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原文传递燃料电池汽车集成热管理系统节能控制

论文题名：	燃料电池汽车集成热管理系统节能控制
关键词：	燃料电池汽车;集成热管理系统;冷却子系统;余热利用子系统;节能控制
摘要：	燃料电池汽车具有无污染、零排放的优点，是新能源汽车发展的重要方向。燃料电池工作温度控制是燃料电池汽车开发与研究的热点和难点问题之一，集成热管理系统是燃料电池汽车重要组成部分，主要用于控制燃料电池工作温度。集成热管理系统包括冷却子系统和余热利用子系统两个部分，冷却子系统通过散热器将流经散热回路的冷却液携带的燃料电池热量耗散到空气中去；余热利用子系统通过液液交换器将流经热交换回路的冷却液携带的燃料电池热量传递给驾驶室采暖回路和动力电池回路。不恰当的工作温度将影响燃料电池内部化学反应速率从而降低燃料电池效率，燃料电池汽车集成热管理系统对保证整车高效运行有重要意义。为进一步提高燃料电池汽车整车经济性，本文探究燃料电池输出功率与最佳工作温度的关系，研究燃料电池汽车集成热管理系统节能控制方法，主要研究内容如下：　　根据燃料电池电化学机理构建包括能斯特开路电压、活化极化电压、欧姆极化电压、浓差极化电压的燃料电池电压模型，从燃料电池产热机理出发构建燃料电池发热模型，按照氢气和电流的电化学关系构建燃料电池氢耗模型；搭建燃料电池实验平台对上述模型进行实验验证。实验结果表明：燃料电池工作温度分别为75℃、70℃、65℃、60℃、55℃时燃料电池电压模型的仿真数据和实验数据最大误差均小于2%；燃料电池热在热启动和冷启动工况下燃料电池发热模型仿真数据和实验数据最大误差均小于1%；燃料电池在30A、120A、210A、300A恒电流输出工况下燃料电池氢耗模型仿真数据和实验数据最大误差均小于1%。　　依据已构建的燃料电池模型，进一步搭建散热器模型、节温器模型以及电动水泵模型进而组成燃料电池汽车冷却子系统模型；实验获取燃料电池输出功率与最佳工作温度的关系；以燃料电池各输出功率下的最佳工作温度作为参考轨迹，对冷却子系统模型线性离散化得到燃料电池工作温度预测模型，以燃料电池工作温度与最佳工作温度差值最小为优化目标，设计冷却子系统最佳工作温度跟随（OptimalOperatingTemperatureTrackinginCoolingSubsystem，OTCS）预测控制器；分别在NEDC和CHTC-HT工况下验证OTCS预测控制器的有效性。仿真结果表明：与规则控制器和恒温控制器相比，预测控制器可降低燃料电池氢耗并使其工作点分布在高效率区域，燃料电池氢耗分别降低15%、18.2%和25.6%、28.7%；燃料电池以低功率（输出功率0-40kW）输出时其平均效率分别提高2.2%、3%和2.4%、3.3%，以高功率（输出功率40-80kW）输出时其平均效率分别提高2.6%、3.1%和2.7%、3.5%。通过实车实验对OTCS预测控制器的可行性和有效性进行验证，实验结果表明：相比于规则控制器和恒温控制器，预测控制器可以降低燃料电池氢耗，氢耗分别降低17.8%、15.5%。　　结合燃料电池汽车冷却子系统模型，及新搭建的液液交换器模型、电加热器模型以及暖风芯体模型构建燃料电池汽车余热利用子系统模型；通过余热利用子系统模型的线性离散化建立燃料电池工作温度预测模型，采用与OTCS预测控制器相同的参考轨迹和优化目标，考虑到余热利用子系统中液液交换器换热量扰动对燃料电池工作温度精确控制的影响，在约束条件中增加液液交换器换热量扰动，设计余热利用子系统最佳工作温度跟随（OptimalOperatingTemperatureTrackinginWasteHeatUtilizationSubsystem，OTWS）预测控制器；分别在NEDC和CHTC-HT工况下验证OTWS预测控制器的有效性。仿真结果表明：与规则控制器和恒温控制器相比，预测控制器能够降低燃料电池汽车余热利用子系统能耗，在上述两工况下系统能耗分别降低8.4%、10.9%和18.6%、21.1%。通过实车实验对OTWS预测控制器的可行性和有效性进行验证，实验结果表明：相比于规则控制器和恒温控制器，预测控制器可以提高燃料电池汽车整车经济性，燃料电池汽车整车经济性提升15.6%、13.4%。
作者：	王玉腾
专业：	车辆工程
导师：	胡东海
授予学位：	硕士
授予学位单位：	江苏大学
学位年度：	2022