【《燃料电池热管理系统在车用工况下的仿真分析案例》3800字】

PAGE第页，共页PAGE2燃料电池热管理系统在车用工况下的仿真分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u4289燃料电池热管理系统在车用工况下的仿真分析案例 1236081.1整车能量管理策略建模 1247931.2极端高温爬坡工况下仿真研究 4164691.3极端低温工况下的仿真研究 8129201.4常温NEDC仿真研究 9要满足热管理系统的车用工况条件，需要搭建电-电混合燃料电池汽车整车模型，并根据能量流动途径制定能量管理策略，适用于热管理系统在全工况下仿真。燃料电池汽车在实际运行过程中的工况复杂多变，国内地区某些区域夏天极端高温可达40°C以上，冬季极端低温低至-20°C以下，车辆在这两种极端温度工况下运行，仍要保证电堆在合理，安全，甚至高效的温度范围内工作是一件并不容易的事情。本章将选取三种工况，即极端高温工况、极端低温工况和常温下普通NEDC工况，对上文所搭建燃料电池热管理系统模型进行仿真和性能验证，使该系统满足高低温、常温各种状态下的热管理需求。并在仿真研究过程中适当调整模型和优化控制策略，使之更好地满足控制性能目标。1.1整车能量管理策略建模要验证热管理系统在整车工况下的性能，需要搭建整车模型并确定车辆在工况下行驶过程中的能量流动途径。燃料电池存在负载快速变化时动态行为滞后的问题，其动态性能较差，另一方面，电堆在整车行驶过程中无法进行制动能量回收，且具有在某些低功率工况下有电堆输出效率低的缺点，因此目前燃料电池汽车一般都会采用动力电池作为整车第二动力源，满足制动能量回收及某些电堆低效率时输出的要求。本文选用电堆及动力蓄电池参数如表1.1所示。表1.1所选电堆及动力电池参数表燃料电池汽车有电堆和动力电池两个动力源，在复杂多变的工况下，频繁启停变速，由驱动电机为整车提供动力，驱动车辆行驶。燃料电池电堆和动力电池为驱动电机提供能量，整车行驶能根据工况以不同工作模式运行，不同工作模式能量流动方向不同，因此有必要考虑整车能量流动途径，作为能量管理策略的基础。汽车在怠速启停过程中功率需求低，此时不宜开启电堆供电。本文选用10kW作为纯电动驱动与电堆驱动临界值；电堆维持60kW工作输出效率高，超出60kW的功率需求时蓄电池作为辅助电源一同供电。动力电池SOC阈值选取30%与70%，在荷电状态处于0.3～0.7范围内，蓄电池可以正常供电，低于0.3下限范围，电堆单独给电机提供电能并且提供额外功率为动力电池充电。具体能量管理策略如下所示。表1.2整车能量管理策略根据整车工作模式确定了车辆在行驶过程中的能量管理策略，并结合此控制，在GT-Suite平台搭建行驶工况下的整车模型如图1.1所示。图1.1整车模型由于所选动力蓄电池容量较大，现选定蓄电池初始状态SOC值为0.4，采用NEDC工况仿真5个循环以上，仿真时间选定6000s，观察仿真结果。由整车工况需求，即电机需求功率，如图1.2所示，对比行车过程中动力电池和燃料电池功率分配状况，如图1.3所示，可知当整车功率需求小于10kW时，车辆由纯电动驱动，大于10kW时由燃料电池电堆单独驱动。图1.2NEDC工况下电机需求功率图1.3动力电池与燃料电池功率分配状况观察动力电池SOC变化情况，发现其荷电状态由初始的0.4，在整车行驶近3个NEDC循环后，下降至SOC下限阈值，之后整车由燃料电池电堆给电机供电，并将多余电量用于蓄电池充电，使动力电池SOC充至上限0.7后停止，电池SOC值始终维持在0.3至0.7工作区间内，保证了整车在其他复杂工况大功率运行的需求。由此可见，整车模型在NEDC工况中低功率输出的情况下，能够很好的体现出车辆纯电动模式、电堆单独驱动及充电模式的能量管理策略要求。该整车模型为下文燃料电池热管理系统的搭建和仿真提供了较好的整车环境，满足了验证热管理系统性能的车用条件。图1.4动力电池SOC变化1.2极端高温爬坡工况下仿真研究要验证车用燃料电池热管理模型在各工况下的性能表现，首先考虑极端高温工况，环境温度为40°C的初始条件。高温工况电堆温度高，散热条件恶劣，若所设计热管理温控系统能满足整车高温工况下的散热需求，在常温工况下也应该有较好表现。为保证电堆输出功率达到最大值，需要设定加速工况与坡度大小增大电机的功率需求。设定极端高温爬坡工况如下图1.5所示：该工况单个循环共1560s，依次包括：车速变化-0～10s的怠速状态，车速为0km/h；10～40s的加速状态，车速0～50km/h；40～500s的匀速状态，车速50km/h；500～530s的加速状态，车速50～90km/h；530～1000s的匀速状态，车速90km/h；1000～1030的加速状态，车速90～120km/h；1030～1500s的匀速状态，车速120km/h；1500～1560s的减速状态，车速120～0km/h。