周 蘇，謝正春，孫 延，金 杰，張寅之，裴馮來

（1.同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院，上海 201804；2.同濟(jì)大學(xué)中德學(xué)院，上海 200092；3.上海機(jī)動車檢測認(rèn)證技術(shù)研究中心有限公司，上海 201805）

近些年來，為減少對化石能的依賴和降低環(huán)境污染，以氫燃料電池為主動力源、動力電池或超級電容為作為輔助動力源的燃料電池混合動力汽車不斷發(fā)展［1］。常溫下作為液體燃料，甲醇的物理性質(zhì)與汽油接近，加注簡便、易于儲存和運(yùn)輸。采用車載甲醇重整制氫是燃料電池汽車氫氣制取、運(yùn)輸、分配及加氫等環(huán)節(jié)存在的問題的解決方案之一［2-4］。

甲醇重整制氫燃料電池汽車動力系統(tǒng)技術(shù)方案使得整車系統(tǒng)的集成與控制過程變得更加復(fù)雜。國內(nèi)外目前的研究主要集中在甲醇重整制氫系統(tǒng)本身的動態(tài)建模與控制。Gurau等［5］設(shè)計(jì)了用于3kW燃料電池動力系統(tǒng)的車載甲醇重整器并建立了相應(yīng)的動態(tài)模型。Stamps等［6］分析了甲醇重整和質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)的動態(tài)運(yùn)行過程，提出了所涉及子系統(tǒng)的動態(tài)模型。El-Sharkh等［7］提出了以傳遞函數(shù)形式描述的動態(tài)模型，并基于原料操縱來控制燃料電池輸出電壓。然而，鮮有針對汽車工況的、結(jié)合甲醇重整制氫和燃料電池系統(tǒng)進(jìn)行建模和能量管理的研究工作。對于車載甲醇重整制氫的燃料電池系統(tǒng)，在不影響車輛動力性、燃料電池及動力電池等核心零部件使用壽命的前提下，合理的供氫管理策略可以降低甲醇消耗和提高整車系統(tǒng)效率。

本文建立并在Matlab/Simulink軟件環(huán)境下實(shí)現(xiàn)了面向控制的車載甲醇重整制氫燃料電池系統(tǒng)模型，模擬和分析了實(shí)際工況下甲醇重整制氫系統(tǒng)及燃料電池系統(tǒng)涉及的重要變量的動態(tài)過程。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)燃料電池系統(tǒng)動態(tài)需求功率，研究和比較了2種供氫管理策略。第1種方法是運(yùn)用時間序列指數(shù)預(yù)測算法，預(yù)測燃料電池耗氫速率，實(shí)時調(diào)整甲醇重整器的甲醇供應(yīng)量；考慮到工況頻繁變化會降低甲醇重整效率，第2種方法采用基于規(guī)則的供氫管理策略，維持甲醇重整器運(yùn)行在高效率區(qū)。

1 車載甲醇重整制氫燃料電池系統(tǒng)建模

甲醇重整制氫方法主要有水蒸氣重整（SR）、部分氧化重整（POX）和自熱重整（ATR）。ART方法利用POX反應(yīng)熱，補(bǔ)償SR需要吸收的熱量，避免了單一催化氧化重整引起催化器燒結(jié)、單一水蒸氣重整冷啟動時間過長且需要外部熱源加熱的問題［8-9］。甲醇ART重整器是一種在自熱條件下運(yùn)行的、具有填充床結(jié)構(gòu)的塞流式反應(yīng)器，反應(yīng)物為空氣、水與甲醇。反應(yīng)物經(jīng)換熱器與催化燃燒器高溫氣體進(jìn)行熱交換，在進(jìn)入重整器前被預(yù)熱至200～250℃；在重整器內(nèi)反應(yīng)物經(jīng)重整后成為富氫混合氣體，再經(jīng)選擇性催化氧化與金屬鈀膜分離器分離提純并冷卻至80℃左右，得到高純氫氣。本文采用車載甲醇ART方法制氫，獲得的高純氫氣一方面直接供給重整器后接的質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC），另一方面經(jīng)升壓后進(jìn)入氫氣緩存裝置，以備重整器產(chǎn)氫不足時進(jìn)行補(bǔ)償供給。在構(gòu)成的車載燃料電池動力系統(tǒng)中，甲醇自熱重整器（包括甲醇罐）相當(dāng)于一個動態(tài)氫氣發(fā)生器和存儲器，其產(chǎn)氫速率既要滿足整車動力的電功率需求，同時又要盡可能不與實(shí)時電功率需求直接關(guān)聯(lián)。這就需要在燃料電池汽車整車模型內(nèi)構(gòu)建一個動態(tài)甲醇自熱重整器模型，替代原來高壓氫瓶模型。

