I基于PEMFC的燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)設(shè)計(jì)摘要：在全球能源緊缺和氣候變暖的大背景下，燃料電池(FuelCell)因?yàn)楣ぷ鳒囟炔桓摺⒛芰棵芏纫哺摺⒖煽啃院谩⒓友b燃料快速便捷、產(chǎn)物為水無(wú)污染等特點(diǎn)，逐步成為車用傳統(tǒng)能源的代替動(dòng)力源。而在整個(gè)燃料電池汽車運(yùn)行的過(guò)程中，燃料電池的溫度特性對(duì)電堆性能表現(xiàn)影響極大，一個(gè)性能良好的電堆熱管理系統(tǒng)能滿足電堆散熱和加熱需求，保證其在工況運(yùn)行中維持溫度穩(wěn)定在合理范圍之內(nèi)，從而提高電堆輸出功率，延長(zhǎng)使用壽命。因此，研究燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)有著十分重要的意義。本文以的溫度特性、熱管理系統(tǒng)模型、控制方法等為切入點(diǎn)介紹國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，引出選題意義和主要研究?jī)?nèi)容。論文依托校企聯(lián)合項(xiàng)目“天博燃料電池電堆熱管理系統(tǒng)匹配”,首先從電堆單電池機(jī)理出發(fā)，通過(guò)燃料電池的活化極化、歐姆極化、濃差極化過(guò)電壓理論在MATLAB/Simulink平臺(tái)搭建了電堆的輸出電壓模型，并通過(guò)試實(shí)驗(yàn)證明模型準(zhǔn)確性，并以此為基礎(chǔ)分析電堆的溫度特性。[1] 11.1選題背景與意義 11.2國(guó)內(nèi)外熱管理系統(tǒng)研究現(xiàn)狀 1 12.1燃料電池系統(tǒng)產(chǎn)熱分析 2 2 22.1.3尾氣散熱 22.1.4冷卻水散熱 32.2熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)性能目標(biāo) 32.3燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)設(shè)計(jì) 3 3 5 62.4熱管理系統(tǒng)控制策略 82.5本章小結(jié) 9 3.1熱管理系統(tǒng)各部件參數(shù)匹配 3.3.2風(fēng)扇選取 3.3.3循環(huán)水泵 4.熱管理系統(tǒng)在車用工況下的仿真研究 4.1整車能量管理策略建模 4.2極端高溫爬坡工況下仿真研究 4.3極端低溫工況下的仿真研究 214.4常溫NEDC仿真研究 225.結(jié)論 24 251汽車領(lǐng)域，以鋰電池為能源的電動(dòng)車技術(shù)基本成型，同樣從19世紀(jì)50年代后，燃料電池汽車開(kāi)始得到發(fā)展，海外燃料電池市場(chǎng)也逐漸進(jìn)入商用化階段：日韓、美國(guó)和歐洲相關(guān)技術(shù)迅速發(fā)展，基本性能的開(kāi)發(fā)已經(jīng)完成，核心技術(shù)問(wèn)題也部分得到了解決，各自生產(chǎn)自家的燃料電池汽車，諸如：豐田Mirai、奔馳F-cellEQPower等。各國(guó)加快相關(guān)技術(shù)研究，加氫站建設(shè)也在逐漸增多(陳俊杰，王思涵，2022)。而此時(shí)中國(guó)的燃料電池汽車技術(shù)大多還處于試驗(yàn)發(fā)展階段，電池總成和相關(guān)控制模塊多采用進(jìn)口，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的相關(guān)零部件和總成規(guī)模小，且易出現(xiàn)各種問(wèn)題，影響產(chǎn)品的質(zhì)量。據(jù)了解，我國(guó)氫燃料電池汽車?yán)塾?jì)推廣應(yīng)用超過(guò)2000輛，投入運(yùn)行加氫站有12座，且在北上廣等地均開(kāi)展了示范應(yīng)用。發(fā)展核目前，關(guān)于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車、電動(dòng)車的熱管理系統(tǒng)研究不少，針對(duì)車用燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的研究部分，大多數(shù)燃料電池的熱管理系統(tǒng)均借鑒內(nèi)燃機(jī)的熱管理設(shè)計(jì)，冷卻水通過(guò)電堆內(nèi)流道后由發(fā)動(dòng)機(jī)前艙散熱模塊進(jìn)行散熱(張建國(guó)，孫曉琳，2021)。