其中设定坡度大小-分别为4%、6%，12%和20%。图1.5设定极端高温爬坡工况燃料电池汽车按照设定的极端高温爬坡工况运行，驱动电机所需牵引功率如图1.6所示。由图可知，整个工况下存在驱动电机功率超过60kW的情况，可用于验证整车能量分配策略中电堆与动力电池混合驱动的工作模式。并且电堆输出功率达到最大值60kW，可用于检验电堆在高温大功率放电下热管理系统的散热性能。图1.6极端高温爬坡工况下电机功率现设定初始环境温度为40°C，极端高温爬坡工况如上，整车运行两个工况循环，若初始SOC设定值低，依据整车能量管理策略，电堆功率除满足整车行驶需求外，剩余电量供蓄电池充电，电堆始终维持在60kW最大值输出。而蓄电池因电量不足无法供能，在整车极端高温工况下超过60kW时难以满足电机功率需求，燃料电池汽车会难以维持上述工况的运行。因此现将动力电池初始SOC值设定为1，满足整车高功率下的极端功率需求，行驶时燃料电池的产热功率如图1.7所示。图5.7电堆产热功率电堆进出口水温信号与阀门开闭状态信号传至Simulink控制模块，作为水泵转速控制依据；电堆入口水温信号作为散热器风扇转速控制的判断条件。具体控制策略如表1.3所示。表1.3电堆热管理系统控制策略由此控制策略进行燃料电池汽车在极端高温爬坡工况下的仿真，其电堆温度、进出口水温结果如图1.8所示。图1.8极端高温爬坡工况下电堆及进出口水温保持用电堆出口水温作为三通阀开闭状态控制信号不变，引入随温度变化的三通阀开度。即由温度传感器将电堆出口水温传递至三通阀，不同温度对应阀门的不同开度大小，避免系统支路瞬间开闭导致电堆入口水温骤变的情况。三通阀开度与温度对应关系如图1.9所示，这里的开度变化率近似传统车中的节温器，靠近全开闭状态时开度变化速率低，中间部分变化速率大，对电堆出口水温更为敏感。图1.9三通阀开度与出口水温对应关系1.3极端低温工况下的仿真研究堆性能影响极大，我国北方地区，冬季时气温会下降至-20°C甚至更低，在这样的极端低温工况下燃料电池不仅输出效率极低，且存在启动困难等问题，电堆长期处在低温条件下放电也会严重影响电堆寿命。本章选取的第二种仿真工况为极端低温工况，用于研究电堆在低温环境下由辅助加热的温度表现。实际过程中，燃料电池汽车在低温冷启动时，蓄电池先给PTC提供能量给自身加热。而本文仅考虑低温工况下蓄电池给PTC供能给电堆加热的过程，设定加热的环境温度下限阈值为10°C，并采用延迟控制满足燃料电池入口水温低于60°C时开启PTC加热，电堆温度高于70°C时关闭辅助加热，维持电堆温度在70°～80°C范围内波动。为应对电堆加热时大迟滞现象，水温的改变总是慢于电堆温度的改变，选用入口水温作为开启PTC加热条件，电堆温度作为PTC终止加热条件。具体判断条件如表1.4所示。表1.4PTC加热控制判断条件采用第四章所设计整车能量管理策略，并增设当电堆温度>0°C再启动整车运行仿真工况的判断控制条件。具体仿真加热表现如图1.10所示。图1.10极端低温NEDC工况下电堆温度表现由图可知，电堆在0°C以下未启动，在514s加热至0°C以上车辆开始运行仿真工况。2000s时电堆平均温度到达60°C左右，之后由PTC开闭控制维持电堆温度在60～70°C范围内波动，保证电堆在高效率点工作。由仿真结果可知，通过辅助加热手段可以实现电堆在极端低温工况下启动进行工作的目标，但加热至0°C以上需514s，2000s到达较高效率输出点，仍说明燃料电池汽车在国内某些极低温工况下下冷启动困难，条件恶劣。一般需要较长预热时间，启动后短时间内较难达到电堆最佳工作点。1.4常温NEDC仿真研究车辆仿真的初始条件，环境温度为25°C，保证常温运行，因为NEDC工况整车驱动电机的需求功率不大，电堆的发热量小，所以仿真循环5个NEDC工况以上，仿真时间6000s，，另外，蓄电池初始SOC设置为0.4，可以使蓄电池供电不足时，由燃料电池负担功率需求并给动力电池充电，达到电堆快速温升的条件，便于观察电堆在NEDC工况中的温控状态，电堆温度及进出口水温的具体表现如图5.11所示。图5.11常温NEDC工况下电堆温度及进出口水温表现由仿真结果可知，前三个NEDC循环中，电堆产热量较小，在电堆温度未达到70°C热管理结构采用小循环保证电堆温升，燃料电池温度和进出口水温一致。三个循环后，动力电池由于初始SOC值低所以耗电量达到下限值停止供电，由电堆满足驱动电机的需求功率并将多余电量给蓄电池充电，此时电堆输出功率达到最大值，电堆迅速温升，达到开启散热支路的温度限值后，由散热模块帮助散热，控制电堆温度维持在目标范围内。图5.12为电堆热管理系统水泵转速和体积流量的表现状况，冷却回路采用小循环时，水泵维持最低转速500RPM，当电堆输出功率大进出口水温温差较大时，控制水泵转速迅速升高，维持进出口水温温差在目标值5°C之内，因电堆充电时温升较快，水泵转速有“上冲”现象，一瞬间转速到达最高值3000RPM，之后降至2600RPM左右，以满足