式燃料電池鋰電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)。在研究大量的文獻(xiàn)和結(jié)合當(dāng)前的研究狀態(tài)基礎(chǔ)上，本文以車載燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)為研究對象，在車載燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，對熱管理系統(tǒng)性能進(jìn)行影響分析，構(gòu)建了分布式的燃料電池電堆和動力電池?zé)峁芾砺窂?，?shí)現(xiàn)多路獨(dú)立冷卻回路和PTC 加熱回路，采用目標(biāo)探測算法對燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)進(jìn)行精確化控制，繼而提升車載燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的性能。

1 熱管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

燃料電池電堆作為燃料電池電動汽車的主要驅(qū)動能源，其自身特性受到溫度的限制，低溫狀態(tài)下輸出功率受限，高溫狀態(tài)下易導(dǎo)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(qū)間，因此需要設(shè)計(jì)合適的可靠的熱管理系統(tǒng)來對燃料電池電堆和動力電池進(jìn)行熱量管理。整個熱管理系統(tǒng)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(jī)、中冷器以及電子節(jié)溫器組成[6]。

利用獨(dú)立冷卻回路來實(shí)現(xiàn)燃料電池電堆的高低溫和動力電池的熱管理，高溫?zé)峁芾砘芈穼﹄姸堰M(jìn)行冷卻，主要通過控制電子節(jié)溫器和PTC 對電堆進(jìn)行熱管理，低溫回路主要利用空壓機(jī)和空氣中冷器進(jìn)行可調(diào)功率電子設(shè)備來實(shí)現(xiàn)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(jìn)行耦合散熱，與此同時，電池處于高溫狀態(tài)下時利用電子節(jié)溫器可以進(jìn)行精確的流量控制，在低溫狀態(tài)下利用水暖PTC 進(jìn)行加熱，使其保持在最佳工作溫度區(qū)間，由于散熱器采用大功率的風(fēng)扇裝置，在電堆和動力電池需要快速散熱時，只需要進(jìn)行簡單的Bang-Bang 控制，輸出最大的功率來進(jìn)行散熱，熱管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 熱管理性能影響分析

車載燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的設(shè)計(jì)對燃料電池電堆具有非常大的影響，尤其是溫度的再反應(yīng)對電堆輸出功率具有很大的限制，溫度過高又會導(dǎo)致整個燃料電池系統(tǒng)出現(xiàn)熱失控，由此在設(shè)計(jì)熱管理系統(tǒng)時可以有效的根據(jù)電堆的熱力學(xué)特性，制定有效且合適的冷卻觸發(fā)條件和加熱觸發(fā)條件。當(dāng)熱管理系統(tǒng)智能溫度傳感器檢測到相應(yīng)的電堆溫度滿足觸發(fā)條件，即可輸出冷卻或加熱請求指令，進(jìn)而驅(qū)動熱管理執(zhí)行器。

燃料電池內(nèi)部產(chǎn)生的熱量升高了其電堆在相對應(yīng)局部的反應(yīng)點(diǎn)位的溫度，這種溫度的傳導(dǎo)也是聚集在電堆雙極板和供給通道中產(chǎn)生對流傳輸?shù)?，其熱力學(xué)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(shí)際電壓、電流值；

?T/ ?t,m,λt—電堆溫升速率、電堆質(zhì)量以及電堆平均比熱系數(shù)；

Tm,Tn,zs—電堆進(jìn)出口溫度、熱管理性能表征系數(shù)。

通過對燃料電池的熱力學(xué)分析，可以看出其熱量傳遞的規(guī)律，尤其是針對其溫度冷卻，內(nèi)部的熱量控制需要對其進(jìn)出口冷卻流速進(jìn)行調(diào)節(jié)，進(jìn)出口的溫度通過冷卻裝置的開度進(jìn)行控制，將劃分出不同的溫度分段，在溫度設(shè)定的區(qū)間[T1，T2]內(nèi)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(qū)間內(nèi)進(jìn)行保溫策略，冷卻裝置關(guān)閉的時間為可控的toff時間，其進(jìn)入最佳的工作溫度后重新量定出口溫度，由于大負(fù)荷的功率需求，電堆內(nèi)部溫升變動很大，溫度值較小，在Ks和Kt溫控域內(nèi)進(jìn)行溫度調(diào)控，冷卻裝置的流速進(jìn)行緩慢的下降至L0檔位，保證整個熱管理系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，如圖2 所示。

圖2 燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)冷卻性能

為了實(shí)現(xiàn)車載燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的高性能工作，對電堆溫度進(jìn)行采樣濾波后，選取有效的電堆平均溫度和整個系統(tǒng)的進(jìn)出口溫度作為熱管理冷卻加熱的觸發(fā)溫度信號，在不同的時段進(jìn)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(jìn)行時序控制的使能條件判斷，對于冷卻觸發(fā)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(dāng)兩者處于冷卻溫度觸發(fā)條件閾值段內(nèi)，冷卻觸發(fā)使能條件滿足；加熱觸發(fā)使能條件的判斷需要先判斷進(jìn)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(shè)定的觸發(fā)溫度閾值，從而判斷加熱觸發(fā)使能，如圖3 所示。