1.1 燃料電池汽車整車模型

以某款燃料電池物流車為車輛原型（具體參數(shù)見表1），采用甲醇自熱重整器的燃料電池動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括甲醇重整器、燃料電池發(fā)電模塊、動力電池、驅(qū)動電機(jī)、DC/DC和動力系統(tǒng)控制器，如圖1所示。動力系統(tǒng)整車控制器根據(jù)功率需求調(diào)節(jié)甲醇重整器產(chǎn)氫速率、燃料電池發(fā)電模塊和動力電池的輸出功率。氫燃料電池汽車整車建模過程見文獻(xiàn)［1，10］，本文重點(diǎn)介紹構(gòu)建一個動態(tài)甲醇自熱重整器模型替代原來高壓氫瓶模型和一個增加了供氫管理的動力系統(tǒng)控制器模型。

圖1 甲醇重整制氫燃料電池汽車動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of power system of methanol re?forming hydrogen production fuel cell vehicle

表1 燃料電池汽車整車參數(shù)Tab.1 Parameters of fuel cell vehicle

動力系統(tǒng)控制器是整車控制系統(tǒng)的重要組成部分，為了滿足基于駕駛員踏板開度信號獲得的電功率需求，除了需要實(shí)時分配燃料電池發(fā)電模塊與動力電池的電功率輸出，還需對甲醇重整器進(jìn)行供氫管理。甲醇重整制氫燃料電池汽車控制邏輯如圖2所示。

圖2 甲醇重整制氫燃料電池汽車控制邏輯框圖Fig.2 Control logic block diagram of methanol reforming hydrogen production fuel cell vehicle

1.2 甲醇重整器建模

1.2.1 甲醇重整器模型

甲醇重整主要分為催化燃燒、物料混合預(yù)熱和自熱重整3個過程，如圖3所示。

圖3 甲醇重整器工作過程Fig.3 Working process of methanol reformer

1.2.1.1 催化燃燒過程

在常溫條件下，甲醇與空氣即可發(fā)生劇烈的氧化反應(yīng)，反應(yīng)生成的熱可進(jìn)一步加快反應(yīng)速度并加大反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率。催化燃燒過程發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)方程為［11］

（1）物質(zhì)守恒。輸入燃燒室的甲醇物質(zhì)的量流量為n?B_inCH3OH，燃燒過程空氣過量系數(shù)為λB，充分燃燒的甲醇量為n?R。根據(jù)化學(xué)反應(yīng)過程組分守恒定律，相應(yīng)物質(zhì)組分計(jì)算如下：

式中：為燃燒室出口總的物質(zhì)的量流量；、和分別為燃燒室出口物質(zhì)組分中甲醇、氧氣、二氧化碳、水和氮?dú)獾奈镔|(zhì)的量流量。

（2）能量守恒。忽略系統(tǒng)與環(huán)境之間的熱輻射，高溫燃燒反應(yīng)物氣體的溫度變化滿足以下能量守恒等式

式中：Tout，b為熱交換前燃燒室燃燒后高溫混合氣溫度；Qin，b、Qout，b與Qchem，b分別為燃料是入口物質(zhì)熱焓、出口物質(zhì)熱焓及燃燒反應(yīng)焓變；下角標(biāo)i代表燃燒室進(jìn)出口物質(zhì)種類；ci為物質(zhì)定壓比熱容。

