應用LADRC的車(chē)用質(zhì)子交換膜燃料電池溫濕度控制優(yōu)化研究

井緒寶,劉叢浩,郭 宇,蔡思遠

(遼寧工業(yè)大學(xué) 汽車(chē)與交通工程學(xué)院, 遼寧 錦州 121000)

隨著(zhù)經(jīng)濟的發(fā)展,傳統不可再生能源的使用增多,排放的污染氣體對環(huán)境造成了嚴重的影響,特別是在經(jīng)濟快速發(fā)展的地區和國家[1]。面對日益嚴峻的環(huán)境問(wèn)題以及能源短缺問(wèn)題,許多汽車(chē)制造廠(chǎng)家已經(jīng)開(kāi)始尋找其他能源來(lái)替代傳統燃油。燃料電池通過(guò)能量轉換進(jìn)行發(fā)電過(guò)程中不需要進(jìn)行燃燒,雖然整個(gè)過(guò)程較為復雜,但是沒(méi)有造成排放污染問(wèn)題,具有清潔無(wú)污染、環(huán)境友好、效率高等優(yōu)點(diǎn),成為未來(lái)清潔能源汽車(chē)的發(fā)展方向之一[2]。但是,質(zhì)子交換膜燃料電池(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)需要較低的運行溫度(60～80 ℃),一旦電池處于不適當的工作溫度,就會(huì )導致各種問(wèn)題發(fā)生,如比較常見(jiàn)的質(zhì)子交換膜電池“膜干燥”以及“水淹”問(wèn)題。

溫度是燃料電池性能的重要影響因素之一[3-5],當電堆溫度穩定在60～80 ℃ 時(shí),質(zhì)子交換膜燃料電池的能效可達40%～60%[6]。當電堆的工作溫度過(guò)低時(shí),因電堆內部的阻抗增加,導致燃料電池的能效降低;而工作溫度過(guò)高時(shí),又會(huì )使質(zhì)子交換膜脫水,嚴重情況會(huì )損壞電池內部結構。因此,為了保持穩定的工作溫度,有必要通過(guò)熱管理系統對電堆的熱量進(jìn)行控制。

水管理同樣是保證電池能效的重要措施[7-11],如果膜的含水量過(guò)低,會(huì )使膜對質(zhì)子的阻力增加,而當膜的含水量過(guò)高,會(huì )導致存在太多的液態(tài)水,形成兩極氣體濃度差,從而嚴重影響燃料電池的性能。

Jang等[12]發(fā)現氣體加濕溫度、電池溫度和氣體流速是影響燃料電池性能的關(guān)鍵操作條件。Lobato等[13]發(fā)現電堆的性能與溫度相關(guān),過(guò)高的溫度會(huì )導致質(zhì)子交換膜干燥甚至脫水。Strahl等[14]針對電池的溫濕度開(kāi)發(fā)了一種性能優(yōu)異的控制器,用于PEMFC系統的進(jìn)一步溫度和濕度控制研究。Raman等[15]設計了一種控制策略,進(jìn)行準確的濕度控制,通過(guò)保持加濕來(lái)避免干燥和浸水。Ou等[16]構造了一種五輸入、兩輸出的模糊邏輯控制器,用于實(shí)時(shí)調節開(kāi)陰極燃料電池的溫度和相對濕度。張寧等[17]提出了一種模糊規則的容錯控制策略,以緩解膜干和水淹故障。

通過(guò)上述分析可以得知,區別于其他電池,對于燃料電池溫度、濕度雙重控制會(huì )更好地改善燃料電池的能效。主要應用LMS AMESim仿真軟件建立了一個(gè)車(chē)用燃料電池系統的綜合模型,用于分析燃料電池車(chē)輛的質(zhì)子交換膜燃料電池組的性能。并使用Matlab-Simulink搭建了一種基于線(xiàn)性自抗擾(linear active disturbances rejection controller,LADRC)算法的模型,通過(guò)調節冷卻水泵轉速以及濕度調節器來(lái)對燃料電池電堆溫濕度進(jìn)行控制,模擬并研究了在LADRC控制下PEMFC的動(dòng)態(tài)特性。

