俞林炯， 陳鳳祥，2， 賈 驍， 周 蘇

(1.同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院，上海201804;2.同濟(jì)大學(xué)新能源汽車工程中心汽車學(xué)院，上海201804)

0 引 言

質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)是一種將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，具有運(yùn)行溫度低、功率密度高、低溫啟動(dòng)快、能量轉(zhuǎn)換效率高和零污染等優(yōu)點(diǎn)，是很有可能取代內(nèi)燃機(jī)的一種新型汽車動(dòng)力源［1 ～2］.

根據(jù)PEMFC 的實(shí)際工作效率，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的熱能幾乎和電能一樣多，主要包括電化學(xué)反應(yīng)生成熱、歐姆熱和外界輻射熱，較大的熱負(fù)荷使燃料電池?zé)峁芾沓蔀槟壳把芯康闹攸c(diǎn)之一［3］. 熱管理研究的內(nèi)容是PEMFC 系統(tǒng)熱量的生成、傳遞以及冷卻方式，目的是通過(guò)合理的熱量分配和利用，促使整個(gè)系統(tǒng)在某個(gè)溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)吸放熱平衡，電堆溫度場(chǎng)分布均勻，從而使電池高效運(yùn)行.

研究發(fā)現(xiàn)，溫度的高低對(duì)電堆性能影響很大，低溫時(shí)電堆內(nèi)各種極化增強(qiáng)，歐姆阻抗也較大，電池性能惡化;高溫時(shí)歐姆阻抗降低，同時(shí)較少極化，有利于提高電化學(xué)反應(yīng)速度和質(zhì)子在膜內(nèi)的傳遞速度，電池性能變好.但溫度過(guò)高時(shí)會(huì)導(dǎo)致膜脫水，電導(dǎo)率下降，電池性能變差，因此，冷卻系統(tǒng)對(duì)PEMFC 運(yùn)行有著重要的意義［4］. 目前，對(duì)于燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的水熱管理闡述較多［5～6］，對(duì)冷卻系統(tǒng)的研究主要集中在冷卻系統(tǒng)試驗(yàn)、水熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及電堆的溫度控制，專門針對(duì)冷卻系統(tǒng)的建模仿真較少. 本研究根據(jù)PEMFC 發(fā)動(dòng)機(jī)的散熱特點(diǎn)，基于現(xiàn)有的燃料電池冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了綜合型冷卻系統(tǒng)，將中冷器也集成到冷卻系統(tǒng)中，利用Simulink 和AMESim 兩個(gè)仿真平臺(tái)各自的優(yōu)勢(shì)建立了PEMFC 發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)聯(lián)合仿真模型，利用模型對(duì)PEMFC 冷卻系統(tǒng)的冷卻效果和影響因素進(jìn)行了仿真分析.

1 PEMFC 冷卻系統(tǒng)建模

PEMFC 發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻方式有水冷和風(fēng)冷兩種，水冷型冷卻效果優(yōu)于風(fēng)冷型，本文研究的是水冷式冷卻系統(tǒng)，包括冷卻循環(huán)泵、冷卻水管路、水箱、旁路分流閥、散熱器、中冷器以及相應(yīng)的控制器，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布置如圖1 所示.

現(xiàn)有的PEMFC 發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)主要集中在電堆的冷卻，對(duì)空氣的冷卻都是單獨(dú)考慮，而在本研究中將PEMFC 系統(tǒng)空氣端的中冷器也歸并入冷卻系統(tǒng)中，以冷卻液為主線將PEMFC 系統(tǒng)穿起來(lái)，從而為全面分析冷卻系統(tǒng)對(duì)PEMFC 發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響提供可能.

冷卻系統(tǒng)的模型是在Matlab/Simulink 和AMESim 兩個(gè)平臺(tái)上建立的.Matlab/Simulink 建模的優(yōu)勢(shì)在于可以建立較為簡(jiǎn)潔的模型，并為模型的控制提供了大量工具包;AMESim 的建模優(yōu)勢(shì)是提供了大量的液壓和熱力學(xué)系統(tǒng)庫(kù)，為冷卻系統(tǒng)的建模提供了現(xiàn)成模塊，建模時(shí)不需要深入研究模塊內(nèi)部的計(jì)算機(jī)理，從而簡(jiǎn)化了建模過(guò)程，同時(shí)能保證模型的準(zhǔn)確性.聯(lián)合仿真模型的中冷器和旁路閥模型在Simulink 上建立，其余部分在AMESim 平臺(tái)上建立.

