1 引言

　　由于傳統(tǒng)汽車(chē)使用的化石燃料正在逐年減少，同時(shí)汽車(chē)尾氣排放造成的環(huán)境污染仍沒(méi)有得到有效的改善，新能源汽車(chē)發(fā)展迅速，其中氫燃料電池汽車(chē)以其高效、清潔等優(yōu)勢(shì)受到了廣泛關(guān)注。質(zhì)子交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC) 具有能量轉(zhuǎn)換效率高、可低溫運(yùn)行、可靠性高和零排放等優(yōu)點(diǎn)，在汽車(chē)領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣闊。

　　電堆的工作溫度是影響電堆輸出性能和壽命的關(guān)鍵因素之一。一方面，溫度過(guò)高將會(huì)導(dǎo)致液態(tài)水蒸發(fā)增加，使質(zhì)子交換膜脫水，影響燃料電池的性能;另一方面，溫度過(guò)低則會(huì)減少液態(tài)水的蒸發(fā)，降低化學(xué)反應(yīng)速度，使燃料電池性能下降。一般地，電堆的正常工作范圍在 60 ～ 100 ℃，而 PEMFC 在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，因此需要對(duì) PEMFC 進(jìn)行有效的熱管理。

　　目前，PEMFC 熱管理控制方法主要有 PI(ProportionIntegration) 控制、狀態(tài)反饋控制、預(yù)測(cè)控制和模糊控制等。O’Keefe 等設(shè)計(jì)了 PI 控制器用于控制水冷型燃料電池溫度， 該控制器通過(guò)調(diào)節(jié)進(jìn)入電堆的水流量來(lái)控制電堆的工作溫度。PI 控制的原理簡(jiǎn)單、使用方便，目前傳統(tǒng) PI 控制已廣泛用于PEMFC 熱管理中，但 PI 控制存在響應(yīng)速度慢、調(diào)節(jié)時(shí)間長(zhǎng)等缺點(diǎn)。另外，狀態(tài)反饋控制、預(yù)測(cè)控制等方法也被應(yīng)用到PEMFC 熱管理中，但燃料電池固有的非線性特性以及參數(shù)的不確定性使得這些控制方法的應(yīng)用具有一定難度。模糊控制響應(yīng)速度快、抗干擾能力強(qiáng)，尤其適用于滯后系統(tǒng)的控制，被不少學(xué)者應(yīng)用于 PEMFC 熱管理中。Wang 等設(shè)計(jì)了模糊控制方法，通過(guò)調(diào)節(jié)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速來(lái)控制電堆的溫度，與 PI 控制的對(duì)比結(jié)果表明，模糊控制具有優(yōu)越性。胡鵬等考慮了克服外部負(fù)載的干擾，并采用了帶積分的模糊控制器實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)冷卻水的流量， 結(jié)果顯示該方法能實(shí)時(shí)將電堆的溫度控制在合理的范圍內(nèi)。其中，模糊控制的設(shè)計(jì)主要依靠專(zhuān)家的經(jīng)驗(yàn)，因此為了充分利用模糊控制的優(yōu)點(diǎn)，需要對(duì)模糊控制方法進(jìn)行優(yōu)化，使模糊控制的精度更高。

　　另外，為驗(yàn)證 PEMFC 熱管理方法的有效性，目前大多數(shù)相關(guān)文獻(xiàn)采用階躍負(fù)載信號(hào)的方式進(jìn)行。而氫燃料電池汽車(chē)在實(shí)際行駛中會(huì)有加速、勻速、減速等過(guò)程，工況的變化會(huì)更頻繁且復(fù)雜。因此，需要采用適合氫燃料電池汽車(chē)的負(fù)載來(lái)驗(yàn)證PEMFC 熱管理方法。