溫度是影響燃料電池性能最重要的因素之一，[3lPEMFC的運(yùn)行溫度在60-80°C的時(shí)候能保持比較高的能量的轉(zhuǎn)換效率。一般的情況下在40%-60%u左右，高時(shí)能到60%。電堆運(yùn)行時(shí)溫度比較低的時(shí)候，從這些操作中看出電池的阻抗會(huì)變大，極化較大，電堆性能下降，效率降兩側(cè)氣體通過(guò)交換膜直接接觸反應(yīng)，容易造成如燃燒爆炸之類的嚴(yán)重的安全事故。因此為了保持適合的工作溫度，需要熱管理系統(tǒng)將電堆的廢熱排出(黃昕怡，楊子萱，2022)。而電池電堆的運(yùn)行環(huán)境更惡劣，散熱難度更大。燃料電池?zé)峁芾碇饕菍?duì)電堆溫度控制，有效利用和散發(fā)廢熱，保持電堆內(nèi)熱平衡。低溫時(shí)電池內(nèi)各種極化增強(qiáng)，歐姆阻抗較大，從這些現(xiàn)象中顯示電池性能惡化；溫度升高時(shí)，會(huì)降低歐姆阻抗，同時(shí)較少極化，利于提高電化學(xué)反應(yīng)速率和質(zhì)子在膜內(nèi)傳遞速度，電池性能變好(鄭偉強(qiáng)，吳雅婷的溫度特性，可知如果要獲得較好的燃料電池輸出性能，需要將燃料電池電堆的工作溫度控制在一個(gè)安全穩(wěn)定的范圍內(nèi)，保證電堆的高效運(yùn)轉(zhuǎn)。某程度能看出本章針對(duì)電堆做產(chǎn)熱與散熱分析，提出熱管理系統(tǒng)的性能目標(biāo)，為確定電堆的熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。在此基礎(chǔ)上通過(guò)前艙散熱模塊分布，計(jì)算冷卻流道內(nèi)22.1燃料電池系統(tǒng)產(chǎn)熱分析燃料電池是由堆內(nèi)氫氣氧氣氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生化學(xué)能，只考慮化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電堆輸出的電能和產(chǎn)出的熱能，可以得出(周子浩，王靜茹，2023):通過(guò)熱管理系統(tǒng)需要達(dá)到散熱與產(chǎn)熱平衡：2.1.1電堆生成化學(xué)能由化學(xué)反應(yīng)方程式：可知，單位時(shí)間內(nèi)反應(yīng)物消耗量由氫氣消耗速度，結(jié)合每摩爾氫氣反應(yīng)的焓值△H(約為285.8kJ/mol),反應(yīng)化學(xué)能為(單位時(shí)間內(nèi)):32.2熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)性能目標(biāo)目前大功率電堆采用冷卻水循環(huán)系統(tǒng)，電堆熱平衡需要滿足的溫度如下(1)確定最優(yōu)工作溫度范圍：盡量使燃料電池穩(wěn)定在最佳工作溫度，溫度控制在70°C~80°C范圍內(nèi)，保證穩(wěn)定、高效運(yùn)行(高宇航(2)勻化溫度水平：這在某種程度上證實(shí)了電堆內(nèi)部要求溫度均勻化，以保證其工作性能。本文為提高電堆內(nèi)溫度分布均勻性，要求進(jìn)出電堆冷卻水溫差小于10°C。,最好小于5°C。(3)控制溫度極限：電堆系統(tǒng)大部分部件都要求在某個(gè)溫度界限以下工作。若堆內(nèi)局部溫度高于100°C時(shí)，膜會(huì)出現(xiàn)微孔，容易出現(xiàn)意外導(dǎo)致嚴(yán)重的安全(4)電堆冷啟動(dòng)：電堆系統(tǒng)在某些極端低溫環(huán)境下輸出效率低，需要盡快依靠輔助加熱升至0°C以上，并達(dá)到70-80°C高效率輸出點(diǎn)為最佳。2.3燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)燃料電池汽車時(shí)，需要考慮燃料電池電堆(FCS)和動(dòng)力控制單元 (PCU)的散熱器、空調(diào)冷凝器，風(fēng)扇、等部件的分布。前艙空間狹小，在整車行駛過(guò)程中，氣流通過(guò)進(jìn)氣格柵，在風(fēng)扇的作用下流動(dòng)后經(jīng)由散熱器換熱。