燃料电池系统热管理子系统建模与温度控制

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1、万方数据!!S盟!!!!：Q!塾清华大学学报(自然科学版)2007年第47卷第11期cNll一2223／NJTslngh眦umv(ScI＆1kch)，2007。V01．47tN。．11燃料电池系统热管理子系统建模与温度控制谷靖，卢兰光，欧阳明高(清华大学汽车工程磊，汽车安全与节能国家重点实验室．北京100084)摘要：燃料电池电堆的温度分布对燃料电池的安全与寿每有重要影响。该文分析了车用质子麦换膜燃料电池系统热管理子系统的结构，并建立热管理子系统的葡杰模型。在此基础上对燃料电池温度控制算法进行研究，针对热管理子系统大惯性和大退延的特点．设计了基于jji测的智能PID算

2、法。该算法呆用筒化的热管理子幕统模型预涓电堆温度变化趋势并进行提前拉制，能显著减小超调。试验结果表明，该算法能实现士o．5℃的控制精度，控倒鼓果良好。关键词：电动汽车’燃料电池系统I热管理#建模I温度控制中固分类号：U469．72文献标识码：A文章编号：1000—0054(2007)11—2036一04ThermmmanagementsubsystemmodelandtemDeraturecontrolforfuelce¨sGUJI帕tLuLa哪uang-OUYANGMIr啪aO(s蚍eXeyhh州叶y0fAuto呻ti"S_fe竹蜘dE呲r窖y．m胛nme毗时^山m

3、od”EnE岫钟一og，TbI碍h呻u■v奸m竹．kijjoI10帅84·cM眦)Ahtr雠I-Tl”temperatu北d∞mbunonbcrucld如tlle。afnyand11kspdnof{uelcdlstacks．AdynBⅡlicrnodeI肌。如vdopedtoa眦1y辨【hether册1man。群ment8ub8yst唧0f8pro啪exch“ge—bM脾(PEM)fuelcell}”tem．Tllep伸dktlomba5eds砌nPIDcontrdafgorithmconsjderBtbeI。噼incnhandIa‘Fpha8edeI"oftlleo

4、∞lant怔mptrit⋯ontrDIWithBBi“pllf列model如rthetherrn一。y8temtopfedKtthest¨k懈“perBt⋯BrjtIo加a耐tomlnJmi趾the洲sh∞tbvahead—ol—ti耻contr01．gmuh‘一andt曲b“owthtthecont阳ialgonthmpe—mTIu。毗11啊thtempent⋯～tbIuleaBthaⅡ士0．5℃．K叮帅r山leIecIdcvehkle5●“eIeelI8弘k”·thermlⅡmmge⋯‘●model“g·”mperBt⋯onhd车用燃料电池系统中绝大多数采用质子交

5、换膜燃料电池系统。质子交换膜燃料电池工作时，有40％～60％的废热必须排出，以维持电池组工作温度的恒定“3。操作温度不仅影响催化剂的活性、抗cO中毒能力，而且还直接影响到质子交换膜的含25／362036-2039水量。电池的性能与温度之间存在复杂的关系”1，有必要对燃料电池系统的温度控制进行研究。建模仿真是研究燃料电池温度控制的重要方法。文[3—5]建立了燃料电池层次的机理模型，文[6—7]从燃料电池系统层面上对热管理系统进行建模，并设计了不同的温度控制算法。随着燃料电池电堆功率的增大，系统更加复杂，需要建立面向控制的燃料电池模型并开发相应的控制算法。本文研究的创新点

6、在于控制算法中利用系统的简化模型对温度的变化趋势进行预测，并采取措施进行提前控制，保证控制的精度。l热管理子系统建摸热管理子系统结构示意图如图l所示。冷却水泵驱动冷却水循环，将电堆中的热量散出。冷却水循环分为大小循环，大循环经过散热器，散热器风扇转动强制空气对流以加强散热I小循环不经过散热器，大小循环流量由节温器根据水温自动分配。主拄制墨水热子控制器囝l鹅管理子系统结构示意囝系统的执行器为冷却水泵和散热器。冷却水泵收稿日期。2∞6—1l—06基金项目：国寡。^六三4高技术项目(2005从50l100)作者苘升t各靖(1985一)．男(汉)，征苏，博士研究生．通讯联蕞人

7、：欧阳明高，教授，E训【：ouya“g”g@t3hghuadu．cn万方数据万方数据万方数据各靖，等；燃料电池系统热管理子系统建横与温度控制际偏差e作为计算偏差e汕来计算控制量，女州根据模型仿真结果取值，表征预测的深度。‰一P+^“铀，(12)rc0=墨e“+K．Ie汕出．(13)式中K。与置．为PI控制的控制参数。2．2算法仿真对基于预测的智能PID算法进行仿真，仿真结果如图5所示。仿真结果显示，控制命令对于负载电流变化的响应速度很快，有效地减小了超调。在小的负载波动下，电堆温度基本上能维持在目标量的士o．5℃范围内；对于太的负载波动，电堆温度基本