应用LADRC的车用质子交换膜燃料电池温湿度控制优化研究

井绪宝,刘丛浩,郭 宇,蔡思远

(辽宁工业大学 汽车与交通工程学院, 辽宁 锦州 121000)

随着经济的发展,传统不可再生能源的使用增多,排放的污染气体对环境造成了严重的影响,特别是在经济快速发展的地区和国家[1]。面对日益严峻的环境问题以及能源短缺问题,许多汽车制造厂家已经开始寻找其他能源来替代传统燃油。燃料电池通过能量转换进行发电过程中不需要进行燃烧,虽然整个过程较为复杂,但是没有造成排放污染问题,具有清洁无污染、环境友好、效率高等优点,成为未来清洁能源汽车的发展方向之一[2]。但是,质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)需要较低的运行温度(60～80 ℃),一旦电池处于不适当的工作温度,就会导致各种问题发生,如比较常见的质子交换膜电池“膜干燥”以及“水淹”问题。

温度是燃料电池性能的重要影响因素之一[3-5],当电堆温度稳定在60～80 ℃ 时,质子交换膜燃料电池的能效可达40%～60%[6]。当电堆的工作温度过低时,因电堆内部的阻抗增加,导致燃料电池的能效降低;而工作温度过高时,又会使质子交换膜脱水,严重情况会损坏电池内部结构。因此,为了保持稳定的工作温度,有必要通过热管理系统对电堆的热量进行控制。

水管理同样是保证电池能效的重要措施[7-11],如果膜的含水量过低,会使膜对质子的阻力增加,而当膜的含水量过高,会导致存在太多的液态水,形成两极气体浓度差,从而严重影响燃料电池的性能。

Jang等[12]发现气体加湿温度、电池温度和气体流速是影响燃料电池性能的关键操作条件。Lobato等[13]发现电堆的性能与温度相关,过高的温度会导致质子交换膜干燥甚至脱水。Strahl等[14]针对电池的温湿度开发了一种性能优异的控制器,用于PEMFC系统的进一步温度和湿度控制研究。Raman等[15]设计了一种控制策略,进行准确的湿度控制,通过保持加湿来避免干燥和浸水。Ou等[16]构造了一种五输入、两输出的模糊逻辑控制器,用于实时调节开阴极燃料电池的温度和相对湿度。张宁等[17]提出了一种模糊规则的容错控制策略,以缓解膜干和水淹故障。

通过上述分析可以得知,区别于其他电池,对于燃料电池温度、湿度双重控制会更好地改善燃料电池的能效。主要应用LMS AMESim仿真软件建立了一个车用燃料电池系统的综合模型,用于分析燃料电池车辆的质子交换膜燃料电池组的性能。并使用Matlab-Simulink搭建了一种基于线性自抗扰(linear active disturbances rejection controller,LADRC)算法的模型,通过调节冷却水泵转速以及湿度调节器来对燃料电池电堆温湿度进行控制,模拟并研究了在LADRC控制下PEMFC的动态特性。

PEMFC系统是由多个子系统构成的复杂系统。图1为简单PEMFC 系统结构框图。供气系统包括氧气供给子系统、氢气供给子系统,其中氢气供给子系统将高压氢气罐中的氢气减压处理后输送至电堆处,氧气供给子系统通过空压机将空气压缩至一定压力后,送至加湿器中进行湿度调节处理,然后将压力、湿度合适的空气送入电堆。燃料电池电堆发生反应所产生的电能会通过DC/DC转换器后连接驱动电机提供动力。而燃料电池电堆在发电过程中所积累的大量热量会通过冷却液传递至散热器处进行冷却处理。

1.1 燃料电池模型

PEMFC系统的主要部件是阳极、气体扩散层、质子交换膜、阴极和催化剂层,如图2所示。单个燃料电池的电压通常在1.2 V左右。通常情况下燃料电池汽车中所使用的电池组会由数百个单个电池组成,以获得足够的电压和功率。

