质子交换膜燃料电池系统温度稳定性控制研究

谢义淳　郑丽萍　赖联锋　郭玮韡　林玉祥

摘 要：质子交换膜燃料电池温度控制系统设计时以满足高环境温度和高负载等极端工况下的散热需求为目标，常忽略了在低温以及低负载下温度控制的稳定性;为了提高在低环境温度下、低负载下温度控制系统对燃料电池温度控制的稳定性，在传统的PID控制的基础上，改进了控制策略，有效提升了燃料电池在低环境下低负载时温度的稳定性，对提高燃料电池性能与耐久性有积极影响。

关键词：燃料电池 控制 温度 稳定性

1 引言

以煤和石油为主的化石燃料作为驱动工业社会发展的主要能源被大量使用，导致了严重的环境污染问题和自然资源被过度开采，所以寻求一种高效、洁净的新能源已经成为全世界的共同目标。燃料电池由于具有高转换效率、低污染、低排放而备受关注。

质子交换膜燃料电池是燃料电池中最常见的类型，质子交换膜燃料电池（PEMFC）的电解质是一种能够传导质子的固体聚合物，其结构简单，通常以氢气作为燃料，工作温度为60～80℃，具有功率密度高、启动时间快、效率高、安全可靠等优点，被认为目前最有希望取代内燃机作为汽车动力的能源1;温度对质子交换膜燃料电池的性能有非常重要的影响，燃料电池电堆工作温度直接影响催化剂的催化活性以及CO耐受能力，同时还影响燃料电池内部的湿度、质子交换膜电导率、膜电极含水量等，这些因素直接关系的燃料电池的可靠性、稳定性和安全性，所以控制质子交换膜燃料电池在合理的温度范围内运行，并且避免温度出现较大幅度的波动尤为重要2。刘洋等3建立了燃料电池热管理模型，设计了基于模糊-PID 算法的控制策略对PEMFC发电系统进行温度控制试验，结果显示该算法对PEMFC发电系统温度动态响应效果良好，温度超调量小。文献4在PID控制器调节方式转速基础上，将水泵和散热风扇的控制输入量解耦，前馈与反馈控制相结合，提出了一种流量跟随电流控制冷却水流量的水冷 PEMFC 热管理系统控制策略。文献5建立了质子交换膜燃料电池的温度模糊控制系统，以解决温度控制的时变性、滞后性、不确定性和强耦合问题，经仿真表明控制方案合理，满足温度控制要求。文献6提出了基于递归模糊神经网络的温度控制策略，该算法对温度波动控制有较高的跟踪性能。文献7以半经验模型设计，采用PID控制冷却循环水泵速度，以開关控制器控制风扇的启动和关闭，实现温度的控制。

本文基于20kW质子交换膜燃料电池温度控制系统，针对在低环境温度下，特别是在降低输出负载时，燃料电池产热量相应较低，而由于环境温度降低导致环境与燃料电池温差增大，使得散热器散热效率增大从而导致燃料电池温度出现较大波动的情况，改进了控制策略，并进行了燃料电池实际运行的试验验证。

2 PEMFC燃料电池系统产热与散热模型/PEMFC燃料电池温度控制系统工作原理

2.1 PEMFC燃料电池产热模型

PEMFC燃料电池热量的产生，按照能量守恒定律，其热平衡方程为8：

∑Qm-∑Qout=Wele+Wdis+Qc （1）

式中：

Qin—进入电堆的反应气体焓值;

Qout—出电堆的生成物和未反应气体的焓值;

Wele—燃料电池所做的电功;

Qdis—电堆散到环境中的热量;

Qc—电堆冷却系统带走的热量。

燃料电池产生的热量主要通过向周围的热辐射、反应气体带走热量、生成水带走的热量、冷却液带走热量。由于燃料电池的效率大约为50%，所以产生的热量基本上与燃料电池所做的电功相当，而这些热量主要通过温度控制系统中的冷却液带走，热辐射散热以及反应气体等带走的热量等所占比例很小，特别是对大功率的燃料电池而言，更是如此。若忽略反应气带入的热量和废气带走的热量以及水的焓值;那么燃料电池产生的热量可简化为为：

Qheat=（1.254-V）IN （2）

式中：

V—为燃料电池工作额定电压（V）;

I—为燃料电池工作电流（A）;

N—为燃料电池节数;

2.2 PEMFC燃料电池散热模型

冷却液从燃料电池内部带走的热量为：

Qc=CpmΔT （3）

式中：

Cp—为冷却液的比热容;

m—为冷却液的流速;

ΔT—为冷却液的进出口温度差（ΔT=（Tcoolant，out-Tcoolant，in））;

冷却液从燃料电池带走的热量再通过散热器与环境中空气进行热交换，达到散热目的，散热器的散热量如下公式所示：

Qrad=Cp，airmair（Tair，out-Tair，in） （4）

式中：

Cp，air—为空气的比热容;

mair—为散热风扇的空气流速;

Tair，in—为散热器中散热风扇入口冷风温度，一般与环境温度一致;

