（控制科学与工程专业论文）50kw燃料电池发动机控制系统设计与热管理优化研究.pdf

独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名：朝垄焦日期：生! 理：笪： 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务o ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：橱摒导师 ( 注：此页内容装订在论文扉页) 日瓤幽6 、l 坚 秘 摘要 燃料电池汽车的核心部件是燃料电池发动机系统，为了提高燃料电池发动 机系统的使用寿命、稳定性，降低燃料电池系统的成本，需要对燃料电池发动 机控制系统进行合理的设计，并对其各个子系统进行优化研究，本文以开发研 究燃料电池中巴车为背景，以5 0 k w 燃料电池发动机系统为研究对象，开展了 对燃料电池发动机控制系统的设计与热管理系统优化方面的研究，主要研究内 容如下： 首先对5 0 k w 燃料电池发动机系统进行了总体框图的设计，分别从供电系 统、供气系统、热管理系统、控制系统几个方面分析了发动机辅助系统的主要 组成部分，描述了各个组成部分的工作方式，最后探讨了p e m f c 发动机系统 的稳定运行的关键技术。 开展了燃料电池发动机热管理系统优化方面的研究。总结了当前燃料电池 热管理系统的工作方式，结合热管理系统在运行过程中出现的问题，研究了基 于全系数自适应控制方法的燃料电池温度控制策略，通过仿真和实验，对实验 结果进行了分析，总结了全系数自适应控制方法在燃料电池温度控制中的优势。 进行了燃料电池发动机控制系统的设计。分析了r s 2 3 2 通讯在燃料电池运 行过程中的不足，提出了使用u s b 总线代替r s 2 3 2 总线完成燃料电池主控制 器与p c 机通讯的方案，并设计了基于p d i u s b d l 2 的c a n 总线转u s b 模块， 完成了该模块的硬件设计和软件设计，并详细分析了c a n 总线转u s b 模块的 枚举过程。 经过仿真和实验分析，系统在调试过程中运行稳定，对于燃料电池发动机 系统的优化和控制策略的研究，提高了燃料电池发动机系统的稳定性和可靠性， 降低了燃料电池发动机系统的成本，为将燃料电池发动机系统推向产业化做出 了贡献。 关键词：燃料电池发动机优化控制系统热管理系统 a b s t r a c t n o w a d a y s ，t h ep r o b l e m so fe n e r g ya n de n v i r o n m e n ti sg e t t i n gw o r s ea n dw o r s e ， s od e v e l o p i n gn e we n e r g yv e h i c l e sh a sb e c o m eah o tt o p i ci ns o c i e t y t h ef u e lc e l l c a nr e d u c et h ew a t e rp o l l u t i o nw h i c hi sc a u s e db yt h eo i ll e a k ，a n di ta l s oi n c r e a s e s t h ee c o n o m yo ff u e l ，t h ec o m b u s t i o ne f f i c i e n c yo ft h ee n g i n e i to p e r a t e ss m o o t h l y a n dm a k e sn on o i s e s ot h ef u e lc e l li sb e c o m i n gt h ef i r s tc h o i c ef o rt h en e we n e r g y v e h i c l e s t h i sp a p e rh a sd o n es o m er e s e a r c ho nt h ec o n t r o lt h e o r i e so ft h e o p t i m i z a t i o nf o rt h ef u e lc e l le n g i n es y s t e m t h er e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： t h i sp a p e ri n t r o d u c e dt h ef u e lc e l le n g i n es y s t e m ，d i s c u s s e st h ek e yt e c h n o l o g y f o rt h ef u e lc e l le n g i n es y s t e m t h i sp a p e rh a ss u m m