基于Simscape的质子...冷却系统建模与温度控制策略_王星.pdf

第 12 卷 第 3 期2023 年 3 月Vol.12 No.3Mar.2023储能科学与技术Energy Storage Science and Technology基于Simscape的质子交换膜燃料电池冷却系统建模与温度控制策略王星，孙俊，陈宁芳，闫立（武汉理工大学船海与能源动力工程学院，湖北 武汉 430063）摘要：为了提高质子交换膜燃料电池(PEMFC)冷却系统模型精度且能够方便有效地对其实现控制，提出基于 Simulink/Simscape构建膨胀水箱、冷却液循环泵、散热器等关键冷却系统模块，对燃料电池冷却系统进行物理建模仿真；水冷型燃料电池电堆的温度与冷却液出入堆温差主要受散热器的空气流量与循环水的流量影响，针对空气流量与循环水流量存在强耦合关系，提出了冷却液流量跟随电流控制，线性自抗扰控制空气流量的联合控制策略，实现了散热风扇和循环水泵控制的解耦；为保证控制策略的有效性，减少整定参数的工作量，提出了精英遗传算法优化ADRC(自抗扰控制)参数的方法，优化后的控制策略应对输入有扰动时，系统的最大超调量仅有1.23%且能在30 s内再次达到稳定，因此能够对燃料电池电堆温度实现有效控制。仿真结果表明通过优化后的控制策略在无干扰或有白噪声干扰的阶跃负载电流影响下，都能够对电堆温度与冷却液温差实现有效控制，具有很强的鲁棒性与抗干扰能力。关键词：质子交换膜燃料电池(PEMFC)；冷却系统模型；流量跟随；自抗扰控制；遗传算法优化doi：10.19799/ki.2095-4239.2022.0703 中图分类号：TM 911.42 文献标志码：A 文章编号：2095-4239（2023）03-857-13Modeling of a proton exchange membrane fuel cell cooling system based on the Simscape temperature control strategyWANG Xing,SUN Jun,CHEN Ningfang,YAN Li(School of Ship-Ocean and Energy and Power Engineering,Wuhan University of Technology,Wuhan 430063,Hubei,China)Abstract:To improve the accuracy of the cooling system model of a Proton Exchange Membrane Fuel Cell(PEMFC)and control it conveniently and effectively,key cooling system modules,such as an expansion tank,coolant circulating pump,and radiator are constructed based on Simulink/Simscape,and the physical modeling and simulation of the fuel cell cooling system are performed.The temperature of the water-cooled fuel cell stack and the temperature difference between the coolant in and out of the stack are mainly affected by the radiators airflow and the circulating water flow.Given the strong coupling relationship between the airflow and the circulating water flow,a combined control strategy of the coolant flow following the current control and the linear active disturbance rejection control airflow is proposed,which realizes the decoupling of the cooling fan and the circulating water pump control.Therefore,an elite genetic algorithm is proposed to optimize the parameters of Active Disturbance Rejection Control to ensure the effectiveness of the control strategy and reduce the workload of setting parameters.When the optimized control strategy is disturbed by the input,the maximum overshoot of the system becomes 1.23%and can be stabilized again within 30 s.储能系统与工程收稿日期：2022-11-25；修改稿日期：2022-12-09。基金项目：国家自然科学基金重点项目（U1709215）。第一作者：王星（1998），男，硕士研究生，研究方向为燃料电池系统仿真与控制，E-mail：；通讯作者：孙俊，博士，教授，研究方向为系统仿真与控制、内燃机燃烧与排放控制，E-mail：。