　　本文提出一種模糊控制方法用于 PEMFC 熱管理中，使電堆的出入口溫度穩(wěn)定在目標(biāo)溫度值。同時(shí)，以電堆的出入口溫度和目標(biāo)溫度值之間的誤差更小、控制系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間更短為目標(biāo)，通過(guò)遺傳算法對(duì)模糊控制器的隸屬度函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。其中，基于遺傳算法優(yōu)化模糊控制的方法雖在其他領(lǐng)域已有一些應(yīng)用，但在 PEMFC 熱管理控制領(lǐng)域還鮮有應(yīng)用。本文選用Autonomie 中的一款氫燃料電池混合動(dòng)力汽車(chē)，設(shè)計(jì)一種基于規(guī)則的能量管理策略，并采用兩種標(biāo)準(zhǔn)工況作為熱管理方法的驗(yàn)證條件，對(duì)所提出的熱管理方法進(jìn)行驗(yàn)證，并與未優(yōu)化的模糊控制進(jìn)行性能比較。結(jié)果顯示，在對(duì) PEMFC 電堆出入口溫度的控制中，經(jīng)過(guò)優(yōu)化的模糊控制明顯優(yōu)于未優(yōu)化的模糊控制，具有更好的溫度調(diào)節(jié)能力，可以更好地降低外部負(fù)載的擾動(dòng)，與設(shè)定值的偏差也更小。

　　2 PEMFC 熱管理系統(tǒng)模型

　　本文設(shè)計(jì)的 PEMFC 熱管理系統(tǒng)模型包括電堆溫度動(dòng)態(tài)模型、水箱模型和散熱器模型。在氫燃料電池車(chē)運(yùn)行過(guò)程中， PEMFC 在提供動(dòng)力的同時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，為了使電堆的工作溫度在合理的范圍內(nèi)，需要冷卻水泵和散熱器一起工作來(lái)將多余的熱量帶走。在本文的 PEMFC 熱管理系統(tǒng)中，電堆產(chǎn)生的熱量被冷卻水泵通過(guò)控制冷卻水流量先帶到水箱處，然后將熱量帶到散熱器處，由散熱器通過(guò)控制散熱器風(fēng)量，將熱量排放到空氣當(dāng)中，具體如圖 1 所示。本文假設(shè)冷卻水中的溫度均勻，并將電堆出口冷卻水溫度作為電堆出口處的溫度，將散熱器的出口溫度作為電堆的入口處溫度。同時(shí)，本文假設(shè)其他輔助系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)下不影響電堆的工作溫度。

　　2.1 電堆溫度動(dòng)態(tài)模型

　　氫燃料電池汽車(chē)在運(yùn)行時(shí)需 PEMFC 提供大量的動(dòng)力， 隨著動(dòng)力的產(chǎn)生，電堆的溫度也會(huì)有所變化。根據(jù)能量守恒定律建立 PEMFC 的電堆溫度動(dòng)態(tài)模型，其能量包括電化學(xué)反應(yīng)總功率 Qreact、負(fù)載消耗的電功率 Pst 、陰陽(yáng)極氣體帶入 / 帶出的熱功率 Qin / Qout、冷卻水帶走的熱功率 Qcl 及電堆向外輻射的熱功率 Qamb，具體如公式 (1) 所示：

其中，mst 為電堆的質(zhì)量;Cst 為電堆比熱容;Tst 為電堆冷卻水出口溫度，工程中常把此溫度看作電堆溫度?！　?/p>

電化學(xué)反應(yīng)的總功率表示為：

(2)　　

其中，n 為電池節(jié)數(shù);F 為法拉第常數(shù);為反應(yīng)焓變;Ist 為電堆輸出電流。

　　圖 1 熱管理系統(tǒng)示意圖

       PEMFC 在反應(yīng)過(guò)程會(huì)有氣體出入電堆中，氣體帶走的熱量等于電堆內(nèi)排出氣體熱量減去氣體進(jìn)入電堆的熱量。根據(jù)熱平衡公式和理想狀態(tài)下氣體的狀態(tài)方程，進(jìn)入電堆的氣體熱量可表示為：

　　(3)

其中， 為陽(yáng)極氫氣入口流量; CH 為氫氣比熱容; 為陽(yáng)極水蒸氣流量;CHO 為水蒸氣比熱容; 為陽(yáng)極氣體入口溫度; 為陰極空氣入口流量;Cair 為空氣比熱容; 為陰極入口水蒸氣流量; 為陰極入口溫度;T0 為環(huán)境溫度?！　?/p>

根據(jù)熱平衡公式，電堆出口的氣體熱量可表示為：　　

(4)

其中，為陽(yáng)極出口氣體流量; 為陽(yáng)極氣體出口溫度; 為陽(yáng)極出口水蒸氣流量; 為陰極氧氣出口流量; 為陰極氮?dú)獬隹诹髁?CN為氮?dú)獗葻崛?為陰極出口水蒸氣流量; 為陰極水出口流量;為液態(tài)水的比熱容; 為陰極氣體出口溫度。

