車載燃料電池系統溫度控制方法

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電堆溫度會直接影響燃料電池影響催化轉化速率，同時也會影響內部水蒸發冷凝，從而影響膜內部水合狀態。同時，高溫情況會導致材料的降解破裂現象，降低系統壽命。因此溫度狀態對燃料電池系統而言是一個重要的變量，需要被準確地控制。同時由于燃料電池化學反應一半左右的能量被轉化為熱量，散熱需求巨大，與傳統燃油車較高的反應溫度（400℃）相比，其反應溫度卻較低（約80℃左右）。這意味著為維持正常系統溫度穩定和精確，燃料電池需要比傳統燃油車更大，更復雜的熱管理系統，同時對精確控制策略要求也更高。因此，高效能熱管理系統及其智能控制策略是車載燃料電池發動機研究重點之一。

燃料電池系統熱管路框架

典型的PEM燃料電堆和冷卻通道示意圖如圖1所示 [1]。一片單體燃料電池由一個聚合物電解質膜(PEM)，兩個催化劑層(CL)，兩個氣體擴散層(GDL)和微孔層(MPL)，兩個雙極板(BP)組成，其中包含了氣體流動通道和冷卻流道。在熱管理過程中，外部冷卻水進入電堆后分流進入各個單體流場，在如圖1（b）交叉的冷卻流道中對各個單體的熱管進行有效熱交換，最后換熱完成的冷卻水匯總輸出給外部熱管理系統。

圖1. 燃料電池單體結構（a）冷卻板及冷卻流道（b）[1]

進一步地，外部熱管理系統根據PEMFC電堆需求，對冷卻液進行冷卻或是加熱處理，一種典型的熱管理系統如圖2所示[2]，主要包括水泵，散熱器，風扇等部件。其中冷卻水進入電堆換熱后，經過外部散熱器與環境空氣進行熱交換。然后再將降溫后的冷卻水由水泵重新壓入燃料電池電堆，完成冷卻水的循環。同時，輔助系統中的大功率發熱器件如壓縮機，DCDC等，也可以通過類似的降溫方式進行熱管理，以保證燃料電池系統的熱穩定，提升系統效率，安全與壽命。

圖2. 典型燃料電池熱管理系統示意圖[2]

燃料電池熱管理控制策略

然而，由于燃料電池熱管理問題執行器件耦合因素較多，且大功率成組后燃料電池系統質量，體積均較大，管路長，熱容高。使得溫度控制遲滯問題嚴重，難實現控制目標的準確追蹤。同時在反應過程中，電堆不同位置散熱差異也容易引起溫度分布不均，造成局部衰減。因此，基于上述問題，需要精確，高效的溫度控制策略對電堆溫度進行有效控制，維持系統正常工作。在溫度控制方面，已許多控制方法被提出并取得了較好的控制效果。

例如，D. O'Keefe等人[3]采用設計了時變的比例積分(PI)控制器，用于控制水冷的5kw氫燃料電池電堆的溫度，控制框架如圖3所示。這種一種經典的燃料電池控制方式，通過電堆反饋的溫度與控制目標溫度作為控制誤差，以溫度控制誤差為輸入，根據誤差控制器在線計算出合適控制量并實時控制冷卻水流量大小，從而實現電堆溫度實時調節。

圖3. 基于時變PI冷卻流量控制框架[3]

除了控制冷卻水流量的方式，控制換熱器風扇轉速的方式同樣會影響電堆的溫度調節。V. Liso [4]等人設計PID控制對散熱器外部風扇轉速進行實時控制，如圖4所示。通過控制風扇，改變換熱器外部空氣流速，以影響散熱器壁面與空氣間的對流換熱系數，從而改變散熱器換熱功率。在燃料電池溫度高時，風扇轉速被PID控制器拉高，增大實時換熱量從而降低散熱器出口溫度，間接地控制了冷卻液溫度，從而改變電堆內部換熱，實現電堆溫度的實時調節。

圖4. 換熱器風扇PID控制框架[4]

溫度控制中存在各種擾動，如負載的變化，環境溫度變化等。這些擾動會導致系統產熱與換熱的改變，而傳統的PID控制器閉環響應慢，超調大，易振蕩等缺點，使得電堆精準的溫度控制變得困難，從而影響燃料電池效率和壽命。因此，具有工況適應性，抗擾性強，快速響應的控制策略是提升燃料電池熱管的重要途經，在近年來較多燃料電池系統熱管理控制研究聚焦于此。

例如，D. Li等人[5]提出了一種自抗擾溫度控制器，控制框架如圖5所示。這種二階自抗擾設計主要包括跟蹤微分器(TD)、擴展狀態觀測器(ESO)和非線性狀態誤差反饋器(NLSEF)。通過自抗擾控制，可以獲得控制快速的系統輸出響應，同時具有降低內部負載變化和膜含水量變化引起的擾動影響，準確快速地實現目標PEMFC溫度控制。

圖5. 一種燃料電池溫度自抗擾控制框架[5]

J. Han 等人[6]設計了一種自適應反饋控制器，其中包括模型參考自適應控制(MRAC)模塊和參考模型模塊，控制策略框架如圖6所示。通過建立參考模型和自適應機制，根據控制模型與參考模型的溫度差以及當前實際溫度情況，由自適應機制跟新控制增益，從而應對控制中的不確定性，提升PEM燃料電池電堆和冷卻液入口溫度控制魯棒性和準確性。

圖6. 一種燃料電池溫度參考自適應控制框架[6]

B. Zhang 等人[7]采用了模型預測控制方法對燃料電池溫度進行了實時控制，其控制策略框架如圖7所示。通過建立面向控制的熱管理燃料電池模型，并采用泰勒展開式的方式進行線性化后，得到了系統線性化模型，并以狀態空間表達，用于模型預測。通過的模型預測輸出和在線反饋調整后，進行滾動優化，以實現燃料溫度的準確追蹤控制?；诖丝刂圃O計，通過實驗驗證了MPC對燃料電池溫度控制的有效性。