a r i z e dt h ew o r km o d eo ft h ea i r s u p p l ys y s t e m ，a n dd i s c u s s e st h es h o r t c o m i n g sd u r i n gt h eo p e r a t i o n , a n dt h e n p r o p o s e st h eo p t i m i z a t i o np r o g r a mf o rt h ea i rs u p p l ys y s t e m t h ep a p e rh a sa l s o d o n es o m er e s e a r c ho nt h et h e r m a lm a n a g e m e n ts y s t e m ，a n dp r o p o s e dc o n t r o l s t r a t e g yf o rt h ef u e lc e l lt e m p e r a t u r e t h er e s u l t sh a sb e e ng i v e nb ys i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n t t h es i g n a ls a m p l i n ga n dc o n t r o l l i n gs y s t e ma r ed e s i g n e d ，a n dt h ea d v a n t a g ea n d t h ed i s a d v a n t a g ea r ea n a l y z e d t h er s 2 3 2b u si sn o ts os t a b l ew h e nt h ef u e lc e l l e n g i n es y s t e mi so p e r a t i n g t h i sp a p e rh a sp r o p o s e dan e ww a yo fc o m m u n i c a t i o n b yu s bb u s ，a n di n t r o d u c e dt h ee n u m e r a t i o nc o u r s eo ft h eu s bd e v i c e t h i sd e v i c e h a sb e e na p p l i e di nt h ef u e lc e l le n g i n es y s t e m t h ef u e lc e l le n g i n es y s t e mi ss t a b l ed u r i n gt h ee x p e r i m e n t ，a n dt h es t a b i l i t ya n d t h er e l i a b i l i t yh a v eb e e ni n c r e a s e d k e yw o r d s ：f u e lc e l l ，o p t i m i z a t i o n ，c o n t r o ls y s t e m ，t h e r m a lm a n a g e m e n t i l 目录 第1 章绪论1 1 1 引言1 1 2 课题研究的意义2 1 3 国内外研究现状3 1 4 本文的主要研究内容4 第2 章燃料电池发动机系统总体设计5 2 1 燃料电池发动机系统总体框图设计5 2 2 燃料电池发动机子系统设计6 2 2 1 供电系统6 2 2 2 空气供给系统8 2 2 3 热管理系统9 2 - 2 4 控制系统1 0 2 3 燃料电池发动机系统关键技术1 1 2 3 1 控制系统设计1 1 2 3 2 热管理系统控制策略研究1 1 2 4 本章小结1 2 第3 章燃料电池发动机控制系统设计1 3 3 1 信号采集单元设计1 3 3 2 控制单元设计18 3 3c a n 总线转u s b 模块设计1 9 3 3 1c a n 转u s b 模块方案的提出1 9 3 3 2c a n 转u s b 模块硬件设计2 0 3 3 3c a n 转u s b 模块软件设计2 2 3 4 本章小结2 6 第4 章热管理系统优化研究2 7 4 1 燃料电池发动机热管理系统设计2 7 4 2 热管理系统中存在的问题2 8 4 3 全系数自适应控制方法介绍3 l 4 3 1 自适应控制的概念31 i i i 4 3 2 自适应控制的分类3 1 4 3 3 自适应控制的发展3 2 4 3 4 全系数自适应控制方法的提出3 2 4 4 低负荷时的热管理控制策略研究3 4 4 4 1 热管理系统特性分析3 4 4 4 2 控制方案3 6 4 4 3 参数估计4 1 4 4 4 误差预报4 3 4 4 5 控制决策4 3 4 4 6 仿真与实验分析4 4 4 5 高负荷时的热管理控制策略研究4 6 4 5 1 控制方案4 6 4 5 2 参数估计4 9 4 5 3 状态预报5 0 4 5 4 控制决策5 l 4 5 5 仿真与实验分析5 1 4 6 本章小结5 3 第5 章总结与展望5 4 5 1 全文总结5 4 5 2 展望5 5 参考文献5 6 攻读硕士学位期间发表的论文。