      負(fù)載消耗的電功率等于電堆輸出電壓Vst 和電流Ist 的乘積，

　　具體如公式 (5) 所示：

圖 2 燃料電池極化曲線

　　本文選用 Autonomie 中的電堆模型來(lái)預(yù)測(cè)單電池的輸出電壓和輸出功率。其中，單電池在發(fā)電過(guò)程中產(chǎn)生了不可避免的損耗，分別是活化損耗、歐姆損耗和濃度損耗。PEMFC 的實(shí)際輸出電壓等于熱力學(xué)電動(dòng)勢(shì)減去以上 3 種損耗，燃料電池的極化曲線如圖 2 所示。

　　冷卻水帶走的熱量 Qcl 如公式 (6) 所示：

　　(6)

　　其中，Wcl 為冷卻水流量;Ccl 為冷卻水比熱容;Tst.in 為電堆冷卻水進(jìn)口溫度。

　　電堆熱輻射散發(fā)熱量 Qamb 如公式 (7) 所示：

　　(7)

其中，k 為傳熱系數(shù);Ast 為 PEMFC 的表面積。

　　2.2 水箱模型

　　水箱在PEMFC 熱管理系統(tǒng)中是一個(gè)儲(chǔ)存冷卻水的裝置， 同時(shí)還可以降低整個(gè)冷卻水循環(huán)系統(tǒng)中的水壓，防止水壓過(guò)大對(duì)熱管理系統(tǒng)造成破壞。本文假設(shè)水箱入口冷卻水溫度近似等于離開(kāi)電堆出口冷卻水溫度 Tst。水箱的出口冷卻水溫度為T(mén)W.out，假設(shè)水很快混合到一起，則水箱模型如公式 (8) 所示：

　　(8)

　　其中，mW 為水箱質(zhì)量;CW 為水箱比熱容;CPcl 為冷卻水的比熱容;hW 為水箱的自然熱傳導(dǎo)系數(shù)。

　　2.3 散熱器模型

　　散熱器是熱管理系統(tǒng)中重要的零部件，可以通過(guò)空氣之間的熱交換來(lái)降低水流的溫度。本文假設(shè)水箱出口溫度 TW.out 近似為進(jìn)入散熱器的溫度，并將散熱器出口溫度視為電堆入口溫度 Tst.in，則散熱器模型如公式 (9) 所示：

　　(9)

       其中，Wa為空氣質(zhì)量流速;CPa為空氣的比熱容;Tr.a為散熱器出口的空氣溫度，視為散熱器出入口冷卻水溫度的平均值。

　　3 PEMFC 熱管理控制方法設(shè)計(jì)

　　3.1 模糊控制方法設(shè)計(jì)

　　本文建立兩個(gè)曼達(dá)尼型的二維模糊控制器，對(duì)電堆出入口溫度進(jìn)行控制。針對(duì)電堆出口溫度控制，根據(jù)本文選用的電堆，

　　圖 4 基于遺傳算法的模糊控制器框圖

表 1 冷卻水流量和散熱器風(fēng)量 (W /W ) 的模糊控制規(guī)則表

　　把電堆出口目標(biāo)溫度 Tref.st 設(shè)定為 80 ℃，將電堆實(shí)際出口溫度與設(shè)定目標(biāo)溫度的誤差 和溫度誤差的變化率作為模糊控制器的輸入，冷卻水流量作為模糊控制器的輸出。針對(duì)電堆入口溫度控制，把電堆入口目標(biāo)溫度 Tref.st.in 設(shè)為 75 ℃，將電堆實(shí)際入口溫度與設(shè)定的目標(biāo)溫度的誤差 和溫度誤差的變化率 作為模糊控制器的輸入，散熱器風(fēng)量作為控制器的輸出。整體模糊控制示意圖如圖 3 所示?！?/p>