圖1 冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 Simulink 模型

1.1.1 中冷器模型

中冷器的主要作用是降低空壓機(jī)出口的空氣溫度，間接提高空氣相對(duì)濕度. 中冷器入口空氣溫度可由空壓機(jī)模型求得;入口冷卻液溫度可由散熱器模型求得，因此，中冷器模型主要計(jì)算出口空氣溫度和冷卻液溫度. 根據(jù)傳熱學(xué)原理，建立水冷逆流式中冷器機(jī)理模型:

中冷器模型需要的入口冷卻液信號(hào)由AMESim 中的散熱器模型提供，其余信號(hào)由Simulink 中的PEMFC 系統(tǒng)模型提供. 關(guān)于本中冷器模型的詳細(xì)介紹，可參考本文作者已發(fā)表的文獻(xiàn)［7］.

1.1.2 旁路閥模型

旁路閥起到類似于節(jié)溫器的作用，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)調(diào)整通過(guò)電堆和中冷器的冷卻液流量，以達(dá)到調(diào)節(jié)冷卻強(qiáng)度的作用. 旁路閥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，為便于計(jì)算，忽略壓力和溫度變化，得到旁路閥模型:

1.2 AMESim 模型

AMESim Rev 10 軟件為冷卻系統(tǒng)建模提供了很好的軟件平臺(tái). 在信號(hào)庫(kù)、熱液壓庫(kù)、冷卻庫(kù)、熱交換庫(kù)等組件庫(kù)的支持下，建立了冷卻系統(tǒng)模型，模型基本結(jié)構(gòu)如圖2 所示.

圖2 AMESim 模型結(jié)構(gòu)圖

1.2.1 散熱器模型

散熱器是整個(gè)冷卻系統(tǒng)最關(guān)鍵的部件，PEMFC 發(fā)動(dòng)機(jī)90% 以上的熱量通過(guò)散熱器散發(fā)，因此，散熱器的特性直接決定了整個(gè)冷卻系統(tǒng)的散熱能力.在AMESim 中散熱器是用水-氣熱交換器表示的.

散熱器的散熱量主要是冷卻液體積流量和風(fēng)速的函數(shù)，可以表示為:

冷卻液流量Wcoolant可由水泵模型計(jì)算得到，風(fēng)速由車速和風(fēng)扇決定.風(fēng)扇的作用是提高流經(jīng)散熱器表面的風(fēng)速，從而增加空氣流量. 在AMESim 中風(fēng)速與車速及風(fēng)扇開度的對(duì)應(yīng)關(guān)系已用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)制成表格，因此，只要風(fēng)扇開度一定即可計(jì)算出風(fēng)速增加量.為便于計(jì)算，假定風(fēng)扇不啟動(dòng)時(shí)風(fēng)速等于車速.在實(shí)際車輛運(yùn)行中車速和風(fēng)速之間基本可以按照一定關(guān)系換算過(guò)去，因此本假設(shè)不影響仿真的可靠性.流經(jīng)散熱器的風(fēng)速可按下式計(jì)算:

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立散熱器散熱量數(shù)據(jù)表格，通過(guò)冷卻液流量和風(fēng)速查表可得散熱器在實(shí)驗(yàn)條件下的散熱量Qrad_exp，對(duì)該散熱量做修正即可得到實(shí)際的散熱量:

其中ΔTexp為實(shí)驗(yàn)條件下入口冷卻液和空氣的溫差，ηrad為散熱器表面效率.

1.2.2 水泵模型

PEMFC 冷卻系統(tǒng)一般采用離心式循環(huán)水泵，水泵的流量和轉(zhuǎn)速成正比. 在AMESim 中，水泵模型的輸入變量是轉(zhuǎn)速，流量計(jì)算公式為:

水泵進(jìn)出口的壓力隨轉(zhuǎn)度的變化而變化，AMESim 中根據(jù)水泵的臨界轉(zhuǎn)速引入了一個(gè)壓力修正因子，在轉(zhuǎn)速不斷變化時(shí)，對(duì)水泵進(jìn)出口壓力做修正:

水泵焓值的變化主要是由于水泵消耗的軸功率引起的，水泵進(jìn)出口冷卻液焓值分別為:

1.2.3 水箱模型

AMESim 中的水箱模型是用熱力學(xué)容器來(lái)表示的.水箱內(nèi)部冷卻液和空氣之間進(jìn)行熱交換，同時(shí)水箱還可以與外部空氣進(jìn)行熱交換.水箱內(nèi)冷卻液和空氣的體積之和即水箱總體積，且水箱內(nèi)空氣認(rèn)為是理想空氣，故可利用理想氣體公式計(jì)算水箱內(nèi)壓力.

1.2.4 管道模型

在AMESim 中管道由多種子模型可選，在本文模型中根據(jù)不同的位置選取了兩種子模型，分別為絕熱液壓管道和可壓縮熱力管道.AMESim 的管道模型較復(fù)雜，涉及大量流體公式，具體可參見AMESim 中Thermal Hydraulic Resistance 庫(kù)中組件的help 文件，在此不再贅言.