1.2.1.2 物料混合預(yù)熱過程

為了方便換熱器實(shí)際預(yù)熱過程模型搭建，將甲醇水溶液、空氣與催化燃燒后的高溫混合氣熱量交換過程抽象細(xì)分為3個階段，換熱過程如圖4所示。第一階段將液態(tài)甲醇與水由Tamb加熱至其沸點(diǎn)溫度Tamb(l)。第二階段甲醇與水僅汽化，但溫度不發(fā)生變化。第3階段氣態(tài)甲醇、水以及空氣被加熱到進(jìn)入重整室的期望溫度。3個換熱階段均需滿足能量守恒定律，具體的建模過程見文獻(xiàn)［12］。

圖4 換熱過程Fig.4 Heat transfer process

1.2.1.3 自熱重整過程

甲醇自熱重整反應(yīng)也可以看作甲醇水蒸氣重整與部分氧化重整的復(fù)合反應(yīng)，以氣態(tài)甲醇、氧氣和水蒸氣作為反應(yīng)物，生成CO2和H2?；瘜W(xué)反應(yīng)方程式為［4，13］

重整過程同時伴隨可逆的水煤氣反應(yīng)，并生成一氧化碳與氫氣。也有一些研究學(xué)者認(rèn)為，甲醇的水蒸氣重整反應(yīng)實(shí)際上是甲醇催化裂解重整與水煤氣反應(yīng)的復(fù)合過程，相應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)方程式如下所示：

（1）物質(zhì)守恒。自熱重整過程最終產(chǎn)物組分為

式中：為氧化重整反應(yīng)甲醇消耗量；為水蒸氣重整反應(yīng)甲醇消耗量；為裂解反應(yīng)甲醇消耗量；為水煤氣反應(yīng)甲醇消耗量。

（2）能量守恒。重整室內(nèi)部的熱量交換過程滿足以下能量守恒方程式：

式中：、cg，Re分別為重整室內(nèi)混合氣體物質(zhì)的量、定壓比熱容；Tout，Re為重整氣出口溫度；Qin、Qout分別為重整室進(jìn)出口氣體攜帶的熱量；Qpox、QSR、QMD及Qwgs分別為相應(yīng)化學(xué)反應(yīng)釋放的熱量；kcat、Acat分別為催化劑床層與重整室內(nèi)的氣體熱傳導(dǎo)系數(shù)、換熱面積。

1.2.2 甲醇重整器控制模型

甲醇重整器控制模型包括物料供應(yīng)控制、溫度控制2部分，用于控制甲醇、水及空氣供應(yīng)動態(tài)過程以及控制重整器的溫度，使其快速啟動并維持在適宜溫度范圍內(nèi)運(yùn)行。

1.2.2.1 物料供應(yīng)控制

甲醇與水的供應(yīng)過程主要涉及對液體計(jì)量泵的控制。液體計(jì)量泵的工作特性具有較強(qiáng)的非線性特性，采用查表法實(shí)現(xiàn)對液體計(jì)量泵的靜態(tài)前饋控制，是工程中應(yīng)用最為廣泛的一種將非線性系統(tǒng)在靜態(tài)穩(wěn)定點(diǎn)附近分段線性化的控制方法［14］。當(dāng)液體計(jì)量泵性能發(fā)生變化或同批次液體計(jì)量泵之間性能出現(xiàn)不一致性差異以及出現(xiàn)其他的環(huán)境擾動時，在前饋查表基礎(chǔ)上增加PID動態(tài)反饋控制，如圖5所示。液態(tài)燃料流量期望值確定之后，通過調(diào)節(jié)液體計(jì)量泵的控制電壓ui控制甲醇和水的流量。

圖5 甲醇、水供應(yīng)控制模型Fig.5 Control model of methanol and water supply

空氣的供應(yīng)過程也采用上述基于前饋查表的PID反饋控制方式?？刂破鬏斎霝楣娘L(fēng)機(jī)輸出空氣流量期望值和實(shí)測的空氣流量值，輸出為鼓風(fēng)機(jī)驅(qū)動電壓uair，如圖6所示。

圖6 空氣供應(yīng)控制模型Fig.6 Control model of air supply

1.2.2.2 溫度控制

甲醇自熱重整器熱量來源主要分為2部分。第一部分是燃燒室甲醇燃燒產(chǎn)生的熱量，可用于在換熱器中對重整反應(yīng)物加熱；第二部分是自熱重整室內(nèi)甲醇部分催化氧化重整釋放的熱量，為水蒸氣重整提供熱量并維持催化劑層溫度。相關(guān)的化學(xué)反應(yīng)方程及焓變?nèi)缦率剿荆?/p>