PEMFC系統是由多個(gè)子系統構成的復雜系統。圖1為簡(jiǎn)單PEMFC 系統結構框圖。供氣系統包括氧氣供給子系統、氫氣供給子系統,其中氫氣供給子系統將高壓氫氣罐中的氫氣減壓處理后輸送至電堆處,氧氣供給子系統通過(guò)空壓機將空氣壓縮至一定壓力后,送至加濕器中進(jìn)行濕度調節處理,然后將壓力、濕度合適的空氣送入電堆。燃料電池電堆發(fā)生反應所產(chǎn)生的電能會(huì )通過(guò)DC/DC轉換器后連接驅動(dòng)電機提供動(dòng)力。而燃料電池電堆在發(fā)電過(guò)程中所積累的大量熱量會(huì )通過(guò)冷卻液傳遞至散熱器處進(jìn)行冷卻處理。

1.1 燃料電池模型

PEMFC系統的主要部件是陽(yáng)極、氣體擴散層、質(zhì)子交換膜、陰極和催化劑層,如圖2所示。單個(gè)燃料電池的電壓通常在1.2 V左右。通常情況下燃料電池汽車(chē)中所使用的電池組會(huì )由數百個(gè)單個(gè)電池組成,以獲得足夠的電壓和功率。

圖2 質(zhì)子交換膜燃料電池體積示意圖

燃料電池的實(shí)際輸出電壓主要由4部分組成:ENernst、Vact、Vcons和Vohm。電壓計算如下:

Ucell=ENernst-Vact-Vcons-Vohm

(1)

式中:Ucell為燃料電池輸出電壓;ENernst為能斯特開(kāi)路電壓;Vact為電池活化電壓損失;Vcons為電池濃度電壓損失;Vohm為電池歐姆電壓損失。

1)Vact電池活化電壓損失是指移動(dòng)電子在陰極和陽(yáng)極之間形成化學(xué)鍵的過(guò)程中產(chǎn)生的電壓損失?？梢员硎緸?

(2)

式中:R為氣體常數,取值8.314 5(J/(mol·K));T為電堆溫度;n為參與反應的電子數,此處取值為2;F為法拉第常數,96 485.341 5(C/mol);α為電荷轉移系數;Jstack為電堆電流密度(mA/cm2);Jn為內部電流密度(mA/cm2);J0為交換電流密度(mA/cm2)。

2)Vohm電池歐姆電壓損失是由于PEM對電池的歐姆電阻所引起的電壓損失,可表示為:

(3)

3)Vcons電池濃度電壓損失是指在電化學(xué)反應中陰陽(yáng)極反應物消耗時(shí)由于反應物濃度縮小所產(chǎn)生的電壓損失。

(4)

式中:B為濃度壓降系數(V);Jstack為電堆電流密度(mA/cm2);J1為極限電流密度(mA/cm2)。

1.2 LMS AMESim模型

LMS AMESim可以建立復雜的涉及多學(xué)科領(lǐng)域的模型,并且可對復雜系統的瞬態(tài)以及動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行研究。使用真實(shí)數據進(jìn)行燃料電池系統及其水熱管理系統進(jìn)行建模,較為真實(shí)地反應系統各項性能,為燃料電池系統的水熱管理提供一定的指導。因此,使用LMS AMESim平臺建立燃料電池系統的功能模型。表1為燃料電池系統模型主要部件參數。

表1 燃料電池系統模型主要部件參數

續表(表1)