圖3 環(huán)境溫度的影響

2 模型仿真分析

2.1 仿真參數(shù)設(shè)定

針對(duì)某公司一套實(shí)際的45kW 質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)建立模型，除上述冷卻系統(tǒng)外，其余部分在Simulink 中建立，可參見文獻(xiàn)［8］. 冷卻系統(tǒng)的仿真參數(shù)如表所示:

表1 冷卻系統(tǒng)仿真參數(shù)

2.2 冷卻效果影響因素

2.2.1 環(huán)境溫度的影響

在150A 負(fù)載電流下，冷卻水泵轉(zhuǎn)速1500rpm，車速6m/s，冷卻風(fēng)扇開度0.7，冷卻液旁通閥開度0.9，環(huán)境溫度從5℃變到35℃，根據(jù)模型計(jì)算電堆溫度、電堆出口冷卻液溫度和散熱器出口冷卻液溫度，如圖3 所示:

從圖中可看出，環(huán)境溫度對(duì)PEMFC 系統(tǒng)的溫度影響非常明顯. 在當(dāng)前電堆的運(yùn)行條件下，環(huán)境溫度到達(dá)35℃時(shí)，電堆溫度已經(jīng)超過(guò)90℃.環(huán)境溫度平均每升高1℃，電堆溫度就平均升高1℃，由此可見，環(huán)境溫度對(duì)冷卻系統(tǒng)的影響非常大，當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，必須調(diào)整相應(yīng)的控制策略.

2.2.2 水泵轉(zhuǎn)速的影響

在150A 負(fù)載電流下，環(huán)境溫度25℃，車速5m/s，風(fēng)扇開度0.5，冷卻液旁通閥開度0.9 時(shí)，水泵轉(zhuǎn)速?gòu)?200rpm 變到2500rpm，依據(jù)建立的仿真模型，計(jì)算PEMFC 系統(tǒng)運(yùn)行至溫度穩(wěn)定時(shí)，電堆溫度、電堆出口冷卻液溫度、散熱器出口冷卻液溫度、中冷器出口冷卻液溫度和冷卻液流量的關(guān)系如圖4、5 所示.水泵轉(zhuǎn)速的變化直接影響流經(jīng)系統(tǒng)冷卻液的流量.

圖4 水泵轉(zhuǎn)速對(duì)電堆的影響

從圖4 中可以看出，電堆溫度、電堆出口冷卻液溫度、散熱器出口冷卻液溫度隨冷卻液流量的增大而降低，但梯度不大，當(dāng)流量超過(guò)0.78kg/s 后溫度下降梯度更小. 從圖5 中可以看出，隨著流經(jīng)中冷器的冷卻液流量的增加，空氣溫度也下降，但在0.086kg/s 這個(gè)拐點(diǎn)之前下降比較明顯，之后下降趨勢(shì)變緩和.由此可見，冷卻液流量對(duì)冷卻系統(tǒng)性能的影響是分段的:在流量拐點(diǎn)之前影響較大，拐點(diǎn)后影響就減小了.流量拐點(diǎn)的值隨冷卻強(qiáng)度的變化而變化.這和文獻(xiàn)［7］的仿真結(jié)果一致，也符合理論［9］分析的結(jié)果.所以，調(diào)節(jié)冷卻液流量的方式只有在一定范圍內(nèi)有效，超出范圍后作用就不明顯了.

圖5 水泵轉(zhuǎn)速對(duì)中冷器的影響

2.2.3 風(fēng)扇開度的影響

在150A 負(fù)載電流下，環(huán)境溫度25℃，車速5m/s，水泵轉(zhuǎn)速1500rpm，冷卻液旁通閥開度0.9時(shí)，風(fēng)扇開度從0.4 變到0.8，依據(jù)建立的仿真模型，計(jì)算PEMFC 系統(tǒng)運(yùn)行至溫度穩(wěn)定時(shí)，電堆出口冷卻液溫度、散熱器出口冷卻液溫度、中冷器出口冷卻液溫度和空氣溫度如圖6 所示.

從圖中可以看出，電堆出口冷卻液溫度、散熱器出口冷卻液溫度都隨風(fēng)扇開度增大迅速降低，最大調(diào)節(jié)幅度達(dá)到20℃以上.當(dāng)開度為0.8 時(shí)，冷卻液溫度已經(jīng)降了45℃以下.因此，風(fēng)扇開度對(duì)冷卻系統(tǒng)的性能影響非常大，對(duì)PEMFC 系統(tǒng)溫度進(jìn)行實(shí)際控制時(shí)，通過(guò)控制風(fēng)扇的開度調(diào)節(jié)電堆溫度是最有效的調(diào)節(jié)方式.