在理想情況下，1 mol甲醇部分催化氧化反應(yīng)釋放的熱量可以滿足近4 mol的甲醇水蒸氣重整反應(yīng)的熱量需求。但是，熱交換過程存在滯后性且化學(xué)反應(yīng)過程互相影響，必須實(shí)時調(diào)整物料供應(yīng)量，實(shí)現(xiàn)對重整器溫度的動態(tài)控制。采用模糊控制與PID反饋控制相結(jié)合的方式，實(shí)現(xiàn)對重整反應(yīng)物入口溫度與出口溫度的控制，如圖7所示。

圖7 甲醇重整器溫度控制模型Fig.7 Temperature control model of methanol reformer

2 動力系統(tǒng)控制器供氫管理

在甲醇重整器向燃料電池發(fā)電模塊供應(yīng)氫氣的過程中，為達(dá)到既滿足燃料電池發(fā)電需求又使得甲醇消耗最少的目的，動力系統(tǒng)控制器的供氫管理是不可缺少的。在理想情況下，當(dāng)甲醇重整器實(shí)際產(chǎn)氫速率等于燃料電池氫消耗速率時，物料供應(yīng)過程的效率達(dá)到最高。這樣的理想方式既可以避免燃料電池陽極欠氣的發(fā)生，也可以避免供給陽極氫氣過多造成質(zhì)子交換膜兩側(cè)壓力差過高而損壞質(zhì)子交換膜。

在冷啟動階段，重整器溫度還未達(dá)到重整反應(yīng)開始條件，重整器無法提供燃料電池運(yùn)行所需的氫氣，因此，在重整器與燃料電池發(fā)電模塊之間并聯(lián)加裝一個氫緩存罐，如圖8所示。在冷啟動階段，由氫緩存罐給燃料電池提供氫氣。重整器啟動后，直接為燃料電池供應(yīng)氫氣，多余部分的氫氣經(jīng)升壓后緩存至氫緩存罐，不足部分的氫氣由氫緩存罐提供。

圖8 并聯(lián)式供氫工作過程Fig.8 Working process of parallel hydrogen supply

重整器輸出氫氣的壓力較低，假定為PH2，re，升壓后進(jìn)入氫緩存罐的過程需消耗能量。若將升壓過程視為等溫平衡過程，則升壓過程至少需要消耗能量W為

式中：qCH3OH為甲醇低熱值。

2.1 功率預(yù)測跟隨供氫管理策略

為保證系統(tǒng)運(yùn)行效率，根據(jù)燃料電池的氫氣需求，需要控制重整器進(jìn)行相應(yīng)的重整反應(yīng)，并將重整獲得的氫氣直接供給燃料電池。然而，這一過程的實(shí)現(xiàn)依賴于動力系統(tǒng)控制器的供氫管理可以預(yù)測燃料電池未來時刻的氫氣消耗速率，并以此調(diào)節(jié)甲醇重整器的重整反應(yīng)物供應(yīng)流量?；谌剂想姵剌敵龉β蕷v史信息，采用二次指數(shù)平滑法的時間序列預(yù)測算法提前預(yù)知燃料電池系統(tǒng)需求功率，進(jìn)而“預(yù)判”未來時刻氫氣消耗速率。根據(jù)已有的N期時間序列觀測值y1，y2，…，y N(y t)預(yù)測未來T時刻的值，預(yù)測原理可由式（16）-（20）表示：

式中：Y N+T為未來T時刻預(yù)測值；yt為t時刻的觀測值；α為0～1之間取值的平滑系數(shù)，其值越大，預(yù)測模型對時間序列的變化反應(yīng)越及時；分別為一次指數(shù)、二次指數(shù)平滑值。

若將t時刻燃料電池未來Ns輸出功率預(yù)測值記為{(k(t))}，則k(t)取值范圍為{1，2，3，...，N}，(k(t))代表t時刻對未來第k(t)時刻燃料電池輸出功率的預(yù)測值?；诓楸矸ǖ玫诫娏骱托师荈CS，燃料電池未來第k(t)時刻的氫氣消耗速率預(yù)測值可通過法拉第定律由式（21）-（23）計(jì)算得到：

