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汽车|高温甲醇燃料电池热管理系统设计


来源 | 汽车热管理之家
摘要：针对某型号高温甲醇燃料电池单电池模块 ， 以实现精确控温、快速启动为目的进行了燃料电池热管理系统的设计、制造和测试 。 应用Matlab/Simulink平台开发了一种拟合简化方程的控制系统算法及其仿真计算平台 ， 并对所设计的控制算法进行了仿真计算；同时对燃料电池内外传热介质循环回路及冷却系统换热器进行了重新设计与样件试制 。 完成了热管理系统单电池模块运行试验 ， 将实测数据与仿真计算结果进行了对比分析 。 试验结果表明 ， 所设计热管理系统成功将电池预热时间缩短了678s ， 稳定工况下冷却介质温度误差保持在±2℃以内 ， 达到了预定的设计要求 。 样件试制及测试结果验证了热管理系统设计的可行性、准确性及实用性 ， 为今后高温甲醇燃料电池热管理系统设计优化提供了理论和实际参考 。
甲醇燃料电池由于其能量密度高 ， 电池性能稳定 ， 燃料易于储存运输 ， 在车辆、船舶、电力等领域应用前景广泛 ， 得到了国家的政策支持 。 实验表明 ， 温度对甲醇燃料电池的稳态和动态性能具有明显影响 ， 电池稳态性能和对于负载的动态响应随着电池温度升高而提升 ， 而温度过高或过低都将直接导致电池性能恶化 。 因此 ， 配备稳定有效的热管理系统对燃料电池性能及使用寿命的提升十分重要 。
关于燃料电池温度控制策略 ， 有文献提出了将模糊PID控制与模糊控制分别用于外部循环和内部循环的控制方法 ， 总体温度偏差约为4℃ 。 另有学者提出了基于递归模糊神经网络的温度控制策略 ， 使用四层网络连接结构实现模糊推理 ， 具有较好的跟踪性能 ， 需35s 达到稳态 。 此类智能控制算法具有较好的控制精度及跟踪性 ， 但由于算法结构较为复杂 ， 工程实际中很难保证其实时性和稳定性 ， 暂不能满足本文所针对的高温甲醇燃料电池系统工程应用要求 。 此前某型号高温甲醇燃料电池模块主要根据实时过热量进行风扇转速控制 ， 控制效率滞后 ， 温度波动范围较大 ， 冷却系统采用肋板式风冷散热结构 ， 存在结构笨重、换热效率低等问题 。
针对上述问题 ， 基于Matlab/Simulink平台提出了针对某高温甲醇氢燃料单电池模块的热管理系统控制拟合简化方程算法 ， 在保证控温精度的前提下 ， 最大限度简化控制系统计算模型 ， 使其能广泛应用于工程实际 。 同时对冷却系统换热器进行了重新设计 ， 采用紧凑的板翅式换热器结构 ， 集成PTC加热模块 ， 提升电池冷启动特性 。
1 热管理系统设计1.1 整体方案
该燃料电池热管理系统设计要求满足3.5kW散热功率 ， 集成PTC电加热模块缩短冷启动时间 ， 风扇和泵采用智能控制 ， 温度控制精度要求±2℃ ， 介质进出口温差小于10℃ ， 利用高温余热对甲醇燃料进行预热 。
基于上述要求 ， 针对该电池进行了热管理系统方案设计 ， 整体方案包括内、外双循环回路 ， 内循环回路主要功能是甲醇燃料的预热汽化重整制氢 ， 外循环回路的主要功能是智能冷却精确控温 ， 稳定燃料电池电堆的工作温度 ， 如图1所示 。
1.2 控制算法
采用了一种基于经验模型的拟合简化方程算法 ， 先根据实测试验和设计经验建立经验计算模型 ， 标定燃料电池不同输出功率时的产热曲线和风扇、泵等部件的理想控制曲线 ， 后将风扇、泵等部件的理想控制曲线使用一元对数函数、二次函数等简单函数进行拟合 ， 同时根据燃料电池的实时输出进行产热量的预计算 ， 实现温度控制预判并提前给出控制量 ， 以此缩短温度控制响应时间 ， 保证温度控制的精确性与时效性 。 此控制策略的设计理念是在保证控温精度的前提下最大限度简化控制系统计算模型 ， 使其能广泛应用于工程实际 。 控制算法设计原理如图2所示 。
基于上文分析 ， 电池输出功率、温度传感器和压力传感器采集温度信号作为实时输入 ， 控制系统根据各传感器数值及温度预判对电子风扇和循环水泵进行PWM控制 ， 真正实现冷却系统按需而工作 ， 满足燃料电池温控条件的同时尽可能减少能量损耗 。 系统控制逻辑如图3所示 。 此控制策略以极简化运算为设计思想 ， 相较模糊PID、神经网络等智能算法 ， 虽对于复杂工况的温度跟踪性较弱 ， 但数学模型运算量小 ， 系统响应更为迅速 ， 适用于工况较为稳定的电池系统 。


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