整個(gè)過(guò)程中熱管理系統(tǒng)各部件相互影響和干涉，前艙內(nèi)散熱模塊的布置將直接影響整GT-SUITE提供了GT-COOL工具，可以用來(lái)建立三維模型的發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱管理的進(jìn)氣、冷卻液相關(guān)部件的流動(dòng)系統(tǒng)，并且能夠被離散化，制成一維模型文件與GT-SUITE一同使用，這在一定意義上透露了它提供了在發(fā)動(dòng)機(jī)艙的3D環(huán)境內(nèi)構(gòu)建模型的能力，用以解決其內(nèi)部復(fù)雜的流動(dòng)與傳熱分析。本文利用GT-COOL搭建前艙內(nèi)部與液流和空氣流動(dòng)相關(guān)的各部件模型，綜合考慮前艙內(nèi)有限的三維空間大小和各部件相對(duì)位置，以及空氣側(cè)與液側(cè)流動(dòng)時(shí)耦合的影響關(guān)系，從而決定散熱模塊的分布。由燃料電池汽車的熱管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，汽車前艙內(nèi)部需布置電堆散熱器、動(dòng)力系統(tǒng)控制單元的散熱器、冷凝器及散熱風(fēng)扇(趙睿智，楊可兒，2022)。任何理論模型都是現(xiàn)實(shí)世界的簡(jiǎn)化，因此不可避免地會(huì)存在一些假設(shè)和近似處理。這可能導(dǎo)致模型不能完全捕捉到所有相關(guān)變量及其復(fù)雜的交互作用，從而引發(fā)模型偏差。為了解決這一問(wèn)題，本文不僅參考了廣泛接受的理論基4解釋力。本文燃料電池汽車前艙的散熱模塊布置如圖2.1和2.2所示。以現(xiàn)有結(jié)而言較小，同理將其布置于FCS散熱器之后。除上述三個(gè)熱源之外，從這些操麗萍，2020)。圖2.1前艙散熱模塊布置5圖2.2前艙散熱模塊后視圖2.3.2冷卻流道內(nèi)部對(duì)流換熱燃料電池電堆由多個(gè)單片電池組裝而成，單電池……N式中，“為冷流流道的管道內(nèi)部努塞爾數(shù)；^為流體導(dǎo)熱系數(shù)，經(jīng)查詢水的熱物性參數(shù)表，可知水在70°C,1Mpa壓強(qiáng)的條件下熱導(dǎo)率約為0.67W/ 使用Petukhov公式計(jì)算努塞爾數(shù)Nu:式中，Re為雷諾數(shù)；Pr.為普朗特?cái)?shù)；為管內(nèi)摩擦系數(shù)。管內(nèi)湍流流動(dòng)的知70°C時(shí)水的運(yùn)動(dòng)粘度為4.06×10-5m2/s。湍流流動(dòng)口口范圍為2300-106。6式中，”為管道長(zhǎng)(m);D為管道寬(m)。因?yàn)槟Ｐ蛢?nèi)冷卻流道采用圓式中，“為熱擴(kuò)散系數(shù)(m2/s);A為水的熱導(dǎo)率(m●K);C為介質(zhì)比熱容(kJ/kgOK),經(jīng)查水的熱物性參數(shù)表，可知70°C水的比熱容為4.187×103可達(dá)3000W/(m2●K),平均值大小約為1500W/(m2●K)。水的強(qiáng)制對(duì)流換熱系數(shù)hhi一般在1000-15000范圍內(nèi)，因此計(jì)算值在合理范圍之內(nèi)(龔浩杰，2.3.3電堆的熱管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)低散熱器出口水溫，即電堆的入口水溫大小。增設(shè)三通閥與三通管的必要性主(1)三通閥形成冷卻水路不經(jīng)過(guò)散熱器的小循環(huán)回路，水流在車輛停止運(yùn)(2)若無(wú)三通閥與三通管，單一冷卻水回路水泵工作時(shí)冷卻水必定會(huì)經(jīng)過(guò)778號(hào)三通管控制顧塊信號(hào)直特助加熱漢口m圖2.3燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)結(jié)構(gòu)從這些操作中看出在本文所采用的燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)結(jié)構(gòu)中，增加的三通閥與三通管將單一冷卻水路分為大小循環(huán)兩個(gè)部分，利用閥門開(kāi)閉信號(hào)進(jìn)行回路開(kāi)關(guān)控制。因?yàn)槿剂想姵仉姸训某隹谒疁赝ǔ＝频扔诨蛘呗缘陀陔姸褍?nèi)部平均，選取出口水溫信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)三通閥的開(kāi)閉(郝建華，王碩輝，2021)。當(dāng)出口冷卻水溫小于75°C控制三通閥將散熱回路關(guān)閉，冷卻水不經(jīng)過(guò)散熱器只通過(guò)水泵工作進(jìn)行小循環(huán)，使得電堆在未達(dá)到高效率工作點(diǎn)時(shí)保證了其迅速升溫的能力，提高了整個(gè)電堆系統(tǒng)的效率。