5 9 致 射6 0 i v 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 能源是一个国家国民经济发展的源动力，同时也是衡量一个国家综合国力 的重要指标，它对形成新兴产业有着至关重要的作用【1 2 - 1 。如今，环境保护已经 成为了人类社会可持续发展战略的核心问题，它影响着全世界各个国家的能源 决策和科技导向，同时，它也正在促进着能源科技的发展【3 ，4 ，引。上个世纪世界 各国建立起来的庞大的能源系统，如今已经无法适应未来社会对能源体系所提 出的高效、安全、经济、清洁的要求，能源科技的发展如今正面临巨大挑战t 6 , 7 1 。 人类社会发展到今天，能量转换中的很大一部分都是通过热机过程实现。 热机过程有它固有的缺陷，它转化效率较低，因此造成了较大的能源浪费【8 ，9 ，j 。 同时，它会产生大量的硫氧化物、氮氧化物、粉尘等有害物质，由于它们所造 成的土壤、大气和水污染等问题严重威胁着人类的生存环境 1 1 , 1 2 1 。 燃料电池装置能够等温地按照电化学方式将化学能直接转换成电能 1 3 , 1 4 , 1 5 】。它的能量转化率较高，几乎不排放硫氧化物和氮氧化物，此外，二氧 化碳的排放量也较少【1 6 ，1 7 】。正是因为燃料电池的这些特性，他的研究和开发受 到了世界各国政府和大型企业的重视，人们把它看成是二十一世纪首选的高效、 洁净的发电技术【l 引。 目前，氢气被认为是燃料电池的最理想的燃料【1 9 2 0 2 1 1 。煤、石油、天然气 等化石能源是人类现阶段在生产和日常生活中被大量使用的能源，但是，它们 正在以惊人的速度减少瞄, 2 3 1 。按照世界能源的综合估算，全世界的石油储备大 约是1 5 0 0 亿吨，若使用1 9 9 5 年世界石油的年开采量3 3 2 亿吨来计算，世界的 石油储备大约在2 0 5 0 年就宣告枯竭1 2 4 2 5 j 。全球的天然气储备大约为1 5 0 0 0 0 兆 立方米，假设年开采量维持在2 3 0 0 兆立方米，那么天然气资源将在6 5 年之内 枯竭【2 6 ，2 7 1 。那就是说，目前人类所依赖的化石能源将在二十一世纪五六十年代 迅速接近枯竭【2 8 1 。化石能源的枯竭必定会导致世界范围内的经济危机和军事冲 突。事实上，近年来，化石能源的重新配置而引发的战争的例子已经屡见不鲜， 如海湾战争、两伊战争，这种军事冲突，今后还会更加猛烈，更加频繁 2 9 , 3 0 , 3 1 1 。 因此，人类今后赖以生存的能源将转变为太阳能和核能。到那个时候，人们可 武汉理工大学硕士学位论文 以利用核能、太阳能进行发电，用电解水的方法获得氢气 3 2 , 3 3 】。然后利用氢气 作为载体，采用燃料电池技术把氢气和大气中的氧气转化成拥有各种各样用途 的电能，如日常生活用电，汽车动力等等。到那时，全世界将进入氢能源时代 3 4 , 3 5 , 3 6 1 o 1 9 8 3 年，加拿大国防部预测这种能够在室温中快速启动的电池拥有广阔的 军事运用前景，随后拨款支持巴拉德动力公司着手研究这一类的电池1 3 7 捌。通 过各个国家的科学家的努力，陆续解决了电极结构的立体化问题、降低铂催化 剂用量的问题、电极一膜一电极三合一组件的热压合问题、燃料电池内部水传 递平衡问题等一系列技术问题【3 9 , 4 0 1 。目前，这种质子交换膜燃料电池组的体积 比功率已经达到1 k w 三，质量比功率已达到1 k w k g 。它成为潜艇和电动车不 依赖空气推进的最理想的动源 4 t , 4 2 1 。各类型以质子交换膜燃料电池为动力的 试验车已经在运行，不但性能可以与内燃机汽车相媲美，而且没有污染。以质 子交换膜燃料电池为动力的潜艇已经在建造。迄今，对于质子交换膜燃料电池 的研究已经成为各类燃料电池研究中的主流，在实现商业化的道路上希望是最 大的，它为提高燃料的利用率，降低全球的污染做出着独具特色的贡献。 1 2 课题研究的意义 二十世纪五十年代后期，n a s a 开始建造应用于太空飞行任务的紧凑型发 电机，并且不久之后为涉及燃料电池应用方面的几百个研究合同提供资金。伴 随着太空飞行任务供电的成功，燃料电池在空间计划中已经具有了让人们信服 的作用。 在最近的十年时间里，包括主要的汽车制造厂在内的制造厂已经支持正在 进行的对于燃料电池应用技术的研发工作，从而将燃料电池技术应用到汽车和 其他领域。与传统汽车相比，燃料电池汽车具有许多优点，它减少了机油泄漏 所带来的水污染问题，降低了温室气体的排放量，提高了燃油的经济性，提高 了发动机的燃烧效率，它运行平稳，没有噪声。