在對(duì)電堆出口溫度控制時(shí)，將模糊控制的輸入、輸出量都劃分為 5 個(gè)模糊子集，即 NB( 負(fù)大)、NS( 負(fù)小)、ZO( 零)、PS( 正小 ) 和 PB( 正大 )。選取電堆出口溫度誤差和溫度誤差變化率的模糊論域?yàn)?[ - 3, 3]，選取冷卻水流量的模糊論域?yàn)閇0, 1]。同樣在設(shè)計(jì)電堆入口溫度控制器時(shí)，選取電堆入口溫度誤差和溫度誤差變化率的模糊論域都為 [ - 3, 3]，選取散熱器風(fēng)量的模糊論域?yàn)?[0, 1]。

　　本文提出采用遺傳算法優(yōu)化模糊控制器的隸屬度函數(shù)，如圖 4 所示。未經(jīng)優(yōu)化的隸屬度函數(shù)選用均勻分布的隸屬度函數(shù)，并使用三角形形狀的隸屬度函數(shù)，如圖 5 所示。本文采用ifthen 模糊控制規(guī)則設(shè)計(jì)模糊推理系統(tǒng)，針對(duì)被控變量分別制定了 25 條模糊規(guī)則。表 1 為電堆出入口控制器的控制規(guī)則， 模糊推理后，反模糊化采用加權(quán)平均法。

　　3.2 基于遺傳算法的優(yōu)化

　　本文提出使用遺傳算法優(yōu)化模糊控制器的隸屬度函數(shù)的中心和寬度，從而提高模糊控制器的精準(zhǔn)度和穩(wěn)定性。

　　3.2.1 遺傳編碼

　　本文需要對(duì)隸屬度函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，首先確定待優(yōu)化的參數(shù)，并對(duì)隸屬度函數(shù)進(jìn)行編碼，如圖 5 所示。輸入輸出待優(yōu)化的參數(shù)一共有 33 個(gè)，采用實(shí)數(shù)編碼，故對(duì)應(yīng)的編碼為 {x1 x2　x3 x4 … x33}。本文電堆入口模糊控制器與未經(jīng)優(yōu)化的電堆出口模糊控制器的隸屬度函數(shù)一致，因此基于遺傳算法優(yōu)化過(guò)程只介紹針對(duì)電堆出口的模糊控制器。

　　3.2.2選取適應(yīng)度函數(shù)

適應(yīng)度是衡量種群中個(gè)體好壞的標(biāo)志，其性能直接影響 遺 傳 算 法 的 整 體 性 能。ITAE(Integral Time-Weighted Absolute Error) 性能指標(biāo)具有響應(yīng)速度快、調(diào)節(jié)時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)，本文選用 ITAE 性能指標(biāo)作為適應(yīng)度函數(shù)來(lái)調(diào)整模糊控制器的參數(shù)，具體如公式 (10) 所示：

　(10)

　　其中，t 為時(shí)間;Tref 為參考目標(biāo)溫度;Tst 為電堆溫度。

　　3.2.3 個(gè)體的選擇、交叉與變異

　　圖 5 輸入輸出隸屬度函數(shù)以及待優(yōu)化參數(shù)

表 2 整車(chē)及動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)

　　(1) 選擇操作。選用輪盤(pán)賭法，即基于適應(yīng)度比例的選擇策略，個(gè)體 i 被選中的概率為：

       (11)

　　其中，F(xiàn)i、Fj 分別為個(gè)體 i 和個(gè)體 j 的適應(yīng)度值;N 為種群中的個(gè)體數(shù)目。

　　(2) 交叉操作。由于個(gè)體采用實(shí)數(shù)編碼，則交叉操作采用實(shí)數(shù)交叉法，第k 個(gè)染色體 ck 和第i 個(gè)染色體 ci 在j 處交叉的方法為：

　　(12)

      其中，b 為 [0, 1] 的隨機(jī)數(shù)。

　　(3) 變異操作。第 i 個(gè)個(gè)體的第 j 個(gè)基因 cij 進(jìn)行變異的操作方法為：

　　(13)

　　其中，cmax 為基因 cij 的上界;cmin 為基因 cij 的下界;， r2 為一個(gè)隨機(jī)數(shù)，b 為當(dāng)前迭代次數(shù)，Gmax 為最大進(jìn)化次數(shù)， r 為 [0, 1] 的隨機(jī)數(shù)。