當(dāng)電堆的出口冷卻水溫度上升至70°C,從這些現(xiàn)象中顯示控制三通閥打開(kāi)散熱器回路，此時(shí)冷卻水不再經(jīng)過(guò)小循環(huán)，開(kāi)始在車輛的前艙散熱模塊與空氣強(qiáng)制對(duì)流換熱，幫助電堆降低溫度。但選取某一固定溫度作為閥門開(kāi)閉的依據(jù)會(huì)造成閥門頻繁開(kāi)閉的問(wèn)題，這里運(yùn)用延遲控制選取65°C作為閥門關(guān)閉時(shí)的下限閾值(余佳怡，趙英杰，2021)。為保證研究結(jié)果的精準(zhǔn)性，本研究考慮到研究過(guò)程中可能出現(xiàn)的各種偏差，本文在設(shè)計(jì)階段就采取了多種策略來(lái)加以控制。為了增強(qiáng)研究的透明度和可重復(fù)性，本文詳細(xì)記錄了所有研究步驟，包括數(shù)據(jù)處理過(guò)程、分析方法的選擇依據(jù)以及任何可能影響結(jié)果的決策點(diǎn)。即當(dāng)電堆的出口水溫高于75°C時(shí)打開(kāi)三通閥大循環(huán)支路，電堆開(kāi)始降溫，當(dāng)出口水溫低于75°C時(shí)閥門的開(kāi)閉仍維持之前狀態(tài)，直至電堆出口水溫降低至65°以下，關(guān)閉散熱支路，繼續(xù)使用小循環(huán)維持電堆溫度，某程度能看出反復(fù)至下一個(gè)循環(huán)。這樣就能始終保證電堆不會(huì)超過(guò)溫度上限，也能維持在較高效率的功率輸出點(diǎn)工作。針對(duì)由6節(jié)10kW的FE-1080S電池(40-68V)串聯(lián)而成的大功率電堆，本文通過(guò)GT-Suite平臺(tái)搭建的車用燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)模型如圖2.4所8r圖2.4整車燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)GT模型2.4熱管理系統(tǒng)控制策略第二章提到，車用燃料電池電堆熱管理系統(tǒng)的性能設(shè)計(jì)目標(biāo)，散熱需求方面，使電堆平均溫度維持在70°C-80°C范圍內(nèi)，保持電堆平穩(wěn)、高效運(yùn)行，并且保證電堆內(nèi)溫度分布均勻性。具體體現(xiàn)在：控制電堆入口水溫在70°C;進(jìn)出口水溫在5°C之內(nèi)。整個(gè)電堆熱管理系統(tǒng)具有強(qiáng)耦合、滯后性的特點(diǎn)，由冷卻水泵與散熱器風(fēng)扇控制共同作用，這在某種程度上證實(shí)了保證PEMFC的溫度維持在控制目標(biāo)之內(nèi)。控制電堆進(jìn)口水溫在70°C為一定值，進(jìn)出口水溫需要控制在5°C范圍內(nèi)，傳統(tǒng)溫控策略采用雙PID控制，如圖2.5所示(陳俊杰，王思涵，2022).圖2.5傳統(tǒng)PEMFC熱管理系統(tǒng)控制策略Tset為入口溫度的設(shè)定值大小，為70°C;△Tset為進(jìn)出口溫差的目標(biāo)值，為5°C。這在一定意義上透露了由PID控制輸出循環(huán)水泵與散熱風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速大小信號(hào)。傳統(tǒng)溫控策略中，由于電堆進(jìn)出口溫差是入口水溫與出口水溫的差值，溫差控制目標(biāo)與入口水溫控制目標(biāo)之間存在強(qiáng)耦合關(guān)系(李宇翔，劉婧怡，2023)。在下，用兩個(gè)PID控制器分別控制循環(huán)水泵與散熱風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，會(huì)導(dǎo)致控制目標(biāo)入口水溫和進(jìn)出口溫差的控制超調(diào)量疊加，波動(dòng)增大，延長(zhǎng)了兩個(gè)PID控制器的控制調(diào)節(jié)時(shí)間。再加上PEMFC熱管理系統(tǒng)本身具有較強(qiáng)滯后性的影響，所以傳統(tǒng)溫控策略最終的控制結(jié)果并不理想(張建國(guó)，孫曉琳，2021管理溫控策略采用雙PID控制存在的問(wèn)題，考慮循環(huán)水泵與散熱風(fēng)扇的耦合影響關(guān)系，以現(xiàn)有結(jié)果為基準(zhǔn)我們可以推斷雙PID時(shí)要達(dá)成兩個(gè)控制目標(biāo)較為困難，這里提出一種循環(huán)水泵非PID的單獨(dú)控制策略，改進(jìn)熱管理系統(tǒng)的溫度控9制策略如圖2.6所示。