图2 质子交换膜燃料电池体积示意图

燃料电池的实际输出电压主要由4部分组成:ENernst、Vact、Vcons和Vohm。电压计算如下:

Ucell=ENernst-Vact-Vcons-Vohm

(1)

式中:Ucell为燃料电池输出电压;ENernst为能斯特开路电压;Vact为电池活化电压损失;Vcons为电池浓度电压损失;Vohm为电池欧姆电压损失。

1)Vact电池活化电压损失是指移动电子在阴极和阳极之间形成化学键的过程中产生的电压损失。可以表示为:

(2)

式中:R为气体常数,取值8.314 5(J/(mol·K));T为电堆温度;n为参与反应的电子数,此处取值为2;F为法拉第常数,96 485.341 5(C/mol);α为电荷转移系数;Jstack为电堆电流密度(mA/cm2);Jn为内部电流密度(mA/cm2);J0为交换电流密度(mA/cm2)。

2)Vohm电池欧姆电压损失是由于PEM对电池的欧姆电阻所引起的电压损失,可表示为:

(3)

3)Vcons电池浓度电压损失是指在电化学反应中阴阳极反应物消耗时由于反应物浓度缩小所产生的电压损失。

(4)

式中:B为浓度压降系数(V);Jstack为电堆电流密度(mA/cm2);J1为极限电流密度(mA/cm2)。

1.2 LMS AMESim模型

LMS AMESim可以建立复杂的涉及多学科领域的模型,并且可对复杂系统的瞬态以及动态特性进行研究。使用真实数据进行燃料电池系统及其水热管理系统进行建模,较为真实地反应系统各项性能,为燃料电池系统的水热管理提供一定的指导。因此,使用LMS AMESim平台建立燃料电池系统的功能模型。表1为燃料电池系统模型主要部件参数。

表1 燃料电池系统模型主要部件参数

续表(表1)

燃料电池电堆在运行时不断积累热量,导致电池温度上升,其中热量组成为电池中电化学反应产生的热量、欧姆极化产生的热量、增湿气体携带的热量以及外部环境的热量。质子交换膜燃料电池的适宜工作温度在60～80 ℃,因此,一个高效的水热管理系统对于燃料电池系统至关重要。图3为质子交换膜燃料电池系统的一维仿真模型示意图,模型中包括许多模块部件,由上至下,分别为驾驶员模型、车辆模型、燃料电池电堆模型、氢气供给系统模型、氧气供给系统模型、控制模块以及冷却系统模型等。

图3 质子交换膜燃料电池系统的一维仿真模型示意图

驾驶员及车辆模型用于模拟驾驶员的加速以及制动等指令,以实现各个工况场景,在模块的参数定义中可以选择循环工况等,车辆的速度取决于整车质量、电机扭矩、阻力等因素。氢气供给系统通过氢气罐以及压力调节装置为电堆提供氢气,其中使用泵将阳极出口处的气体再次循环到入口处,考虑到阳极流道内氢气浓度问题,设置了净化阀装置,进行简单的反馈控制,超过设定阈值上限,阀门打开进行调节,达到阈值下限,关闭阀门。氧气供给系统通过将空气进行空压机增压,通过湿度调节器改变湿度等操作后为电堆反应提供压力湿度适宜的氧气。针对空气的质量流量问题,考虑到微分器对于噪声的敏感性,选择PI控制器,根据牵引电机的电流,对所需的氧气摩尔质量进行推导,再通过对牵引电机电压的控制改变空压机的转速进而达到持续提供适量氧气的目的。冷却系统中设有泵对冷却液的流速进行控制,当冷却液与电堆进行热交换后,冷却液的温度达到阈值时冷却风扇启动、恒温器开启,冷却系统进行散热。

线性自抗扰控制(LADRC)是从传统PID控制发展出来的一种优秀的控制方法。在LADRC控制器的控制下,可以将不确定性集中为总干扰,通过实时分析输入和输出数据进行补偿,因此,即使在实时动态过程中出现干扰的情况下,LADRC控制器的控制和跟踪性能也可以对结果的准确度提供保障。