戴姆勒、通用汽车、起亚汽车、 雷诺日产、本田、丰田汽车、现在汽车已经联合签署了基本意向书，意向书的 内容包括燃料电池汽车的开发和市场进入等。为了燃料电池汽车的普及，这次 联合签署的意向书的主要目的是支持氢气供给技术设备的建设。这些汽车厂商 积累了许多燃料电池方面的技术，通过此次意向书的签订，全球在零排放的燃 料电池汽车的产业化方面又向前迈出了一大步。 2 武汉理工大学硕士学位论文 作为燃料电池汽车的核心部件的燃料电池发动机系统，人们对它的改进与 优化以及控制策略研究，是当前燃料电池系统研究领域的一个非常重要的方向。 对现有的燃料电池系统进行控制策略的研究并提出优化方案，目的是为了提高 燃料电池系统的使用寿命、稳定性，降低燃料电池系统的成本，提高燃料电池 系统的可操作性，便于维护。这样可以为加快燃料电池系统的产业化助力。本 课题的研究目的是对于现有的燃料电池系统提出优化方案，并对燃料电池系统 中的关键子系统进行控制策略研究，以此来提高燃料电池系统的使用寿命、稳 定性，降低燃料电池系统的成本。 人们对于燃料电池发动机系统的研究，渐渐地从实验室研究迈向产业化的 道路，在这个过程中，对于燃料电池发动机系统的优化和控制策略的研究是将 燃料电池发动机系统推向产业化的必经之路。所以，开展对燃料电池发动机系 统的优化和控制策略的研究具有极大的理论意义和实际意义。 1 3 国内外研究现状 在日本，日本的经济产业省早在几年前就对燃料电池其他的开发与推广制 定了相对的时间表，他们的战略目的是：在2 0 1 0 年，日本使用的燃料电池汽车 可以达到五万辆；在2 0 2 0 年，燃料电池汽车达到五百万辆；而到了2 0 3 0 年， 燃料电池汽车可以得到全面的普及。近期，日本正在计划在五年内斥资2 0 9 0 亿 日元来开发氢燃料电池科技。在欧洲，欧盟在2 0 0 8 年夏天决定投资1 0 亿欧元 来用于燃料电池和氢能源的研究和发展。欧盟的这种做法的目的是将燃料电池 和氢能源技术发展成为能源领域中的一项高新技术，从而使欧盟能够在燃料电 池和氢能源技术方面在世界范围内处于领先地位。 对于燃料电池的系统结构、工作原理以及燃料电池发动机的控制特点方面， 我国在早期就提出了质子交换膜燃料电池工作的温度条件、压力条件、湿度条 件、和工作特性。对于质子交换膜燃料电池发动机系统的组成单元的介绍也相 似，包括空气供给系统、氢气供给系统、电功率测量系统、冷却水循环管理系 统、报警系统和通讯系统。 在对于p e m f c 发动机系统建模方面，唐永华等人分析了保持燃料电池内部 热平衡和水平衡的必要性，设计了一套有效的燃料电池发动机水热管理系统方 案。彭其泽等人从电化学和控制角度，讨论了燃料电池热平衡仿真的建模方法， 在理论上建立了燃料电池热力系统动态数学模型。唐辉等人对燃料电池发动机 武汉理工大学硕士学位论文 系统进行了神经网络的建模，分析了温度对燃料电池性能和寿命的影响，对温 度控制系统的结构进行了分析，提出了燃料电池温度模糊神经网络控制方法， 设计了燃料电池发动机水热管理系统结构，目前，清华大学已经建立了热管理 系统流动与传热特性分析的基本数学物理模型。 对于p e m f c 发动机通讯系统的设计，目前普遍采用的方法是以d s p 为核心 控制器的数据采集和控制方式，整车内部和燃料电池内部均采用c a n 总线通讯 方式，整车以及p e m f c 发动机系统的数据实时显示以及历史数据保存与查询普 遍依靠主控制器与p c 机进行r s 2 3 2 总线通讯来完成，这种通讯方式较为简便，适 合处理小批量的数据，但是它也有自身的缺陷。 1 4 本文的主要研究内容 对质子交换膜燃料电池系统进行优化和控制策略的研究，其主要内容是分 析p e m f c 发动机辅助系统的工作方式，讨论系统中存在的问题，提出优化方 案，其中也包括部分模块软硬件的设计与实现，总体来说有以下几个方面： ( 1 ) 燃料电池发动机系统的总体设计。设计了5 0 k w 燃料电池发动机系 统的总体结构，简要描述了各个组成部分的工作方式，探讨了p e m f c 发动机 系统的稳定运行的关键技术。 ( 2 ) 燃料电池热管理系统的建模与优化。根据p e m f c 发动机热管理系统 的要求，建立基于全系数自适应控制方法的质子交换膜燃料电池发动机热管理 系统模型，提出热管理系统控制策略及优化方案，进行m a t l a b 仿真，得出结 论。 ( 3 ) 燃料电池发动机控制系统的设计。对燃料电池发动机的控制系统进行 了设计，提出使用c a n 总线转u s b 模块的数据传输方式代替r s 2 3 2 数据通讯 方式，以及c a n 总线转u s b 模块的软硬件设计方案，使燃料电池信号采集和 监控系在调试过程中更加稳定可靠。 