2023 年第 12 卷储能科学与技术Therefore,the temperature of the fuel cell stack can be effectively controlled.Simulation results show that the optimized control approach has excellent resilience and anti-interference ability and can efficiently regulate the stack and coolant temperature difference under the influence of step load current without interference or white noise interference.Keywords:proton exchange membrane fuel cell;cooling system model;traffic following;active disturbance rejection control;genetic algorithm optimization质子交换膜燃料电池是一种可以将化学能直接转换成电能的设备，由于其拥有能量密度高、启动速度快、可低温运行以及工作寿命长等优点，具有广阔的应用前景1。燃料电池冷却系统是使电堆温度稳定在最佳范围的关键，温度过高会破坏催化剂的活性，对燃料电池造成不可逆的损坏，严重影响燃料电池寿命；温度过低会降低催化剂活性，使电池运行效率降低；当电堆温度稳定在最佳时，可以使电池运行高效，延长燃料电池使用寿命。因此，对水冷型质子交换膜燃料电池冷却系统进行研究具有重要意义2。大多学者使用数学方程建模，少有用Simscape深入研究燃料电池冷却系统并对模型的温度进行有效控制。基于Simscape的物理建模方法具有模型结构简单、计算准确性高且方便控制的特点3。因此，本工作基于Matlab/Simulink/Simscape物理建模平台，建立燃料电池冷却系统仿真模型，并实现了对燃料电池电堆温度的控制。牛茁4提出了冷却液流量跟随电流控制，将空气流量与冷却液流量进行部分解耦，然后通过设计PID控制空气流量，可以得到不错的控制效果，但是在调节温度过程中冷却液的出入堆温差得不到有效控制，温差过大易使电堆温度分布不均匀，影响PEMFC稳定运行。杨孝才5提出自抗扰控制策略来控制空气流量与冷却液流量，利用自抗扰控制的天生解耦性质，对两种流体的流量分别设计了自抗扰控制系统，通过检验，此控制策略有良好的控制效果，且可以有效应对电流计与测温计的白噪声干扰，但是此控制系统拥有两个ADRC分别控制空气流量与冷却液流量，都需要分别整定各自参数，且参数之间互相影响，对整定参数带来困难，系统精度得不到保证。传统的控制策略中，因燃料电池的温度难以测定，因此假定电池温度等效于冷却液出堆温度，设计两个PID控制器，一个PID控制器通过冷却液出堆温度与设定值的差值控制散热器的空气流量，另一个PID控制器通过冷却液出堆温度与冷却液进堆温度的差值控制水泵的流量，传统的PID控制共需要整定6个参数，又由于两个PID控制器都使用到冷却液出堆温度，因此两个控制器的控制信号具有强耦合性，给参数的整定带来困难，系统精度得不到保证。本工作做出如下改进，其一，摒弃传统控制策略将燃料电池温度等效于冷却液出堆温度的方法，直接通过测量获得燃料电池温度。现如今燃料电池的内部温度可以通过多种方法测得。本工作中设计的控制策略因使用ADRC控制，具有很强的抗干扰性，因此对电池温度不需要太高的精度，可以使用热成像仪测量电池温度。其二，本工作采用流量跟随电流的方法来控制冷却液流量，使得散热器的空气流量与冷却液流量得到解耦，可以得到很好的控制效果。其三，通过设计一阶线性ADRC系统来控制风扇的空气流量，可以具有很强的抗干扰性与优良的控制效果，并针对整定参数，提出一种精英遗传智能寻优算法寻找最优的参数组合，大大减少了整定参数的工作量，并且很大程度上保证了系统控制精度。1 PEMFC电堆模型燃料电池运行时，内部的氢气与氧气交换电子反应生成水，在此过程中，氢气在阳极中由于催化剂的作用生成氢离子与电子，氢离子穿过质子交换膜到达阴极，电子从阳极通过电路回路经过负载，从而对负载做功，最后也到达阴极6；氧气在阴极中与氢离子与电子结合生成水，具体化学反应如下：阳极：2H2 4H+4e-阴极：O2+4e-+4H+2H2O在反应生成水的过程中，会产生大量的热量，生成的热量被燃料电池吸收使电堆温度升高，从而可以提高催化剂活性，增大化学反应效率，但是吸收过多热量会导致温度过高，破坏催化剂的活性，858第 3 期王星等：基于Simscape的质子交换膜燃料电池冷却系统建模与温度控制策略对燃料电池造成不可逆的损坏，因此需要冷却系统带走多余的热量，使得燃料电池系统稳定在一个适宜温度运行，可大大提高燃料电池的输出效率与使用寿命。1.1电堆电压模型为了探究燃料电池电压的输出特性，同时为了简化模型，得到燃料电池的输出特性曲线，为后续的冷却系统模型搭建提供有效依据，本节通过相关实验对电堆的伏安特性曲线进行测试。燃料电池是一个极为复杂的发电系统，其输出电压受多种外部及内部因素共同影响，本工作主要聚焦于冷却系统的控制研究，因此可对电堆电压输出模型简化，以便后续研究。相关实验参数设置见表1。实验步骤：实验开始时，将燃料电池温度设置为80；实验过程中，通过改变电流的大小，电流从0350 A每次增加10 A，测得在此电流下系统稳定后的输出电压，并记录下每次试验数据15。为简化输出电压模型，本工作利用实验得到的U-I数据训练BP神经网络模型，以电流作为输入，电压作为输出，使用MATLAB自带神经网络拟合数据工具箱进行数据拟合，可以得到电堆电压的拟合曲线，如图1所示。从图中可看出，最大相对误差为0.08%，因此训练好的BP神经网络可以表示出燃料电池电堆在不同电流下，稳定后的输出电压。1.2电堆温度模型燃料电池在工作时，会产生大量的热量与电能，产生的热量有利于电池电堆温度升高，从而提高工作效率，但是过多的热量会使电堆温