在改進(jìn)后的溫控策略中，散熱器風(fēng)扇仍采用PID控制，維持電堆入口水溫在70°C,另一方面，為避免水泵采用PID控制造成超調(diào)量結(jié)果得知在電堆60kW散熱極限溫差5°C狀態(tài)下的水泵轉(zhuǎn)速設(shè)定為升500轉(zhuǎn)，從這些操作中看出即采用電堆進(jìn)出口溫差與系數(shù)500的乘積大小，來(lái)調(diào)整循環(huán)水泵轉(zhuǎn)速大小，水泵最大轉(zhuǎn)速達(dá)3000RPM時(shí)，也可以滿足維持電堆MFCT數(shù)區(qū)郡水系圖2.6本文所用PEMFC熱管理系統(tǒng)控制策略況下的加熱需求，依靠車載動(dòng)力蓄電池輸出功率輔助加熱使電堆盡快上升至0°C以上，并達(dá)到70°-80°C最佳輸出工作點(diǎn)。這一結(jié)果與理論上的預(yù)測(cè)基本2.5本章小結(jié)3.熱管理系統(tǒng)各部件參數(shù)匹配3.1熱管理系統(tǒng)各部件參數(shù)匹配3.3.1散熱器氣-液熱交換器中，熱流體中熱量通過(guò)散熱器的金屬管壁傳導(dǎo)至冷流體一側(cè)，通過(guò)冷流體壁面與冷媒(空氣)進(jìn)行熱交換，從而將熱量帶走。冷流體壁面通過(guò)增加翅片以增大換熱器傳熱面積，以現(xiàn)有結(jié)果為基準(zhǔn)我們可以推斷增強(qiáng)換熱能力。在建立散熱器模塊時(shí)，可以通過(guò)性能需求，計(jì)算模塊相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)，如圖3.1所圖3.1散熱器扁管、翅片、百葉窗結(jié)構(gòu)參數(shù)這在一部分程度上揭示了現(xiàn)取用額定功率60kW車用燃料電池電堆，已知額定輸出效率為50%,可知電堆發(fā)熱功率Q約為60kW。根據(jù)熱平衡，=□=60kW。由熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)性能目標(biāo)，設(shè)定散熱器(液側(cè))入口水溫tw,in=75°C,出口水溫tw,out=70°C,可以計(jì)算出系統(tǒng)循環(huán)冷卻水流量，如下式(周子浩，當(dāng)熱交換器液側(cè)管內(nèi)冷卻水流速超過(guò)1m/s時(shí)，會(huì)出現(xiàn)較大的流阻損失，因式中，L為扁管單流道截面的長(zhǎng)(mm),W為流道截面寬(mm)。本文選用管單流道截面為14×2.5(mm2),壁厚0.15(mm)。考慮前艙空間大小，散熱器采用單管三流道設(shè)計(jì)，分四層散熱芯，n≈273,每層扁管數(shù)為69,且采用單考慮環(huán)境溫度較高情況下的散熱，散熱器進(jìn)風(fēng)前取40°C一般小型車輛進(jìn)風(fēng)風(fēng)速在6-12m/s,這里取air2=6m/s;則：這無(wú)疑地傳達(dá)出結(jié)合液側(cè)散熱水管分布，散熱器芯部尺寸選用750mm×520mm。本文選用換熱器翅片材料為鋁，長(zhǎng)度10(mm),截距1.9(mm),高度為8(mm),厚度為0.06(mm),有散熱表面積近似等于翅片表面積(龔…Re在480-2300間，百葉窗傾角°可選范圍10°-35°,同時(shí)考慮減小進(jìn)3.3.2風(fēng)扇選取(1)風(fēng)壓風(fēng)壓大小表征風(fēng)扇能將空氣吹動(dòng)距離的大小，因散熱器氣側(cè)有眾轉(zhuǎn)換，兩者之和即為全壓(風(fēng)壓大小),也是風(fēng)扇出口截面的總壓與進(jìn)口截面總式中，Pae為靜壓大小，P為空氣密度(kg/m3),為風(fēng)速大小(m/s)。(2)性能曲線選擇風(fēng)扇線(P～Q曲線);效率曲線(n);轉(zhuǎn)速曲線(n);功率曲線(單位W);工作點(diǎn)3.3.3循環(huán)水泵(1)水泵相似性能換算與風(fēng)扇的風(fēng)量、壓力、功率～類似，對(duì)于兩臺(tái)液流狀態(tài)相同的水泵，葉(3)水泵主要參數(shù)選定式中，pump為水泵出水量大小(m3/s),nv為水泵容積效率。式中，9為水泵的泄流量(m3/s)。冷卻水泄流量決定水泵容積效率，從而影響出水量大小。所以在計(jì)算出水量前需要先確定水泵的泄流量q:式中，Dp為水泵密封環(huán)間隙平均直徑(m),這里取0.0029m;t為密封環(huán)間隙寬度(m),這里取0.004mm;"Dt為密封環(huán)間隙環(huán)流過(guò)的面積(m2)。