4 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章燃料电池发动机系统总体设计 燃料电池发电系统作为新一代的发电技术，它的应用前景非常广阔，世界 各国通过多年的研究与开发，p e m f c 在汽车动力方面的研究已经取得了实质性 的进展。本章首先提出了5 0 k w 燃料电池发动机系统总体设计方案，然后分析 了燃料电池发动机系统的基本组成单元，在此基础上探讨了燃料电池发动机系 统的关键技术。 2 1 燃料电池发动机系统总体框图设计 p e m f c ，质子交换膜燃料电池，它的发电原理相当于水电解的逆过程，单 片电池由质子交换膜、阳极、阴极组成，阴极为氧化剂还原的反应场所，阳极 为氢气发生氧化反应的场所，质子交换膜为电解质【1 2 , 1 3 】。质子交换膜燃料电池 工作的时候相当于一个直流电源。p e m f c 电堆是有许多个p e m f c 单片电池通 过串联的方式层叠组合在一起而构成的。p e m f c 发电系统作为新一代的发电技 术，它的应用前景非常广阔，世界各国通过多年的研究与开发，p e m f c 在汽车 动力方面的研究已经取得了实质性的进展，小型的p e m f c 电源和微型p e m f c 便携式电源也已经达到了产品化的程度，大功率的p e m f c 发电系统的研发也 取得了一定的成果。由于p e m f c 发电系统有希望成为重要建筑物备用电源和 移动装备电源的发展方向，所以还有许多问题值得深入研究。采用p e m f c 氢 能发电将会大大地提高重要装备和建筑电气系统的供电可靠性，使得重要建筑 物的发电方式转向市电与中小型p e m f c 发电装置、风力发电装置、太阳能发 电装置等分散电源联网的灵活发电方式，提高建筑物的智能化程度。 本文对5 0 k w 质子交换膜燃料电池发动机系统进行了设计，提出了燃料电 池发动机系统的总体设计方案，总体框图如图2 1 所示。 5 武汉理工大学硕士学位论文 图2 1 燃料电池发动机系统总体框图 通常，单独的p e m f c 电池堆无法产生电能，它的正常运行需要一系列的 辅助系统与之配合，共同组成p e m f c 发电系统。p e m f c 发电系统由电堆、氢 气供给系统、空气供给系统、水热管理系统、信号采集与监控系统等组成，各 个系统之间相互配合，使燃料电池发动机系统工作在最佳工作状态。 2 2 燃料电池发动机子系统设计 2 2 1 供电系统 任何一个辅助系统都有自身的控制机构和执行机构，而要想让这些部件正 常工作，首先需要解决的就是系统供电的问题。 由于5 0 k w 燃料电池发动机系统中的燃料电池在正常工作时，电压范围在 直流3 7 0 v 5 5 0 v 之间，p e m f c 系统正常启动之后，由p e m f c 为内部的辅助 系统提供电能，因此辅助系统中的大功率执行部件的输入电压范围应该与燃料 电池的输出电压范围一致，据此，空气供给系统中的风机控制器的输入电压范 围应定为直流3 7 0 v 一5 5 0 v 。水热管理系统中使用的水泵为交流水泵，但是整 个燃料电池发动机系统中没有交流电的供给，因此需要使用变频器进行直流转 6 交流的变换，由于变频器的输入需要稳定的3 1 0 v 直流电压供电，但是由于 p e m f c 输出的电压的变换范围太大，因此需要使用d c d c 将p e m f c 产生的 波动的直流电压转变为可供变频器使用的稳定的直流电压输入。氢气供给系统 中的氢气循环泵控制器正常工作需要2 4 v 的直流电压输入，同时空气供给系统 中的风机控制器的低压输入部分也需要2 4 v 的直流输入才能正常工作，因此 p e m f c 发动机系统中需要使用一个d c d c 将给变频器做输入的稳定的3 1 0 v 电压转变为稳定的2 4 v 直流电压。此外，控制系统中使用的p e m f c 发动机控 制器，信号采集板，以及单片电压巡检系统等电路板都需要1 2 v 的直流电压供 电，水热管理系统中使用的冷却风扇同样需要1 2 v 的直流电压供电，因此 p e m f c 发动机辅助系统中需要一个将燃料电池输出电压转变为1 2 v 直流电压 的d c d c 。 由于p e m f c 发动机系统无法自行启动，因此开始p e m f c 没有直流电压输 出，p e m f c 发动机的各个辅助系统也无法工作，因此，辅助系统的供电在一开 始必须有外部的高压输入，电压范围在直流3 7 0 v 一5 5 0 v ，当p e m f c 发动机系 统正常运转，电堆正常产生电能之后，再将系统切换至燃料电池自供电方式。 外部的电能供给在燃料电池中巴车上可以使用锂电池，在实验室测试阶段可以 使用变压器和整流桥将市电转为3 7 0 v 5 5 0 v 直流电压输出。 综上所述，5 0 k w 质子交换膜燃料电池发动机的供电系统框图如图2 2 所 示。 7 武汉理工大学硕士学位论文 图2 2 燃料电池发动机的供电系统框图 2 2 2 空气供给系统 p e m f c 发动机的氧化剂可以使用纯氧或者空气，如果使用纯氧作为氧化 剂，那么它的系统组成和控制方式和纯氢作为燃料的控制方式类似。