圖3 燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)控制時序

3 熱管理目標(biāo)探測控制

熱管理系統(tǒng)對燃料電池電堆和動力電池的溫度進(jìn)行控制，其實(shí)質(zhì)就是通過采集到電堆溫度、動力電池溫度以及進(jìn)出口溫度進(jìn)行邏輯判斷后控制執(zhí)行器進(jìn)行冷卻或加熱，對于如何有效控制執(zhí)行器件的冷卻或加熱動作，需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的熱管理控制算法。目標(biāo)探測控制算法是一種自下而上的控制算法，其通過設(shè)定多維的控制目標(biāo)后進(jìn)行多路徑的探測，在最優(yōu)的路徑中選取的各種控制參數(shù)加以反饋校正后進(jìn)行最后的仲裁，實(shí)質(zhì)是一種針對多目標(biāo)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化的過程[8]。

燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)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(zhí)行器驅(qū)動信號以及控制閾值，首先，對燃料電池電堆內(nèi)部溫度傳感器采集的電堆溫度、動力電池溫度、進(jìn)出風(fēng)口溫度進(jìn)行滑動平均值濾波[9]，滑動平均值濾波周期和時間設(shè)定為10 ms，其值可以在線標(biāo)定。隨后對目標(biāo)探測區(qū)域劃分出兩個局部求優(yōu)目標(biāo)，分別是通過判斷進(jìn)出風(fēng)口的溫度進(jìn)行高溫冷卻、通過判斷電堆溫度進(jìn)行低溫加熱，如圖4 所示。

圖4 熱管理系統(tǒng)目標(biāo)探測控制

其中，在高溫冷卻目標(biāo)探測路徑中，采樣周期內(nèi)的濾波后的兩個電堆溫度采樣點(diǎn)溫度與進(jìn)出風(fēng)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(biāo)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?zé)峁芾硐到y(tǒng)即可發(fā)送冷卻請求，如下所示：

同理，在低溫加熱目標(biāo)探測路徑中，濾波后的燃料電池電堆溫度與進(jìn)風(fēng)口采樣點(diǎn)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(biāo)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(biāo)探測過程中，進(jìn)出風(fēng)口的溫度需要將其進(jìn)行物理特性限定：

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

圖5 熱管理執(zhí)行器件分段控制

4 試驗(yàn)分析

針對設(shè)計(jì)的車載燃料電池?zé)峁芾砑上到y(tǒng)在變工況狀態(tài)下的冷卻加熱性能，利用現(xiàn)有最大功率43 kW 的電堆構(gòu)建了熱管理系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)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(biāo)定裝置構(gòu)成。在線標(biāo)定裝置可以對熱管理系統(tǒng)中的冷卻加熱觸發(fā)條件閾值、冷卻器的轉(zhuǎn)速等進(jìn)行在線標(biāo)定，可編程電阻模擬裝置可以設(shè)置不同的溫度值，滿足不同工況的溫度觸發(fā)條件，整個實(shí)驗(yàn)過程中，采集了燃料電池電堆不同工況下的實(shí)時溫度，具體的如圖6~9所示。

圖6 燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺架

在設(shè)計(jì)的熱管理策略中功能模塊的運(yùn)行周期是100 ms，采樣周期設(shè)定為100 ms，整個熱管理過程中，針對燃料電池電堆的溫度進(jìn)行不同工況下的采樣，其中，圖7 采樣結(jié)果表示的是電堆溫度在間歇開啟獨(dú)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(jìn)行滑動平均濾波，將溫度突變較為嚴(yán)重的部分削除，工況1 下的電堆溫度經(jīng)過2 個采樣周期的濾波后數(shù)值保持穩(wěn)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(jié)果，整個采樣過程中，熱管理系統(tǒng)對燃料電池電堆進(jìn)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(wěn)定狀態(tài)，沒有出現(xiàn)采樣偏差；圖9 是觸發(fā)了冷卻和加熱條件后熱管理系統(tǒng)控制下的燃料電池電堆溫度，從實(shí)時溫度采樣結(jié)果可以看出，在溫度較高，觸發(fā)冷卻請求條件后，熱管理系統(tǒng)控制冷卻器迅速介入，對電堆進(jìn)行散熱，在一個采樣周期內(nèi)，散熱裝置啟動，在溫度較低，觸發(fā)加熱請求后，PTC 加熱器進(jìn)行加熱工作，確保電堆工作在高效輸出溫度區(qū)間內(nèi)。

圖7 燃料電池?zé)犭姸巡蓸訙囟?/p>

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(jié)束語

車載燃料電池系統(tǒng)熱管理是非常關(guān)鍵的組件，其承擔(dān)著整個系統(tǒng)的冷卻加熱過程控制性能優(yōu)化，燃料電池需要保持在一定的溫度區(qū)間才能釋放出最優(yōu)的能量，針對車載燃料電池的熱管理性能需求，設(shè)計(jì)了獨(dú)立冷卻回路的熱管理系統(tǒng)，采用目標(biāo)探測的熱管理控制方法，對冷卻器件和加熱器件進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)燃料電池電堆的溫度控制，整個集成化設(shè)計(jì)的熱管理系統(tǒng)在構(gòu)建的試驗(yàn)環(huán)境中進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明其設(shè)計(jì)方法和目標(biāo)探測算法的可靠性，能夠快速的提升車載燃料電池系統(tǒng)的熱管理性能。