Tair，out—为散热器中散热风扇出口热风温度。

在进行燃料电池散热系统设计时，一般选择按最大散热能力选择散热器，保证散热器能够满足燃料电池在最大输出功率下产生的散热需求，散热器的散热能力大于燃料电池系统最大产热量即Qrad>Qheat。

3 燃料电池温度控制系统控制策略分析

3.1 传统的PEMFC温度控制系统控制结构及策略

传统的温度控制系统是以满足燃料电池系统最大散热需求为目标，在温度控制过程中，往往较大的散热能力有利于燃料电池系统温度的控制，以在高温下，燃料电池在最大输出功率甚至过载的情况下，其温度控制的精度和均匀性为目标，但是环境温度与燃料电池冷却液出口温度的温差是散热器散热的驱动力，环境温度越低，驱动力越大，如公式（4）所示，温差ΔT=Tair，out-Tair，in，其中散热风扇入口温度Tair，in与环境温度Tenv相等，那么公式转化为：Qrad=Cp，airmair（Tair，out-Tenv），那么环境温度Tenv越低，散热量Qrad增大，虽然Qrad增大能够满足燃料电池的散热能力，但是容易导致燃料电池在低负载情况下，散热器过度散热导致燃料电池温度波动，稳定性变差。

3.2 改進的燃料电池温度控制系统结构及控制策略

随着环境温度降低，散热器的散热能力增加，散热风扇PID调节风扇转速降低，但是由于散热风扇本身固有的特性，散热风扇有一最小阈值，低于此阈值即使给出转速信号，散热风扇依然处于停止状态，而当高于此阈值时风扇直接在此阈值之上运行，而非从低到高逐渐增加，传统的PID控制方法，正是未考虑到风扇本身的特性，在风扇处于开启阈值以下时，给出的风扇转速信号无效，只有当温度继续升高，PID继续调节加大风扇转速超过风扇开启阈值时，风扇才开始开启并散热，从而导致温度超过设定值，波动较大;在此基础上提出了边界PID控制方法，测试得到散热风扇的开启阈值，将风扇的开启阈值考虑在控制范围内，有效避免温度超调。

本文对传统的散热风扇控制结构和控制策略也相应做了改进，如图1和2所示，在原控制结构上，将两个散热风扇进行独立控制，其控制策略为，在燃料电池输出功率增加，所需散热功率也逐渐增加，控制系统先启动其中一个风扇进行散热，进行散热控制，在低环境温度以及低负载情况下，单个风扇在其转速范围内，可均匀调节燃料电池散热温度，有效避免了同时启动两个风扇情况，过度散热导致的温度超调，燃料电池温度稳定性差的现象;而随着负载增加，或者环境温度的升高，另外一个风扇再启动，与第一个风扇进行散热叠加，温度控制更加稳定。

4 实验验证

4.1 系统设计

实验采用自制的20kW燃料电池电堆，搭建完整的燃料电池系统，用N6960-600-200可编程电子负载（国产）进行程序设定燃料电池的变载工况设定加载情况。用RG330国产燃料电池测试平台与燃料电池系统控制器进行通信，进行燃料电池输出的电压和电流信号、电堆的冷却液温度进行监测，并将数据送至PC端进行记录存储。

实验采用恒流工作模式，测试了燃料电池从环境温度45℃降低到15℃，燃料电池系统温度控制的稳定性，恒定负载电流下的（50A、100A、170A、250A、300A），对应的输出功率为5kW、9kW、14.5kW、20kW、22.5kW;以电堆的出口温度做为研究对象，进行分析。

温度控制系统是基于环境温度45℃下，满足燃料电池最大散热功率设计;首先测试了传统的控制策略在环境温度下降至15℃时，燃料电池系统温度控制的稳定性。

如图3所示为燃料电池在传统的控制策略下在环境温度为15℃下，燃料电池输出功率与温度的变化曲线图，当燃料电池以20kW功率输出时，电堆温度控制还维持在比较平稳的水平，而当输出功率低于15kW时，燃料电池温度开始出现锯齿状波动，同时燃料电池的输出功率也相应地出现跟随温度进行上下波动。图4为改进控制策略之后，在环境温度为15℃下的燃料电池系统温度与功率变化曲线图，与改进前的燃料电池温度曲线进行对比，燃料电池的温度没有随着负载的下降出现较大波动，在燃料电池的输出功率降低至5kW以下，燃料电池温度依然维持在较为稳定的水平。

5 结语

本文建立的燃料电池系统热管理子系统的模型能较精确地实现对燃料电池电堆的模拟仿真。在该模型基础上开发的基于预测的智能PID算法，根据简化的系统模型预测电堆的温度变化趋势并进行提前控制，因而能有效地减小超调。温度控制的试验结果显示，该算法具有很高的响应速度和控制精度，能满足控制的需要。

基金项目：国家重点研发计划新能源汽车重点专项，编号（2017YFB0102900）;福建省新能源汽车电机产业技术开发基地。

参考文献：

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