但是，使 用纯氧作为氧化剂，需要额外的储气储，成本较高，会占据额外的空间，并且 要定期补给，给后期的维护和运行带来不便 1 8 , 1 9 。因此，p e m f c 一般采用空气 作为氧化剂。根据不同的应用场合，作为氧化剂的空气可以是常压的，也可以 是经过压缩之后得到的。如果采用常压的空气作为氧化剂，那么系统的会非常 的简单，但是由于p e m f c 的性能会随着氧气压力的升高而增强，因此，在同 等的电池性能的前提条件下，使用常压空气作为氧化剂的p e m f c 系统的尺寸 会更大，制造成本会更高【2 0 】。由于这个原因，在许多p e m f c 的应用中，较多 采用的是使用压缩空气作为氧化剂的方案。在本文所描述的5 0 k w 燃料电池发 动机系统中，同样是使用压缩空气作为氧化剂，空气供给系统结构框图如图2 3 所示。 武汉理工大学硕士学位论文 d c 4 0 0 v i 燃料电池 d a 模 z k +z k 主控制器 输 拟直流无刷 给 风机控制器空气压缩机 l i o h l 出 电机 定 脉冲给定 i n + i n 1个 ll 2 2 3 热管理系统 d c 2 4 v 图2 - 3 空气供给系统结构框图 为了确保p e m f c 的电化学反应正常进行，我们还应该严格控制p e m f c 的 温度，为达到此目的，必需设计一套热管理系统。 p e m f c 电池组在高功率状态下运行时，能量转换效率约为4 0 ，在低功 率状态下运行时，能量转换效率可达到6 0 2 1 2 2 , 2 3 1 。因此，在p e m f c 发动机 系统工作时，约有4 0 6 0 的热量必须被排出，以此来维持电池组工作温度 的稳定【2 4 ，2 5 1 。到目前为止，对于p e m f c 电池组采用的散热方式是冷却液循环 散热，冷却液可以是纯水，也可以是水和7 , - - 醇的混合液 2 6 , 2 7 】。对于小功率的 p e m f c 电池组，也常采用空气冷却方式。若采用水作为冷却液，那么必须使用 去离子水，对于水的电导有着严格的要求，如果水受到污染，则电导率会升高， 这样以来，电池组的冷却液流经的管道内会发生轻微的电解反应，产生氢气和 氧气的混合气体，这将会影响p e m f c 发动机系统的安全运行。若冷却剂使用 水与乙二醇混合液，冷却电阻将增大，但冷却剂的比热容将会降低，导致循环 量必须要增大，同时，若冷却剂被金属离子污染，那么去除金属离子的难度远 高于去除纯水中的金属离子【2 8 ，2 9 川。水中的金属离子可以通过离子交换法去除。 5 0 k w 质子交换膜燃料电池发动机热管理系统框图如图2 4 所示。 9 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - 4 热管理系统框图 5 0 k w 质子交换膜燃料电池发动机热管理系统由变频器、水泵、冷却液、 水箱和冷却风扇组成。热管理系统的运行目标是在p e m f c 发动机系统在正常 运行时维持p e m f c 的温度，使其保持在6 3 c 左右。热管理系统中的冷却液使 用去离子水在对p e m f c 的温度控制中，主要是通过冷却液流过p e m f c 内部， 带走p e m f c 的热量，然后通过散热器和冷却风扇降低冷却液的温度。 2 2 4 控制系统 5 0 k w 燃料电池发动机控制系统框图如图2 5 所示。 燃料电池信号采集板 冈翮l单元l 芝 豇 潞 二：-k丢云磊丢丢j_訇燃i料电sj池a主i o 控0 0 刹 图2 5 信号采集与监控系统框图 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 信号采集与监控系统由两块分布式电路板组成，其中一块电路板称为信号 采集板，它专门用来采集p e m f c 发动机系统中的各项性能参数，而另外一块 电路板称为控制板，它专门负责控制p e m f c 发动机系统中的各个执行部件。 两块电路板之间使用c a n 总线进行通讯，这样，控制板就可以实时地采集到 p e m f c 发动机系统中的各类参数，并据此来控制执行部件的运转。同时，控制 板会将p e m f c 的工作状况通过信号线上传至p c 机，由p c 机进行数据处理。 这样，信号采集和监控系统就达到了监测数据和控制p e m f c 发动机系统运行 的目的。 2 3 燃料电池发动机系统关键技术 2 3 1 控制系统设计 信号采集和监控系统是p e m f c 发动机系统的控制中心，为了使p e m f c 发 动机系统在外部供电正常的情况下能够正常运行，以及在运行过程中能够自动 调节自身系统的性能参数，而尽量减少人为的干预和调节，则离不开信号采集 和监控系统。