汽车|高温甲醇燃料电池热管理系统设计( 二 )
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图1 燃料电池热管理系统整体方案简图
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图2 燃料电池热管理系统拟合简化方程算法原理图
1.3 基于Matlab/Simulink平台的设计仿真
根据所提出的热管理系统控制逻辑 ， 基于Matlab/Simulink 平台建立了热管理系统控制算法模型 ， 主要模块有风扇控制模块（fan）、电子离心泵PWM 计算模块（bump）、燃料电池产热计算模块（FC HEAT）、散热量计算函数以及温度积分模块和温差计算自定义函数模块 ， 如图4所示 。
先通过燃料电池热交换模型计算燃料电池在不同输出功率下的冷却系统余热 ， 再由风冷板翅式换热器传热理论公式得出各工况下所需的空气质量流速 ， 根据风扇性能曲线反推得到风扇PWM 理想控制曲线 。 拟合得到简化的风扇PWM 控制方程经验模型 ， 见式(1) 。
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拟合优度判定系数：R2=0.9865 。
式中 ， y 为风扇控制占空比；x 为电池输出功率值 ， kW 。
当温度输入大于等于163℃时风扇启动 ， 风扇PWM 控制函数调整风扇转速 ， 并对风扇性能曲线进行拟合计算 ， 如图5所示 。
风扇PWM控制函数见式(2) 。
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式中 ， f(t)表示风扇关于温度信号的控制函数 ， f(t)≥0；t为温度信号值 ， t≥163 。
实际系统中离心泵PWM 参数由压力传感器信号作为输入进行计算调整 ， 使系统稳定在某一工作压力 ， 在仿真模型中按实际运行过程中不同时段的压力要求 ， 给定时间信号作为输入 。 电子离心泵PWM计算模块如图6所示 ， 泵速调整函数见式(3) 。
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式中 ， f(p)表示离心泵关于压力信号的PWM值；p为压力传感器信号值 。
该系统的电化学反应热与极化热之和可通过测得燃料电池I-V曲线 ， 利用式(1)[8]求得式(4) 。
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图3 燃料电池热管理系统控制逻辑框图
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图4 燃料电池热管理系统控制算法模型
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图5 风扇控制模块图
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图6 电子离心泵PWM计算模块图（bump）
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图7 燃料电池产热计算模块图
式中 ， Itotal为电池电流 ， A；Voutput为电池输出电压 ， V；N 为电池数目 ， 本系统为单电堆热管理系统 ， 因此N=1 。
将电池电流、输出电压信号根据实际工况用时间输入代替 ， 并计算求得产热量ΔQ 。 考虑高温燃料电池辐射热损失 ， 根据不同环境将所得值乘以修正系数（此为0.8） ， 得到燃料电池冷却系统需求散热功率q 。 燃料电池产热计算模块见图7 。
2 换热器设计2.1 换热器结构
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