燃料電池電堆在運行時(shí)不斷積累熱量,導致電池溫度上升,其中熱量組成為電池中電化學(xué)反應產(chǎn)生的熱量、歐姆極化產(chǎn)生的熱量、增濕氣體攜帶的熱量以及外部環(huán)境的熱量。質(zhì)子交換膜燃料電池的適宜工作溫度在60～80 ℃,因此,一個(gè)高效的水熱管理系統對于燃料電池系統至關(guān)重要。圖3為質(zhì)子交換膜燃料電池系統的一維仿真模型示意圖,模型中包括許多模塊部件,由上至下,分別為駕駛員模型、車(chē)輛模型、燃料電池電堆模型、氫氣供給系統模型、氧氣供給系統模型、控制模塊以及冷卻系統模型等。

圖3 質(zhì)子交換膜燃料電池系統的一維仿真模型示意圖

駕駛員及車(chē)輛模型用于模擬駕駛員的加速以及制動(dòng)等指令,以實(shí)現各個(gè)工況場(chǎng)景,在模塊的參數定義中可以選擇循環(huán)工況等,車(chē)輛的速度取決于整車(chē)質(zhì)量、電機扭矩、阻力等因素。氫氣供給系統通過(guò)氫氣罐以及壓力調節裝置為電堆提供氫氣,其中使用泵將陽(yáng)極出口處的氣體再次循環(huán)到入口處,考慮到陽(yáng)極流道內氫氣濃度問(wèn)題,設置了凈化閥裝置,進(jìn)行簡(jiǎn)單的反饋控制,超過(guò)設定閾值上限,閥門(mén)打開(kāi)進(jìn)行調節,達到閾值下限,關(guān)閉閥門(mén)。氧氣供給系統通過(guò)將空氣進(jìn)行空壓機增壓,通過(guò)濕度調節器改變濕度等操作后為電堆反應提供壓力濕度適宜的氧氣。針對空氣的質(zhì)量流量問(wèn)題,考慮到微分器對于噪聲的敏感性,選擇PI控制器,根據牽引電機的電流,對所需的氧氣摩爾質(zhì)量進(jìn)行推導,再通過(guò)對牽引電機電壓的控制改變空壓機的轉速進(jìn)而達到持續提供適量氧氣的目的。冷卻系統中設有泵對冷卻液的流速進(jìn)行控制,當冷卻液與電堆進(jìn)行熱交換后,冷卻液的溫度達到閾值時(shí)冷卻風(fēng)扇啟動(dòng)、恒溫器開(kāi)啟,冷卻系統進(jìn)行散熱。

線(xiàn)性自抗擾控制(LADRC)是從傳統PID控制發(fā)展出來(lái)的一種優(yōu)秀的控制方法。在LADRC控制器的控制下,可以將不確定性集中為總干擾,通過(guò)實(shí)時(shí)分析輸入和輸出數據進(jìn)行補償,因此,即使在實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)過(guò)程中出現干擾的情況下,LADRC控制器的控制和跟蹤性能也可以對結果的準確度提供保障。

溫度與濕度對于PEMFC電堆的性能影響巨大,適宜的溫濕度會(huì )使PEMFC電堆的能效得到顯著(zhù)提高,并且可以有效地提高PEMFC系統的安全性。但是,PEMFC 是一個(gè)動(dòng)態(tài)系統,整體系統參數復雜,不確定性多(如溫度、參數、負載的變化等)。針對此問(wèn)題,需要一種可以估計、消除干擾的方法,才能更好地針對電堆的溫濕度進(jìn)行控制。所以在Matlab-Simulink中建立了基于LADRC的控制器并與LMS AMESim進(jìn)行聯(lián)合仿真分析來(lái)對電堆的溫濕度進(jìn)行控制優(yōu)化。

LADRC控制器主要由跟蹤微分器(TD)、擴展狀態(tài)觀(guān)測器(ESO)和線(xiàn)性狀態(tài)誤差反饋器(LSEF)組成。它們的共同作用可以有效地減少系統超調,并且有很強的抗干擾能力和適應性。圖4是LADRC控制器結構示意圖。