在t時刻，甲醇重整器以未來第k(t)時刻的氫氣消耗速率調(diào)整甲醇供應(yīng)量，理論上若能使重整器在t+1時刻的實(shí)際產(chǎn)氫速率等于燃料電池實(shí)際氫氣消耗速率，那么，相應(yīng)的供氫效率最高。

供氫管理的目標(biāo)是，當(dāng)車輛運(yùn)行時最小化整車綜合醇耗量。若供氫過程的等效甲醇消耗量為J，則針對時長為tend的工況，整車綜合等效醇耗為

式中：為穩(wěn)定運(yùn)行工況下的自熱重整器產(chǎn)氫率，表示每消耗1mol甲醇時重整器產(chǎn)氫摩爾流量，文中取值2.2。

k(t)在｛1，2，3，...，N｝范圍內(nèi)取不同的值，對應(yīng)的系統(tǒng)等效甲醇消耗量也不同。為了確定合適的k(t)值，在復(fù)合工況C-WTVC下，對比了k(t)取不同值時整車等效甲醇消耗量，仿真結(jié)果如圖9a所示。最終選定k(t)=2，重整器的產(chǎn)氫速率相對燃料電池實(shí)際耗氫速率的跟隨誤差如圖9b所示。

圖9 時間序列預(yù)測仿真結(jié)果Fig.9 Simulation results of time series prediction

2.2 基于規(guī)則的供氫管理策略

基于確定規(guī)則的能量管理策略簡單明了，在工程中易于實(shí)現(xiàn)且可靠性較高，其控制效果比較理想，已在燃料電池混合動力汽車中得到廣泛的應(yīng)用。本文設(shè)計(jì)了一種基于規(guī)則邏輯門限的供氫管理策略，通過對氫緩存罐氫氣量、燃料電池輸出功率進(jìn)行綜合判斷，確定對重整器的供氫需求，另一部分氫氣需求由氫緩存罐承擔(dān)，具體控制邏輯如圖10所示。

圖10 基于規(guī)則的供氫管理策略Fig.10 Hydrogen supply management strategybased rules

基于規(guī)則邏輯門限的供氫管理策略根據(jù)燃料電池當(dāng)前輸出功率判斷負(fù)荷強(qiáng)度，根據(jù)氫緩存罐當(dāng)前儲氫量確定重整系統(tǒng)的產(chǎn)氫速率，既要使得氫緩存罐內(nèi)有足夠的氫氣量保證下次冷啟動成功，又要使重整器產(chǎn)氫速率在一定程度上可以跟隨燃料電池實(shí)際耗氫速率。圖10a中，分別代表燃料電池輸出功率為32kW、25kW、15kW、5kW及0對應(yīng)的氫耗速率，本規(guī)則將其作為相應(yīng)氫緩存罐氫氣量與燃料電池輸出功率范圍的期望重整產(chǎn)氫速率。為了避免氫緩存罐氫氣量在閾值附近變動造成重整器產(chǎn)氫速率的頻繁切換，在Matlab/Simulink環(huán)境下實(shí)現(xiàn)供氫管理功能時采用Relay函數(shù)緩沖了切換頻率，此時系統(tǒng)物料管理規(guī)則也可以表示為圖10b，代表標(biāo)志位的3位數(shù)字從左到右依次代表flg1、flg2及flg3的狀態(tài)。儲氫量上升過程中其值達(dá)到80mol、100mol及110mol時，標(biāo)志位flg3、flg2及flg1依次置1；儲氫量下降過程中其值達(dá)到105mol、95mol及75mol時，標(biāo)志位flg1、flg2及flg3依次置0。

3 仿真驗(yàn)證

3.1 燃料電池汽車整車模型仿真

為了驗(yàn)證所搭建的燃料電池汽車整車模型的有效性，分別選擇了城市循環(huán)工況NYCC、市郊循環(huán)工況UDDS及高速公路循環(huán)工況HWFET作為仿真測試工況，以便對燃料電池整車模型進(jìn)行評價。