信号采集和监控系统主要负责以下几个方面的工作：首先，它控 制p e m f c 发动机系统的正常启动和正常停机；其次，它在p e m f c 发动机运行 时控制各项性能参数在正常范围之内；再次，他对p e m f c 发动机系统的运行 状态进行监测、判断，并且能够发现系统中可能会出现的故障，提前做出预判， 但故障出现时，能够自行停止发动机的运转，以防止损坏p e m f c 或者辅助系 统中的执行部件，同时，发出报警信号，提醒操作人员注意，并且保存发生故 障时的各项参数，以供事后操作人员分析故障原因。 2 3 2 热管理系统控制策略研究 对于燃料电池发动机系统的热管理，实质上就是对p e m f c 的温度的控制。 温度对p e m f c 的工作性能有着显著的影响，p e m f c 的温度特性由它的电解质， 也就是质子交换膜决定。5 0 k w 燃料电池发动机系统中使用的电解质，在温度 超过7 0 时，它的质子传导性能和热稳定性将严重下降，电导率下降，电池性 能降低。因此为了防止质子交换膜在干燥和超温的条件下运行，p e m f c 的最佳 工作温度应该低于7 0 。另一方面，温度升高，对反应物分子朝向电极扩散、 武汉理工大学硕士学位论文 质子传导、阴极产物水的排出和电催化反应动力学等等过程都比较有利。在 p e m f c 的正常工作温度范围内，温度每升高1 0 ，质子交换膜的电导率会增加 2 0 左右，温度每增加l ，单片电池的电压将会提高l 1 2 5 m v 。所以，保持 p e m f c 内部的热平衡，让其在一定的温度范围内稳定运行，是非常必要的。 p e m f c 的热管理系统有以下几个方面的主要职能，首先，它需要对p e m f c 的进出口温度进行准确的测量和监控；其次，在p e m f c 温度超过指定温度时， 必须进行有效的散热；再次，保持p e m f c 内部温度的均匀分布。因此，p e m f c 发动机的热管理，就是要实现合理散热，保持p e m f c 工作的最佳温度，燃料 电池的进堆水温能够根据环境温度进行调控。在目前的实际应用中，主要采用 的冷却方式是冷却水循环方式，其中在p e m f c 在大功率密度条件下运行时， 必须采用这种方式。p e m f c 在正常运行时的单片电池平均电压一般在 0 6 0 v 0 7 5 v 之间，此时p e m f c 的能量转化率为5 0 一6 0 。在不同的车辆 运行条件下、不同的气候条件下，p e m f c 热管理系统始终要确保p e m f c 在安 全的温度范围内工作，并且尽量将其温度保持在最佳的工作温度，以达到稳定、 高效的运行。为满足此目标，应该将p e m f c 的工作温度控制在6 0 7 0 范 围内，这是5 0 k w 燃料电池的最佳工作温度范围。为了保证p e m f c 内部温度 分布均匀，冷却水的进出堆温度的温差一般应小于l o ，如果能将此温差控制 在5 c 以内，性能更佳。因此，为了满足p e m f c 工作时对热管理系统的要求， 在结构上必须要合理的选择水泵、散热器、传感器、控制设备等，热管理系统 必须实现发动机冷却液温度的自动控制与自动调整。对于p e m f c 发动机系统 的热管理控制系统的研究也成为了当今车载p e m f c 研究领域中的另一项重要 任务。 2 4 本章小结 本章设计了5 0 k wp e m f c 发动机系统的总体结构。分别从供电系统、供气 系统、热管理系统、信号采集与监控系统几个方面分析了发动机辅助系统的主 要组成部分，描述了各个组成部分的工作方式，最后探讨了p e m f c 发动机系 统的稳定运行的关键技术。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章燃料电池发动机控制系统设计 为了使燃料电池发动机系统更加稳定可靠地运行，必须设计可靠的控制系 统，本章设计了燃料电池发动机控制系统的硬件框图，提出了c a n 总线转u s b 的通讯方式，并对c a n 总线转u s b 模块进行了硬件和软件的设计。 3 1 信号采集单元设计 目前的5 0 k w 质子交换膜燃料电池发动机控制系统主要由三大部分组成， 一部分是以信号采集板为核心的燃料电池运行参数实时采集单元，第二部分是 以燃料电池主控制器和核心的燃料电池控制单元，第三部分是与完成与p c 机 进行通讯的c a n 总线转u s b 模块。燃料电池信号采集板的电路框图如图3 - 1 所示。 图3 1 燃料电池信号采集板电路框图 信号采集的输入信号来自于p e m f c 发动机系统内部的温度、压力、电压、 电流等传感器，由于p e m f c 发动机系统内部的传感器种类较多，因此传感器 武汉理工大学硕士学位论文 输出的信号也各不相同，有4 2 0 m a 的电流信号，也有0 5 v 的电压信号，由 于信号采集板a d 转换电路中所使用的a d 转换芯片为t l c 2 5 4 3 ，它的模拟信 号输入端只能是0 5 i 的电压信号，所以信号采集板将p e m f c 发动机系统中 的各类传感器传送来的信号，经过滤波电路之后，统一转换成为了0 5 y 的电 压信号。