　　4 仿真結(jié)果

　　為了驗(yàn)證本文所提出的 PEMFC 熱管理控制方法的有效性，選取一款氫燃料電池混合動(dòng)力汽車(chē)，針對(duì)燃料電池和電池的混合動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)一種簡(jiǎn)單的能量管理策略，并根據(jù)第 2 小節(jié)和第 3 小節(jié)的內(nèi)容，在計(jì)算機(jī)仿真環(huán)境下，對(duì)所提出的方法進(jìn)行仿真。

　　4.1 仿真條件

       4.1.1 氫燃料電池汽車(chē)與行駛工況

　　為了使仿真結(jié)果更加接近氫燃料電池車(chē)在運(yùn)行過(guò)程中燃料電池的工作狀態(tài)，本文選用 Autonomie 軟件中的一款氫燃料電池汽車(chē)，其中燃料電池作為主動(dòng)力源，電池作為輔助動(dòng)力源。表 2 為整車(chē)以及動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)。本文選用 WLTC(The Worldwide Harmonized Light Vehicles Test Cycles) 和HWFET(Highway Fuel Economy Test) 兩種工況。 其中， WLTC 工況是全球統(tǒng)一輕型車(chē)輛測(cè)試工況的一部分，該工況取代了 NEDC(New European Driving Cycle) 測(cè)試工況，包括4 個(gè)速度范圍。圖 6 顯示了兩種工況周期以及速度與時(shí)間的關(guān)系。

圖 6 WLTC 和 HWFET 速度曲線

　　圖 7 燃料電池效率曲線和兩種工況下的燃料電池工作效率點(diǎn)

　　4.1.2能量管理策略

       氫燃料電池車(chē)有燃料電池和電池兩個(gè)動(dòng)力源，本文以燃料電池盡量工作在高效率區(qū)為目標(biāo)，設(shè)計(jì)基于規(guī)則的能量管理策略。從燃料電池效率曲線可知，燃料電池在高功率區(qū)和低功率　驅(qū)動(dòng)工況下：

　　(1) 當(dāng)車(chē)輛需求功率 0 < Pdem < PFCmin 時(shí)，若電池區(qū)的工作效率都較低，如圖 7 所示。根據(jù)燃料電池效率曲線， 確定燃料電池工作門(mén)限值，引入燃料電池最小功率 PFCmin、燃料電池最大功率 PFCmax，以及當(dāng)燃料電池的效率下降到較低位置時(shí)對(duì)應(yīng)的燃料電池輸出功率 PC，引入車(chē)輛需求功率 Pdem。同時(shí)為了使電池 SOC 工作在合理區(qū)域，根據(jù)電池特性，引入電池充放電門(mén)限值，即電池 SOC 上限 SOCmax 和電池 SOC 下限 SOCmin。

　　能量回收工況下：

　　(1) 當(dāng)車(chē)輛需求功率 Pdem ≤ 0 時(shí)，車(chē)輛處于制動(dòng)或者停止?fàn)顟B(tài)，若電池 SOC > SOCmax，則不再回收能量，對(duì)應(yīng)充電保護(hù)模式。

　　(2) 當(dāng)車(chē)輛需求功率 Pdem ≤ 0 時(shí)，若電池 SOC ≤ SOCmax， 為保持PEMFC 壽命和工作效率，燃料電池以最小功率模式工作，同時(shí)鋰電池將對(duì)能量進(jìn)行回收，對(duì)應(yīng)鋰電池回收模式。

　　驅(qū)動(dòng)工況下：

　　(1) 當(dāng)車(chē)輛需求功率 0 < Pdem < PFCmin 時(shí)，若電池SOC ≥ SOCmax，車(chē)輛需求功率將全由燃料電池提供，對(duì)應(yīng)功率跟隨模式。若電池 SOC < SOCmax，燃料電池將以恒功率PFCmin 工作，對(duì)應(yīng)最小功率模式。

　　(2) 當(dāng)車(chē)輛需求功率在 PFCmin ≤ Pdem < PC 時(shí)，若電池SOC ≤ SOCmin，燃料電池除了要滿足負(fù)載功率要求，還要為電池充電，對(duì)應(yīng)快速充電模式。若電池 SOC > SOCmin，則不再為電池充電，對(duì)應(yīng)功率跟隨模式。