其中，為密封環(huán)間隙的流通系數(shù)，一般可取0.4~0.7,θ為密封環(huán)間隙的圓角系數(shù)；λ為密封環(huán)間隙的摩擦系數(shù)，一般取0.04;l為密封環(huán)間隙長(zhǎng)度(m)。式中，v為葉輪圓周速度(m/s)。設(shè)計(jì)點(diǎn)：選用水泵葉輪直徑大小為18cm,轉(zhuǎn)速大小50rps,則v=28.18失功率，由比轉(zhuǎn)速查閱文獻(xiàn)可知約為功率N的10%左右，所以由：要滿足熱管理系統(tǒng)的車用工況條件，需要搭建電-電混合燃料電池汽車整車模型，并根據(jù)能量流動(dòng)途徑制定能量管理策略，適用于熱管理系統(tǒng)在全工況下仿真(鄧嘉晨，張梓萱，2022)。燃料電池汽車在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中的工況復(fù)雜多變，國(guó)內(nèi)地區(qū)某些區(qū)域夏天極端高溫可達(dá)40°C以上，冬季極端低溫低至-20°C以下，車輛在這兩種極端溫度工況下運(yùn)行，仍要保證電堆在合理，安全(黃子豪，李詩(shī)琪，2022),甚至高效的溫度范圍內(nèi)工作是一件并不容易的事情。從中可以看出本角和方法論對(duì)既有理論進(jìn)行了補(bǔ)充和完善為未來(lái)的研究提供了更為堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)工況、極端低溫工況和常溫下普通NEDC工況，對(duì)上文所搭建燃料電池?zé)峁芾韰?shù)如表4.1所示。表4.1所選電堆及動(dòng)力電池參數(shù)表電堆與動(dòng)力電池參數(shù)大小電堆最大功率kW電堆最大效率汽車在怠速啟停過(guò)程中功率需求低，此時(shí)不宜開(kāi)啟電堆供電。本文選用10kW作為純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)與電堆驅(qū)動(dòng)臨界值；這在一定程度上顯露電堆維持60kW工作輸出效率高，超出60kW的功率需求時(shí)蓄電池作為輔助電源一同供電。動(dòng)力電池SOC閾值選取30%與70%,在荷電狀態(tài)處于0.3-0.7范圍內(nèi)，蓄電池可以正常供電，低于0.3下限范圍，電堆單獨(dú)給電機(jī)提供電能并且提供額外功率為表4.2整車能量管理策略工作模式純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)燃料電池驅(qū)動(dòng)混合驅(qū)動(dòng)充電SOC<0.3時(shí)，充電至0.7以現(xiàn)有結(jié)果為基準(zhǔn)我們可以推斷根據(jù)整車工作模式確定了車輛在行駛過(guò)程中的能量管理策略，并結(jié)合此控制，在GT-Suite平臺(tái)搭建行駛工況下的整車模型如圖4.1所示。黑e思o(jì)圖4.1整車模型由于所選動(dòng)力蓄電池容量較大，現(xiàn)選定蓄電池初始狀態(tài)SOC值為0.4,采用NEDC工況仿真5個(gè)循環(huán)以上，這在一部分程度上揭示了仿真時(shí)間選定6000s,觀察仿真結(jié)果。由整車工況需行車過(guò)程中動(dòng)力電池和燃料電池功率分配狀況，如圖4.出可知當(dāng)整車功率需求小于10kW時(shí)，車輛由純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)，大于10kW時(shí)由燃圖4.3動(dòng)力電池與燃料電池功率分配狀況觀察動(dòng)力電池SOC變化情況，發(fā)現(xiàn)其荷電狀態(tài)由初始的0.4,在整車行駛上限0.7后停止，電池SOC值始終維持在0.3至0.7工作區(qū)間內(nèi)，保證了整車?yán)罹叭穑?022)。圖4.4動(dòng)力電池SOC變化工況，環(huán)境溫度為40°C的初始條件。這在某種程度上說(shuō)明了高溫工況電堆溫定加速工況與坡度大小增大電機(jī)的功率需求。設(shè)定極端高溫爬坡所示：該工況單個(gè)循環(huán)共1560s,這在一定程度上顯露依次包括(李宇杰，周銘遠(yuǎn)，2022):車速變化-0-10s的怠速狀態(tài)，車速為0km/h;10-40s的加速狀態(tài)，車速0-50km/h;40-500s的勻速狀態(tài)，車速50km/h;500-530s的加速狀態(tài)，車速5090km/h;530-1000s的勻速狀態(tài)，車速90km/h;10001030的加速狀態(tài)，車速90120km/h;10301500s的勻速狀態(tài)，車速120km/h;15001560s的減速狀態(tài)，車速120-0km/h。