a d 转换电路输出的数字信号为5 1 的t t l 电平信号，而 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 只能传输3 3 矿的c m o s 电平信号，为了保证a d 芯片与d s p 能够正常通讯，中间必须增加一级光耦隔离电路。a d 转换芯片t l c 2 5 4 3 的输 出信号与t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 通过s p i 总线进行通讯。信号采集板的d s p 使用到的 另外两个重要的模块是s c i 模块和c a n 模块，c a n 模块用于和燃料电池发动 机主控制器进行c a n 通讯，将信号采集板采集的温度、压力、电压、电流等性 能参数发送给燃料电池主控制器。s c i 模块用于和计算机进行串口通讯，在 p e m f c 发动机系统调试的初期，由于系统中的传感器较多，若燃料电池主控制 器出现了显示的信号参数与真实的信号参数不一致的情况，使用信号采集板的 s c i 模块可以方便的判定是信号采集板采集数据的过程中出现了问题，还是信 号采集板与燃料电池主控制器在进行c a n 通讯的时候出现了问题，导致数据错 误。因此，s c i 模块在p e m f c 发动机系统的前期调试过程中，是一种直观的调 试工具，能够帮助调试人员尽快找到调试中出现问题的原因所在。信号采集板 的s c i 模块的另一个重要的作用是它可以和p c 机一起配合使用来完成模拟电 堆性能参数的功能。由于p e m f c 发动机最终在中巴车上运行时，被封闭在箱 子内部，只留出必要的进出口，安装在中巴车尾部并且固定。在这样的情况下， 我们对于p e m f c 发动机系统的运行状况的了解没有在仅仅测试p e m f c 发动机 系统的时候那么直观和方便，所有的运行状况只能依赖于中巴车上的监控系统。 但是中巴车在运行时，整车性能参数的数据量非常庞大，加上驾驶人员在驾驶 过程中，没有精力观测整车内部的性能参数，此时若p e m f c 发动机系统出现 问题，驾驶人员将无法意识到p e m f c 发动机系统内部的故障，也无法做出任 何应急的响应，这样会加速故障的进一步恶化，严重时将损坏燃料电池。为了 避免这种情况的出现，必须为p e m f c 发动机系统设计响应的管理保护机制。 目前燃料电池系统三层管理保护机制如表3 1 所示。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 表3 1 燃料电池系统三层管理保护机制 管理保护手段触发条件触发指标及保护方法 氢源耗尽高压氢气压力7 b a r 严重故障进堆氢压0 4 b a r 系统自关机 风机压力o 0 b a r 水泵压力0 5 关机切换到纯电动 氢源基本耗尽高压氢气压力l o b a r 电堆总电压偏低电堆总电压3 8 5 v 输出电流降至2 0 a ，3 秒后恢复 出堆温度过高电堆出堆温度 6 5 度，输出电流降至 2 0 a ，5 秒后恢复 降载保护 出堆温度过低电堆出堆温度2 0 度，输出电流限 制在4 0 a 以下，直至温度达到2 0 度以 上 单体电池电压偏单片电池电压o 3 5 v 低输出电流降至2 0 a ，3 秒后恢复 表3 1 中所列出的情况对于p e m f c 发动机系统都会带来不同程度上的损 害，因此上述情况应该在p e m f c 发动机系统运行时尽量避免，但是在为燃料 电池主控制器编写了相应的保护程序之后，必须要做相应的测试来检验燃料电 池主控制器中的程序是否能够起到保护p e m f c 发动机系统的作用，也就是说， 只有表中所列出的所有故障全部出现过，才能验证燃料电池主控制器中的程序 是否合理，若有不合理的地方，程序必须修改，并且相应的故障必须再次出现 才能验证修改后的程序是否合理。这种操作方式会对p e m f c 发动机系统带来 巨大的损害，同时也会降低调试的效率。为了克服这对矛盾，提出以下的调试 方案，如图3 2 所示。 武汉理工大学硕士学位论文 p c 机1 行通讯 s c ii 通l 讯i 燃料电池信号采集板 到阿羽 芝 缸 游 嗍2 矧引怒 图3 2p e m f c 发动机系统模拟调试方案 图中，p c 机1 作为模拟电堆参数的发送方，燃料电池信号采集板作为模拟 电堆参数的数据接收方，p c 机1 通过特定的电堆性能参数模拟软件，将模拟电 堆参数通过s c i 总线发送至燃料电池信号采集板，燃料电池信号采集板接收到 串口发送过来的模拟数据之后，按照先前制定好的协议将数据分门别类存储在 特定的数组中，然后通过电路板上的c a n 通讯单元将数据发送至燃料电池主控 制器，对于燃料电池主控制器来说，这样的一组数据与p e m f c 发动机系统实 际运行过程中的数据没有分