圖4 LADRC控制器結構示意圖

圖4中,控制器輸入V為目標溫度,輸出y為系統的溫度。為了更好地解決超調和響應時(shí)間之間的矛盾,LADRC使用TD對目標溫度進(jìn)行過(guò)渡過(guò)程V1及V2。ESO是控制器中的重要部分,它使控制器具有干擾追蹤以及補償的能力,使用輸出y以及調整量U進(jìn)行擾動(dòng)的估計,并以它們作為輸入,得到Z1、Z2、Z3信號輸出。其中,Z1為V1的跟蹤信號、Z2為V2的跟蹤信號以及Z3作為擾動(dòng)補償信號。e1、e2作為L(cháng)ESF的輸入通過(guò)內部計算輸出U0,再與Z3進(jìn)行計算,進(jìn)而實(shí)現了對系統的控制。

為了更加真實(shí)地反應燃料電池車(chē)輛在道路上的運行狀態(tài),選擇在新歐洲駕駛循環(huán)(NEDC)工況下進(jìn)行仿真測試,測試結果如圖5所示。NEDC工況包括4個(gè)城市道路狀況和1個(gè)高速道路狀況階段,可以較為全面地觀(guān)察車(chē)輛的不同道路狀況的各個(gè)狀態(tài)。

圖5 NEDC工況與模型車(chē)速仿真曲線(xiàn)

從圖5中可以看出,車(chē)輛模型的車(chē)速與NEDC的車(chē)速請求基本一致,可以得出所建立模型的準確性,達到速度和加速度的目標要求。圖6是散熱器出口溫度曲線(xiàn)。隨著(zhù)燃料電池功率的增加,燃料電池溫度也隨著(zhù)升高,通過(guò)改變電機電壓進(jìn)而對冷卻水泵轉速進(jìn)行控制。圖6中紅色曲線(xiàn)(使用PID算法)相對于黑色曲線(xiàn)(設定值)平緩,對波動(dòng)控制較好,而藍色曲線(xiàn)(使用LADRC算法)則更為穩定地控制冷卻水的溫度。實(shí)驗結果表明:LADRC相較于PID具有更好的性能。

圖6 散熱器出口溫度

燃料電池的適宜工作溫度在60～80 ℃。圖7為NEDC工作條件下使用LADRC策略進(jìn)行控制的燃料電池電堆出入口溫度?？梢缘玫?在系統需求功率不斷變化的情況下,電堆的入口溫度可以很好地控制在60 ℃附近,并且電堆進(jìn)出口溫差也有效地控制在5 ℃以?xún)?符合要求。

圖7 電堆出入口溫度

燃料電池陰極相對濕度應在30%～90%。圖8為在NEDC工況下,使用LADRC控制策略對PEMFC系統中濕度調節器進(jìn)行控制得到的燃料電池陰極相對濕度曲線(xiàn),圖中陰極平均相對濕度在60%,該濕度符合燃料電池適宜工作條件。

圖8 陰極相對濕度

圖9為NEDC工況下設定值、PID控制算法、LADRC控制算法各自的PEMFC輸出電壓結果。從圖9可以看出,LADRC的性能要優(yōu)于PID,優(yōu)于設定值,這體現在LADRC的輸出電壓更高,使用LADRC控制燃料電池的輸出電壓相較于初始設定值提升2.08%。

圖9 PEMFC輸出電壓

1) 根據某燃料電池汽車(chē)燃料電池系統進(jìn)行建模,考慮到溫度和濕度的相互影響,可為燃料電池水熱管理系統研究提供參考。

2) 搭建了一種LADRC控制算法,其相較于PID算法以及數值設定具有更好的動(dòng)態(tài)性能。在NEDC工況下進(jìn)行測試,水熱管理系統可以滿(mǎn)足該工況下的加速、減速、勻速狀態(tài)的散熱需求。

3) 對于整車(chē)功率不斷變化的情況仍能保持PEMFC溫濕度在適宜的工作區間,有利于燃料電池的長(cháng)期穩定運行。