其中設(shè)定坡度大小-分別為4%、6%,12%和20%。圖4.5設(shè)定極端高溫爬坡工況下存在驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率超過(guò)60kW的情況，可用于驗(yàn)證整車能量分配策略中電堆與動(dòng)力電池混合驅(qū)動(dòng)的工作模式。并且電堆輸出功率達(dá)結(jié)果為基準(zhǔn)我們可以推斷可用于檢驗(yàn)電堆在高溫大功率放電下熱管理系統(tǒng)的散熱性能。圖4.6極端高溫爬坡工況下電機(jī)功率現(xiàn)設(shè)定初始環(huán)境溫度為40°C,極端高溫爬坡工況如上，整車運(yùn)行兩個(gè)工策略，電堆功率除滿足整車行駛需求外，剩余電量供蓄持在60kW最大值輸出。而蓄電池因電量不足無(wú)法供能，從這些操作中看出在整車極端高溫工況下超過(guò)60kW時(shí)難以滿足電機(jī)功率需求，燃料電池汽車會(huì)難應(yīng)用提供了理論依據(jù)，表明基于這些理論發(fā)展出的技術(shù)或策略具有較高的可行性和有效性。本研究不僅在理論上有所貢獻(xiàn)在實(shí)踐應(yīng)用方面同樣具備重要價(jià)值。然而盡管目前的結(jié)果令人鼓舞仍需認(rèn)識(shí)到科學(xué)研究的動(dòng)態(tài)性和復(fù)雜性，持續(xù)關(guān)注后續(xù)可能出現(xiàn)的新情況和挑戰(zhàn)不斷調(diào)整和優(yōu)化研究策略。因此現(xiàn)將動(dòng)力電池初始SOC值設(shè)定為1,滿足整車高功率下的極端功率需求，行駛時(shí)燃料電池的產(chǎn)熱功率如圖4.7所示。山山圖5.7電堆產(chǎn)熱功率電堆進(jìn)出口水溫信號(hào)與閥門開(kāi)閉狀態(tài)信號(hào)傳至Simulink控制模塊，作為水泵轉(zhuǎn)速控制依據(jù)；從這些操作中看出電堆入口水溫信號(hào)作為散熱器風(fēng)扇轉(zhuǎn)速控制表4.3電堆熱管理系統(tǒng)控制策略斷信號(hào)閥口水溫電堆出口水溫≥75℃,散熱支路開(kāi)啟，小循環(huán)支路關(guān)閉；電堆出口水溫≤65℃,開(kāi)啟小循環(huán)，關(guān)閉系統(tǒng)散熱支路；65℃≤電堆出口水溫≤75°C,三通閥維持之前開(kāi)閉狀態(tài)散熱器風(fēng)扇口水溫電堆入口水溫信號(hào)采用PID控制維持在設(shè)定目標(biāo)水泵出口水溫、閥門開(kāi)閉狀態(tài)不需散熱，小循環(huán)回路開(kāi)啟，水泵維持初始轉(zhuǎn)速小循環(huán)關(guān)閉，開(kāi)啟散熱支路，水泵轉(zhuǎn)速根據(jù)進(jìn)出口溫差大小變化為500+500△T進(jìn)行調(diào)整從這些現(xiàn)象中顯示由此控制策略進(jìn)行燃料電池汽車在極端高溫爬坡工況下的仿真，其電堆溫度、進(jìn)出口水溫結(jié)果如圖4.8所示。圖4.8極端高溫爬坡工況下電堆及進(jìn)出口水溫支路瞬間開(kāi)閉導(dǎo)致電堆入口水溫驟變的情況。三通閥開(kāi)度與溫度對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖4.9所示，這里的開(kāi)度變化率近似傳統(tǒng)車中的節(jié)溫器，靠近全開(kāi)閉狀態(tài)感(趙建輝，陳佳璇，2022)。圖4.9三通閥開(kāi)度與出口水溫對(duì)應(yīng)關(guān)系-20°C甚至更低，在這樣的極端低溫工況下燃料電池不僅輸出效率極低，且存為10°C,以現(xiàn)有結(jié)果為基準(zhǔn)我們可以推斷并采用延遲控制滿足燃料電池入口水溫低于60°C時(shí)開(kāi)啟PTC加熱，電堆溫度高于70°C時(shí)關(guān)閉輔助加熱，維持電堆溫度在70°80°C范圍內(nèi)波動(dòng)。為應(yīng)對(duì)電堆加熱時(shí)大遲滯現(xiàn)象，水溫的PTC狀態(tài)輔助加熱環(huán)境溫度≤10℃,并且電堆入口水溫≤60℃時(shí)，開(kāi)啟小循環(huán)內(nèi)的終止加熱電堆溫度加熱至70℃時(shí)終止加熱狀態(tài)；環(huán)境溫度高于10℃時(shí)，不采用輔助加熱，使用電堆自身產(chǎn)熱加熱電堆從這些操作中看出采用第四章所設(shè)計(jì)整車能量管理策略，并增設(shè)當(dāng)電堆溫仿真加熱表現(xiàn)如圖4.10所示。