温度与湿度对于PEMFC电堆的性能影响巨大,适宜的温湿度会使PEMFC电堆的能效得到显著提高,并且可以有效地提高PEMFC系统的安全性。但是,PEMFC 是一个动态系统,整体系统参数复杂,不确定性多(如温度、参数、负载的变化等)。针对此问题,需要一种可以估计、消除干扰的方法,才能更好地针对电堆的温湿度进行控制。所以在Matlab-Simulink中建立了基于LADRC的控制器并与LMS AMESim进行联合仿真分析来对电堆的温湿度进行控制优化。

LADRC控制器主要由跟踪微分器(TD)、扩展状态观测器(ESO)和线性状态误差反馈器(LSEF)组成。它们的共同作用可以有效地减少系统超调,并且有很强的抗干扰能力和适应性。图4是LADRC控制器结构示意图。

图4 LADRC控制器结构示意图

图4中,控制器输入V为目标温度,输出y为系统的温度。为了更好地解决超调和响应时间之间的矛盾,LADRC使用TD对目标温度进行过渡过程V1及V2。ESO是控制器中的重要部分,它使控制器具有干扰追踪以及补偿的能力,使用输出y以及调整量U进行扰动的估计,并以它们作为输入,得到Z1、Z2、Z3信号输出。其中,Z1为V1的跟踪信号、Z2为V2的跟踪信号以及Z3作为扰动补偿信号。e1、e2作为LESF的输入通过内部计算输出U0,再与Z3进行计算,进而实现了对系统的控制。

为了更加真实地反应燃料电池车辆在道路上的运行状态,选择在新欧洲驾驶循环(NEDC)工况下进行仿真测试,测试结果如图5所示。NEDC工况包括4个城市道路状况和1个高速道路状况阶段,可以较为全面地观察车辆的不同道路状况的各个状态。

图5 NEDC工况与模型车速仿真曲线

从图5中可以看出,车辆模型的车速与NEDC的车速请求基本一致,可以得出所建立模型的准确性,达到速度和加速度的目标要求。图6是散热器出口温度曲线。随着燃料电池功率的增加,燃料电池温度也随着升高,通过改变电机电压进而对冷却水泵转速进行控制。图6中红色曲线(使用PID算法)相对于黑色曲线(设定值)平缓,对波动控制较好,而蓝色曲线(使用LADRC算法)则更为稳定地控制冷却水的温度。实验结果表明:LADRC相较于PID具有更好的性能。

图6 散热器出口温度

燃料电池的适宜工作温度在60～80 ℃。图7为NEDC工作条件下使用LADRC策略进行控制的燃料电池电堆出入口温度。可以得到,在系统需求功率不断变化的情况下,电堆的入口温度可以很好地控制在60 ℃附近,并且电堆进出口温差也有效地控制在5 ℃以内,符合要求。

图7 电堆出入口温度

燃料电池阴极相对湿度应在30%～90%。图8为在NEDC工况下,使用LADRC控制策略对PEMFC系统中湿度调节器进行控制得到的燃料电池阴极相对湿度曲线,图中阴极平均相对湿度在60%,该湿度符合燃料电池适宜工作条件。

图8 阴极相对湿度

图9为NEDC工况下设定值、PID控制算法、LADRC控制算法各自的PEMFC输出电压结果。从图9可以看出,LADRC的性能要优于PID,优于设定值,这体现在LADRC的输出电压更高,使用LADRC控制燃料电池的输出电压相较于初始设定值提升2.08%。

图9 PEMFC输出电压

1) 根据某燃料电池汽车燃料电池系统进行建模,考虑到温度和湿度的相互影响,可为燃料电池水热管理系统研究提供参考。

2) 搭建了一种LADRC控制算法,其相较于PID算法以及数值设定具有更好的动态性能。在NEDC工况下进行测试,水热管理系统可以满足该工况下的加速、减速、匀速状态的散热需求。

3) 对于整车功率不断变化的情况仍能保持PEMFC温湿度在适宜的工作区间,有利于燃料电池的长期稳定运行。