圖6 風(fēng)扇開度的影響

2.2.4 車速的影響

車速對(duì)冷卻系統(tǒng)的影響直接體現(xiàn)在流經(jīng)散熱器的風(fēng)速.當(dāng)風(fēng)扇關(guān)閉時(shí)，散熱器表面的風(fēng)速完全由車速?zèng)Q定，但并不等于車速. 在本模型的仿真中為了仿真方便而假定風(fēng)扇關(guān)閉時(shí)車速等于風(fēng)速，在實(shí)際情況中風(fēng)扇關(guān)閉時(shí)車速和風(fēng)速之間是可以近似轉(zhuǎn)換的，因此本模型的假設(shè)不影響仿真結(jié)果的有效性.

在150A 負(fù)載電流下，環(huán)境溫度25℃，水泵轉(zhuǎn)速1500rpm，冷卻液旁通閥開度0.9，風(fēng)扇開度0.4，車速?gòu)?m/s 變化到8m/s，依據(jù)建立的仿真模型，計(jì)算PEMFC 系統(tǒng)運(yùn)行至溫度穩(wěn)定時(shí)，散熱器出口冷卻液溫度和風(fēng)速的關(guān)系如圖7 所示.

從圖中可以看出，車速對(duì)散熱器的冷卻效果影響很大，隨著風(fēng)速升高，散熱量也快速增加，同時(shí)冷卻水溫度迅速下降，可見風(fēng)速是影響散熱量的關(guān)鍵因素，而風(fēng)扇的調(diào)節(jié)作用說(shuō)到底也是通過(guò)增加風(fēng)速來(lái)實(shí)現(xiàn)的.

2.2.5 旁通閥開度的影響

旁路閥根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀況調(diào)節(jié)通過(guò)電堆和中冷器的冷卻液流量，主要起分流的作用. 有些PEMFC 系統(tǒng)中對(duì)流經(jīng)中冷器和電堆的冷卻水流量做固定比例分流，這種分配只能在某一范圍內(nèi)起到較好的溫度調(diào)節(jié)作用，而旁通閥可以隨時(shí)根據(jù)發(fā)動(dòng) 機(jī)工況隨時(shí)調(diào)節(jié)兩邊的冷卻水流量.

圖7 車速的影響

水泵轉(zhuǎn)速1500rpm，風(fēng)扇開度0.5，車速=4m/s，旁通閥對(duì)電堆的開度從0.6 變化到0.9，各溫度變化如圖8 所示.

圖8 旁通閥開度的影響

在一定的冷卻強(qiáng)度下，冷卻液溫度受散熱量影響明顯，而電堆的散熱量遠(yuǎn)大于中冷器的散熱量，因此旁通閥的開度對(duì)流經(jīng)電堆的冷卻液溫度影響較大，進(jìn)而影響散熱器出口冷卻液溫度. 從圖8 中可以看出，隨著旁通閥開度的增大，流經(jīng)電堆的冷卻液流量增加，從而進(jìn)出口溫差減小，出口冷卻液溫度下降;中冷器出口冷卻液溫度以及空氣溫度變化也不大，隨著旁通閥開度的增加，流經(jīng)中冷器的冷卻液流量減小，與熱空氣的換熱量減小，從而導(dǎo)致溫度升高.旁通閥開度較小時(shí)中冷器出口溫度偏低，不適合長(zhǎng)期工作，為保證電堆溫度的均勻，實(shí)際冷卻系統(tǒng)中旁通閥開度基本控制在0.8 以上.

3 結(jié) 論

根據(jù)質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的熱負(fù)荷特性設(shè)計(jì)了綜合型冷卻系統(tǒng)，主要由冷卻循環(huán)泵、冷卻水管路、水箱、旁路分流閥、散熱器、中冷器組成.利用Simulink 和AMESim 兩個(gè)平臺(tái)各自的優(yōu)勢(shì)建立了冷卻系統(tǒng)的聯(lián)合仿真模型，利用該模型在各工況點(diǎn)分析了冷卻系統(tǒng)各部件對(duì)冷卻效果的影響，仿真結(jié)果表明散熱器表面的風(fēng)速是影響散熱量的最主要影響因素，冷卻液流量調(diào)節(jié)只能在小范圍內(nèi)起作用，旁通閥開度變化對(duì)冷卻系統(tǒng)是有影響的.

聯(lián)合仿真模型簡(jiǎn)化了建模的復(fù)雜性，降低了建模要求，同時(shí)提高了模型的準(zhǔn)確性，為冷卻系統(tǒng)控制算法的實(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)，可以對(duì)PEMFC 發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)總體性能指標(biāo)進(jìn)行全面分析，為燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析提供依據(jù).

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