　　(3) 當(dāng)車(chē)輛需求功率在 PC ≤ Pdem < PFCmax 時(shí)，若電池SOC ≤ SOCmin，將由燃料電池提供全部功率，對(duì)應(yīng)功率跟隨模式。若電池 SOC > SOCmin，由于車(chē)輛需求功率較高，燃料電池工作效率達(dá)到了閥值附近，此時(shí)效率下降較快，車(chē)輛需求功率將由電池和燃料電池共同分擔(dān)，燃料電池以恒功率 PC 工作，對(duì)應(yīng)恒功率模式。

　　(4) 當(dāng)車(chē)輛需求功率 Pdem > PFCmax 時(shí)，為了保護(hù)燃料電池，燃料電池的輸出功率為 PFCmax，剩余功率需求由電池提供， 對(duì)應(yīng)最大功率模式。

　　在本文基于規(guī)則的能量管理策略制定中，測(cè)試工況決定了邏輯門(mén)限值參數(shù)的數(shù)值。同時(shí)，決定了燃料電池和電池的功率分配。圖 8 為基于規(guī)則的能量管理策略原理圖。

圖 8 基于規(guī)則的能量管理策略

　    4.2 結(jié)果分析

　　4.2.1 PEMFC 輸出功率結(jié)果

　　圖 7 為兩種工況下燃料電池工作效率點(diǎn)和燃料電池曲線。

　　圖 9 為 HWFET 和WLTC 兩種工況下能量管理策略的功率輸出結(jié)果。從圖 7 和圖 9 可以看出，車(chē)輛所需功率由電池和燃料電池一同提供，PEMFC 提供主要工作需求功率，同時(shí)燃料電池的工作效率點(diǎn)始終保持在高效率區(qū)間。

圖 9 功率輸出曲線

4.2.2 隸屬度函數(shù)優(yōu)化結(jié)果

　　WLTC 工況是目前全世界通用的、更加符合實(shí)際道路狀況的車(chē)輛行駛工況。本文選擇該路況使用遺傳算法分別對(duì)應(yīng)用在電堆出入口的模糊控制器進(jìn)行優(yōu)化。將遺傳算法的種群大小設(shè)為 100，遺傳代數(shù)設(shè)置為 100，交叉率為 0.9，變異率為 0.1。圖 10 為電堆出入口模糊控制器優(yōu)化后的隸屬度函數(shù)。

圖 10 優(yōu)化后的隸屬度函數(shù)

　4.2.3 電堆出入口溫度控制結(jié)果

　　圖 11 為 HWFET 和 WLTC 工況下電堆的出入口溫度曲線?？梢钥闯鲈谶z傳模糊控制下，出口溫度和入口溫度之差保持在 5 ℃ 左右，且出入口溫度與設(shè)定目標(biāo)值溫度的誤差均在- 1 ～ 1 ℃。

　　如表 3 所示，經(jīng)過(guò)優(yōu)化的模糊控制，電堆出入口溫度的最大偏差全部下降。相對(duì)于模糊控制，經(jīng)過(guò)遺傳算法優(yōu)化的模糊控制器有著更快的響應(yīng)速度和較小的誤差。

圖 11 兩種工況下出入口溫度曲線

表 3 兩種工況下的熱管理參數(shù)

        圖 12 兩種工況下冷卻水帶走的熱量當(dāng)負(fù)載增加時(shí)，燃料電池將產(chǎn)生更多的熱量。因此，為確保電堆處于穩(wěn)定安全的溫度環(huán)境，冷卻水流量和散熱器風(fēng)量都將隨著負(fù)載的增加而增大，這時(shí)，冷卻水帶走的熱量也會(huì)增大。反之，當(dāng)負(fù)載減小，冷卻水流量和散熱器風(fēng)量均隨負(fù)載的減少而減小，冷卻水帶走的熱量也相應(yīng)地減少，如圖 12 ～ 13 所示?？紤]到實(shí)際應(yīng)用中冷卻水泵不能頻繁啟停，所以針對(duì)以上兩種工況，本文將設(shè)置最小水流量。