圖4.10極端低溫NEDC工況下電堆溫度表現(xiàn)由圖可知，電堆在0°C以下未啟動(dòng)，在514s加熱至0°C以上車輛開(kāi)始維持電堆溫度在60-70°C范圍內(nèi)波動(dòng)，從這些現(xiàn)象中顯示保證電堆在高效率動(dòng)進(jìn)行工作的目標(biāo)，但加熱至0°C以上需514s,2000s到達(dá)較高效率輸出點(diǎn)，車輛仿真的初始條件，環(huán)境溫度為25°C,保證常溫運(yùn)行，因?yàn)镹EDC工況整車驅(qū)動(dòng)電機(jī)的需求功率不大，電堆的發(fā)熱量小，所以仿真循環(huán)5個(gè)NEDC工況以上，仿真時(shí)間6000s,,另外，蓄電池初始SOC設(shè)置為0.4,可以使蓄電的條件，便于觀察電堆在NEDC工況中的溫控狀態(tài)，電堆溫度及進(jìn)出口水溫的具體表現(xiàn)如圖5.11所示。Tiu國(guó)圖5.11常溫NEDC工況下電堆溫度及進(jìn)出口水溫表現(xiàn)在電堆溫度未達(dá)到70°C熱管理結(jié)構(gòu)采用小循環(huán)保證電堆溫升，燃料電池溫度圖5.12為電堆熱管理系統(tǒng)水泵轉(zhuǎn)速和體積流量的表現(xiàn)狀況，冷卻回路采用小循環(huán)時(shí)，水泵維持最低轉(zhuǎn)速500RPM,當(dāng)電堆輸出功率大進(jìn)出口水溫溫差較大到達(dá)最高值3000RPM,之后降至2600RPM左右，以滿足溫控需求(任力宏，李圖5.12常溫NEDC工況下水泵的轉(zhuǎn)速和流量狀況圖5.13為前艙散熱模塊風(fēng)扇與進(jìn)風(fēng)量的表現(xiàn)狀況，當(dāng)電堆迅速升溫，進(jìn)口水溫上升超過(guò)目標(biāo)溫度70°C,導(dǎo)致風(fēng)扇轉(zhuǎn)速有較大波動(dòng)，這在某種程度上證實(shí)穩(wěn)定，所以入口水溫波動(dòng)值較小，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的波動(dòng)也逐漸減小(邱夢(mèng)瑤，方啟航，2022)。圖5.13常溫NEDC工況下風(fēng)扇轉(zhuǎn)速與前艙進(jìn)風(fēng)量狀況燃料電池汽車是解決能源危機(jī)和環(huán)境污染大前提下電動(dòng)車應(yīng)用的最終解決方案，而整車在運(yùn)行過(guò)程中，質(zhì)子交換膜燃料電池雖然能保持較高的能量轉(zhuǎn)換效率，隨之也帶來(lái)了極大的生熱量。這在一定程度上顯露電堆溫度過(guò)高，會(huì)損壞質(zhì)子交換膜，另一方面，環(huán)境溫度過(guò)低，也會(huì)造成電堆啟動(dòng)困難，降低電池壽命，電堆溫度對(duì)燃料電池汽車的工作會(huì)造成極大的影響。為此，本文從電池單體機(jī)理和結(jié)構(gòu)出發(fā)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究電堆溫度特性。對(duì)電堆熱管理系統(tǒng)展開(kāi)研究，主要根據(jù)電堆功率大小匹配計(jì)算了熱管理系統(tǒng)的各部件參數(shù)，設(shè)計(jì)搭建了一套能滿足各工況溫控性能需求的熱管理系統(tǒng)回路。并針對(duì)該結(jié)構(gòu)回路，這在一定意義上透露了適當(dāng)改進(jìn)控制策略，驗(yàn)證了其性能表現(xiàn)。根據(jù)所搭建的車用燃料電池的熱管理系統(tǒng)模型，研究整車在極端高溫爬坡工況、極端低溫工況以及常溫NEDC工況下熱管理系統(tǒng)的適用性，引入三通閥開(kāi)度與溫度對(duì)應(yīng)關(guān)系，與傳統(tǒng)控制策略比較，驗(yàn)證了改進(jìn)后水泵與風(fēng)扇控制策略使系統(tǒng)有更好的性能表現(xiàn)。對(duì)于極端低溫工況溫控系統(tǒng)能一定程度上滿足加熱需求，電堆溫度與進(jìn)出口水溫能夠控制在在目標(biāo)范圍之內(nèi)，各個(gè)散熱部件在常溫工況下運(yùn)行狀態(tài)也較為穩(wěn)定。綜上，通過(guò)選型匹配，搭建模型，改進(jìn)控制策略，系統(tǒng)在各個(gè)工況下的仿真表現(xiàn)，驗(yàn)證了本文所設(shè)計(jì)的溫控系統(tǒng)能夠滿足設(shè)計(jì)的性能目標(biāo)。[2]陳俊杰，