基于模型预测控制的水冷型燃料电池冷却系统研究
陈飞1 罗仁宏2 （ 1.上海科学技术职业学院，上海 201800； 2.东风汽车集团股份有限公司岚图汽车科技分公司，武汉 430050）
主题词：质子交换膜燃料电池 冷却系统 模型预测控制策略 PID控制策略 温控能力TK172；TB657.5；U464.138 A中图分类号： 文献标识码： 10.19620/j.cnki.1000-3703.20201319 DOI:
1 前言
氢燃料电堆的温度直接影响电池进、排气压力、含水量、使用寿命、催化剂的活性和化学反应速率等[1- 4]，
国内外学者在氢燃料电池温度的控制上开展了广泛研
Dong[
究： 5]等人在传统温度控制策略的基础上提出了
PID
控制策略，通过控制冷却风扇和电子水泵实现电堆
[6]~ [8]
工作温度的控制；文献 文献 通过采用人工神经网
PID PID
络、模糊 和模糊增量 达到对燃料电池发电系统温度的最佳控制。
Proton Exchange
传统质子交换膜燃料电池（
Membrane Fuel Cell，PEMFC）
冷却系统自身存在着一定
PEMFC
的时滞性[8]，再加上 运行工况多变且复杂，这就
PEMFC
要求 冷却系统对温度的控制更加精确和高效。
PEMFC
传统 冷却系统在控制逻辑上限制了氢燃料电池汽车对能源的充分利用，而智能化冷却系统控制不仅能
【摘要】针对传统温度控制方法在水冷型质子交换膜燃料电池（ PEMFC）冷却系统中应用时出现温度波动较大、调控时间长、能耗高等问题，以某款氢燃料电池冷却系统为研究对象，利用一维软件搭建氢燃料电池冷却系统计算模型，并对标台架试验，验证了计算模型的可靠性。在此基础上，设计开发模型预测控制器，经计算分析可得，相比于原有PID控制器，采用模型预测控制（ MPC）策略的PEMFC温控能力更强，温度波动明显得到改善，同时降低了氢燃料电池冷却系统的能量消耗。
PEMFC
有效提高对 温度的控制能力，提高冷却效率，而且能降低整车的能源消耗量，因此成为氢燃料电池汽车研究的热点之一[9-13]。某自主研发的氢燃料电池乘用车在开发设计阶段，
PID
采用传统 控制策略对电堆冷却系统进行控制时，出现温度波动大，温度调节控制时间长和能量消耗量偏高
Model Predic⁃
的问题。为此，本文提出模型预测控制（
tive Control，MPC）
策略对氢燃料电池冷却系统水侧和空气侧进行智能控制，以满足冷却需求并提升整车的续航里程。
2 PEMFC冷却系统设计原理
PEMFC
在 冷却系统中，由于电堆工作时在熵产热、电化学反应、欧姆电阻等作用下产生了不可逆的热，若这些热量不能被及时带走，就会造成电堆积热现象，而高温会导致电堆内的质子交换膜脱水，中断质子导电和运动，从而造成电堆放电功率下降或断电等问题。为了保证电堆高效运行，需将多余的热量从电堆中带走，并确保电堆内各质子交换膜工作温度相近。
PEMFC
本文研究的 冷却系统由电子水泵、散热器、电子风扇、电子节温器、电堆、去离子器、补偿水箱和冷
1
却系统控制模块等组成，如图 所示。
3 PEMFC冷却系统计算模型的搭建和验证
AMESim PEMFC通过商业软件 搭建 冷却系统，根据目标样机冷却零部件布置形式、散热器和电子水泵的性能，在软件中选择相应的模块并设定边界条件，完成计算模型的搭建。
3.1 PEMFC计算模型的搭建
200
目标电堆由 片质子交换膜单体电芯串联而成，
40 kW， 1
其最大输出功率为 具体参数如表 所示。在一
PEMFC
维仿真软件中完成对目标 系统计算模型的搭
2
建，如图 所示。3 PEMFC
图 所示为目标 冷却子系统计算模型，其
4 5
中散热器功率性能和电子水泵性能如图 和图 所
PEMFC
示，由台架试验实测得到。目标 冷却模块（电
2
子节温器、电子水泵和电子风扇）的控制逻辑如表所示。