由圖11可知，模型仿真車速與3種工況下的期望車速曲線幾乎完全重合，即實(shí)際車速可以很好地跟隨期望車速。圖12表示的電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速隨工況的變化情況。在城市循環(huán)工況下的車速較小，但行駛場景復(fù)雜，車輛加減速情況多，存在較多急加速與急減速的情況；相對于城市工況，車輛在高速工況下的車速較大，但車速變化更平緩，通常不存在急加速與急減速的情況。仿真結(jié)果顯示，搭建的燃料電池整車模型精度較高，基本上可以反映車輛的實(shí)際運(yùn)行狀況，可以為后續(xù)研究甲醇重整制氫燃料電池汽車動力系統(tǒng)特性及其優(yōu)化控制提供支持。

圖11 仿真車速Fig.11 Simulated vehicle speed

圖12 仿真電機(jī)轉(zhuǎn)速Fig.12 Simulated motor speed

3.2 甲醇重整器模型仿真

選取坡度與階躍2種仿真工況，如圖13所示。工況時長均為700s。2種工況下，甲醇自熱重整器分別在212s、280s結(jié)束冷啟動過程第一階段，重整室的入口溫度逐漸降低至280℃。隨后分別在244s、375s結(jié)束冷啟動第二階段，催化劑床層溫度達(dá)到250℃，至此冷啟動結(jié)束。甲醇重整控制器控制物料供應(yīng)系統(tǒng)的相關(guān)執(zhí)行器向自熱重整室供應(yīng)甲醇與水，并調(diào)節(jié)重整室入口空氣流量，在400s時開始對重整室出口溫度進(jìn)行動態(tài)控制，如圖14所示。

圖13 仿真工況Fig.13 Simulation conditions

圖15、16是2種仿真工況下甲醇、水與空氣供應(yīng)量隨時間的變化曲線?？梢钥闯?，冷啟動過程中，在重整室入口空氣溫度穩(wěn)定之前，燃燒室甲醇與空氣的供應(yīng)量較大。當(dāng)重整室催化劑床層溫度達(dá)到230℃時，冷啟動過程第一階段結(jié)束。為減小重整室內(nèi)用于預(yù)熱系統(tǒng)的空氣與催化劑床層的溫差，避免重整器熱應(yīng)力損害，控制系統(tǒng)減小燃燒室甲醇與空氣供應(yīng)量，并使重整室空氣入口溫度逐漸降低至280℃，如圖14所示。由圖17可知，2種工況下，重整過程中甲醇與氧氣的轉(zhuǎn)化率均在0.95以上。圖18表明重整系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時，重整系統(tǒng)甲醇利用率可達(dá)到0.8，階躍工況下甲醇利用率受工況變化影響較小，坡度工況的變化對甲醇利用率影響較大。

圖14 甲醇重整系統(tǒng)溫度Fig.14 Temperature of methanol reforming system

圖15 甲醇與水供應(yīng)量Fig.15 Molar amount of methanol and water supply

圖17 重整反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率Fig.17 Reforming reactants conversion rates

圖18 重整系統(tǒng)甲醇利用率Fig.18 Methanol utilization rate of reforming sys?tem

仿真結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的甲醇自熱重整器控制系統(tǒng)具有較好的控制性能，適用于甲醇自熱重整器，可以用于后續(xù)動力系統(tǒng)的供氫管理研究。

3.3 供氫管理策略仿真

圖16 空氣供應(yīng)量Fig.16 Volume flow of air supply

在Matlab/Simulink軟件環(huán)境下，運(yùn)行包含甲醇重整器和動力系統(tǒng)供氫管理模塊的燃料電池汽車整車模型。系統(tǒng)冷啟動后進(jìn)入C-WTVC工況，分別采用基于規(guī)則的供氫管理策略和基于功率時間序列預(yù)測的供氫管理策略運(yùn)行仿真模型，并對仿真結(jié)果進(jìn)行比較。圖19-22分別為整車綜合等效醇耗、氫緩存罐儲氫量、升壓過程等效醇耗和重整器甲醇利用率仿真結(jié)果對比圖。