圖 12 兩種工況下冷卻水帶走的熱量

　　圖 13 兩種工況下的冷卻水流量和散熱器風(fēng)量

　　4 討論與分析

　　電堆溫度的變化會(huì)影響氫燃料電池汽車(chē)的輸出性能以及安全性，因此需要應(yīng)用合理的熱管理方法來(lái)使電堆溫度保持在合理的工作溫度。本文中，燃料電池具有非線性和參數(shù)的不確定性等特點(diǎn)，并且電堆溫度的變化具有滯后性。本文提出使用模糊控制方法對(duì)電堆出入口溫度進(jìn)行控制，但模糊控制的設(shè)計(jì)主要依靠專(zhuān)家的經(jīng)驗(yàn)，因此本文進(jìn)一步地提出應(yīng)用遺傳算法優(yōu)化模糊控制器的隸屬度函數(shù)。目前應(yīng)用遺傳算法優(yōu)化模糊控制的方法相對(duì)成熟，已被應(yīng)用到其他領(lǐng)域，而本文將此方法應(yīng)用到 PEMFC 熱管理中。通過(guò)使用遺傳算法優(yōu)化模糊控制， 在 HWFET 工況下，相對(duì)于未優(yōu)化的模糊控制，電堆的出入口溫度與目標(biāo)溫度的最大偏差分別降低了 0.9 ℃ 和 1.1 ℃。在WLTC 工況下，與未優(yōu)化的模糊控制相比，電堆的出入口溫度與目標(biāo)溫度的最大偏差分別降低了 1.28 ℃ 和 1.23 ℃。

　　目前，驗(yàn)證熱管理方法的工作負(fù)載通常使用階躍負(fù)載信號(hào)。

　　但車(chē)輛的工況變化頻繁，從而 PEMFC 的工作負(fù)載也會(huì)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。本文針對(duì)上述問(wèn)題，提出一種新的負(fù)載模式，即選用 Autonomie 中的一款車(chē)，選取兩種道路工況進(jìn)行能量管理， 得出需要 PEMFC 提供的工作負(fù)載，并以此作為熱管理方法驗(yàn)證的工作負(fù)載。

　　本文的不足之處在于雖簡(jiǎn)化了控制模型，但忽略了電堆溫度從常溫開(kāi)始升高到目標(biāo)溫度的這一過(guò)程。同時(shí)，本文建立的PEMFC 熱管理模型相對(duì)簡(jiǎn)單，下一步可以加上旁路閥，并設(shè)置大小循環(huán)，使模型更加完整。當(dāng)電堆溫度比較低時(shí)，開(kāi)啟小循環(huán)并對(duì)冷卻水進(jìn)行加熱，通過(guò)旁路閥控制冷卻水進(jìn)入電堆的溫度，從而使電堆溫度快速升高到合理的工作溫度;當(dāng)電堆溫度超過(guò)目標(biāo)溫度時(shí)，開(kāi)啟大循環(huán)，對(duì)電堆進(jìn)行冷卻降溫。

　　5 結(jié)論

　　本文針對(duì)車(chē)用 PEMFC 的熱管理，提出使用模糊控制的方法對(duì)電堆出入口溫度進(jìn)行控制。為了使電堆的出入口溫度具有更好的調(diào)整能力，提出使用遺傳算法優(yōu)化模糊控制器。為了驗(yàn)證所提出的控制方法，選取一款燃料電池混合動(dòng)力汽車(chē)，設(shè)計(jì)了燃料電池混合動(dòng)力汽車(chē)的能量管理策略，使 PEMFC 工作在高效率區(qū)，并在 HWFET 和WLTC 兩種標(biāo)準(zhǔn)工況下驗(yàn)證所提出的 PEMFC 熱管理方法。結(jié)果顯示，當(dāng)工作負(fù)載連續(xù)變化時(shí)， 經(jīng)過(guò)遺傳算法優(yōu)化的模糊控制方法展示出較好的性能。電堆出口與入口的溫度差維持在 5 ℃ 左右，出入口溫度與目標(biāo)溫度的誤差均在- 1 ～ 1 ℃，并且，相對(duì)于未優(yōu)化的模糊控制，電堆出入口溫度與目標(biāo)溫度的誤差均有降低。本文所提出的方法針對(duì)兩種測(cè)試工況，電堆的出入口溫度表現(xiàn)出更強(qiáng)的響應(yīng)能力， 有效地修正了溫度動(dòng)態(tài)誤差，提高了熱管理方法的控制精度。

作者：

     趙振瑞 1,2 歐陽(yáng)惠穎 2,3 田國(guó)富 1 鄭春花 2

　　1 沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院

　　2 中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院

　　3 南方科技大學(xué)工學(xué)院 文章轉(zhuǎn)載自《集成技術(shù)》