质子交换膜燃料电池热管理系统研究

展望全世界,燃料的多样化正在不断推进,氢能源的重要程度也在日益提高,氢燃料电池汽车作为未来新能源汽车的发展方向之一,越来越到受世界各国政府和企业的重视。如今燃料电池汽车的推广依然存在众多壁垒,其中不仅仅存在于技术和基建方面,更多的在于人们对于车辆性能的认可。例如燃料电池汽车在极端环境下的工作性能问题,燃料电池只有在适宜温度下工作才可安全、高效,因此需合理设计热管理方案以解决极端环境下燃料电池的散热问题。本文基于某款欧系多功能商用车进行二次开发,根据整车参数与性能需求对整车动力系统进行设计并制定相应的能量管理策略;通过对电堆、电机、动力电池等的产热分析制定整车热管理方案,并对热管理方案进行试验、仿真、优化的过程。首先从实车参数和性能需求出发对动力系统进行设计,制定增程式燃料电池汽车能量管理策略,并基于AMEsim与Simulink进行建模仿真,通过工况测试验证了系统设计的可靠性和所建模型的准确性。然后根据整车散热需求对燃料电池热管理系统、动力电池热管理系统、电机热管理系统进行方案设计、模型搭建、模型验证及性能仿真;最后重点研究了燃料电池热管理系统,并针对系统缺陷进行优化。本文以不同环境下的热管理系统设计方案和燃料电池热管理系统的优化方案作为创新点,实现了整车各部件的正常散热需求。本文通过在电堆热管理回路和动力电池热管理回路加设PTC加热器的方式实现了低温环境下的快速升温;通过在空调制冷系统的基础上增加动力电池液冷支路的方式实现了动力电池高温环境的正常散热;为解决燃料电池热管理系统中水泵、风扇频繁启动,转速频繁变化的缺陷,采用基于状态空间的模型预测控制进行了优化设计,通过建立数学模型,设计基于状态空间的模型预测控制器,实现了稳定系统温度、降低寄生损耗的目的,避免了温控系统迟滞和超调的弊端。经仿真分析,优化后冷却系统相对节能12.5%。