圖19是甲醇重整制氫燃料電池整車綜合等效醇耗變化曲線。前500s內(nèi)，重整器以燃料電池恒定輸出25kW功率由冷啟動進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行階段，采用基于規(guī)則的供氫管理策略比基于功率預(yù)測的供氫管理策略多消耗5.66mol甲醇，是因?yàn)樵?45s時甲醇重整系統(tǒng)冷啟動成功后繼續(xù)補(bǔ)充氫緩存罐氫氣量至80mol，保證下一次正常啟動，如圖20所示。在前500s內(nèi)基于規(guī)則的物料管理策略下的重整系統(tǒng)產(chǎn)氫速率變動較大，導(dǎo)致該策略下的甲醇利用率低于基于功率預(yù)測的物料管理策略，如圖22所示。

圖19 整車綜合等效醇耗Fig.19 Comprehensive equivalent methanol con?sumption of the vehicle

圖20 氫緩存罐儲氫量Fig.20 Hydrogen content of temporary hydrogen storage tank

圖22 甲醇利用率Fig.22 Methanol utilization rates

圖21是升壓過程等效醇耗隨時間變化的曲線。在整個工況范圍內(nèi)，采用基于規(guī)則的物料管理策略，升壓過程中等效醇耗大于基于功率預(yù)測的策略，這是因?yàn)榛诠β暑A(yù)測的物料管理策略可以使重整系統(tǒng)的產(chǎn)氫速率很好地跟隨燃料電池實(shí)際耗氫速率。但是，影響整車綜合等效氫耗最大的是重整器效率，升壓過程等效醇耗所占比重很小。從圖9a中知，基于功率預(yù)測的物料管理策略下的整車綜合等效醇耗為149.17mol，相對于重整系統(tǒng)以當(dāng)前燃料電池系統(tǒng)實(shí)際耗氫速率作為重整系統(tǒng)產(chǎn)氫速率期望值，整車綜合等效醇耗降低1.47%。

圖21 升壓過程中等效醇耗Fig.21 Equivalent methanol consumption during boosting process

在車輛運(yùn)行期間，實(shí)際行駛工況往往復(fù)雜多變，重整器產(chǎn)氫速率在跟隨燃料電池實(shí)際氫耗速率的過程中因耗氫速率的多變性增加了重整器物料供應(yīng)的負(fù)擔(dān)，使得基于功率預(yù)測的物料管理策略下的甲醇利用率均值較低。如圖22所示，在整個C-WTVC工況內(nèi)，基于功率預(yù)測的物料管理策略下的甲醇利用率均值為0.767?；谝?guī)則的物料管理策略可以進(jìn)一步提高重整系統(tǒng)甲醇利用率，其均值為0.797，使得整車綜合等效醇耗降低3.82%。

4 結(jié)語

采用機(jī)理和經(jīng)驗(yàn)結(jié)合的建模思路，搭建了使用甲醇重整制氫的燃料電池整車模型，并設(shè)計(jì)了可面向控制的供氫管理策略，在C-WTVC工況進(jìn)行了仿真試驗(yàn)，仿真結(jié)果表明：

（1）使用時間序列指數(shù)預(yù)測算法可提前預(yù)知燃料電池耗氫速率，并調(diào)整重整系統(tǒng)的物料供應(yīng)量，有效降低車輛實(shí)際運(yùn)行過程中甲醇的消耗量。

（2）當(dāng)工況發(fā)生頻繁變化時，基于規(guī)則的供氫策略通過對氫緩存罐氫氣量、燃料電池輸出功率進(jìn)行綜合判斷，確定重整器和氫緩存罐的供氫分配，可以使甲醇重整器始終工作在較高的效率區(qū)間，進(jìn)而進(jìn)一步降低醇耗。

作者貢獻(xiàn)聲明：

周 蘇：主要貢獻(xiàn)為論文指導(dǎo)及撰寫支持。

謝正春：主要貢獻(xiàn)為論文撰寫。

孫 延：主要貢獻(xiàn)為論文撰寫相關(guān)支持。

金 杰：主要貢獻(xiàn)為論文撰寫相關(guān)支持。

張寅之：主要貢獻(xiàn)為論文相關(guān)支持。

裴馮來：主要貢獻(xiàn)為仿真實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)及論文撰寫相關(guān)支持。