1 引言

由于傳統(tǒng)汽車使用的化石燃料正在逐年減少，同時(shí)汽車尾氣排放造成的環(huán)境污染仍沒(méi)有得到有效的改善，新能源汽車發(fā)展迅速，其中氫燃料電池汽車以其高效、清潔等優(yōu)勢(shì)受到了廣泛關(guān)注。質(zhì)子交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC)具有能量轉(zhuǎn)換效率高、可低溫運(yùn)行、可靠性高和零排放等優(yōu)點(diǎn)，在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣闊。

電堆的工作溫度是影響電堆輸出性能和壽命的關(guān)鍵因素之一。一方面，溫度過(guò)高將會(huì)導(dǎo)致液態(tài)水蒸發(fā)增加，使質(zhì)子交換膜脫水，影響燃料電池的性能;另一方面，溫度過(guò)低則會(huì)減少液態(tài)水的蒸發(fā)，降低化學(xué)反應(yīng)速度，使燃料電池性能下降。一般地，電堆的正常工作范圍在 60～100 ℃，而 PEMFC 在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，因此需要對(duì) PEMFC 進(jìn)行有效的熱管理。

目前，PEMFC 熱管理控制方法主要有PI(Proportion Integration)控制、狀態(tài)反饋控制、預(yù)測(cè)控制和模糊控制等。O’Keefe 等設(shè)計(jì)了 PI控制器用于控制水冷型燃料電池溫度，該控制器通過(guò)調(diào)節(jié)進(jìn)入電堆的水流量來(lái)控制電堆的工作溫度。PI 控制的原理簡(jiǎn)單、使用方便，目前傳統(tǒng) PI 控制已廣泛用于 PEMFC 熱管理中，但 PI 控制存在響應(yīng)速度慢、調(diào)節(jié)時(shí)間長(zhǎng)等缺點(diǎn)。另外，狀態(tài)反饋控制、預(yù)測(cè)控制等方法也被應(yīng)用到PEMFC 熱管理中，但燃料電池固有的非線性特性以及參數(shù)的不確定性使得這些控制方法的應(yīng)用具有一定難度。模糊控制響應(yīng)速度快、抗干擾能力強(qiáng)，尤其適用于滯后系統(tǒng)的控制，被不少學(xué)者應(yīng)用于 PEMFC 熱管理中。Wang等設(shè)計(jì)了模糊控制方法，通過(guò)調(diào)節(jié)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速來(lái)控制電堆的溫度，與 PI 控制的對(duì)比結(jié)果表明，模糊控制具有優(yōu)越性。胡鵬等考慮了克服外部負(fù)載的干擾，并采用了帶積分的模糊控制器實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)冷卻水的流量，結(jié)果顯示該方法能實(shí)時(shí)將電堆的溫度控制在合理的范圍內(nèi)。其中，模糊控制的設(shè)計(jì)主要依靠專家的經(jīng)驗(yàn)，因此為了充分利用模糊控制的優(yōu)點(diǎn)，需要對(duì)模糊控制方法進(jìn)行優(yōu)化，使模糊控制的精度更高。

另外，為驗(yàn)證 PEMFC 熱管理方法的有效性，目前大多數(shù)相關(guān)文獻(xiàn)采用階躍負(fù)載信號(hào)的方式進(jìn)行。而氫燃料電池汽車在實(shí)際行駛中會(huì)有加速、勻速、減速等過(guò)程，工況的變化會(huì)更頻繁且復(fù)雜。因此，需要采用適合氫燃料電池汽車的負(fù)載來(lái)驗(yàn)證 PEMFC 熱管理方法。

本文提出一種模糊控制方法用于PEMFC熱管理中，使電堆的出入口溫度穩(wěn)定在目標(biāo)溫度值。同時(shí)，以電堆的出入口溫度和目標(biāo)溫度值之間的誤差更小、控制系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間更短為目標(biāo)，通過(guò)遺傳算法對(duì)模糊控制器的隸屬度函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。其中，基于遺傳算法優(yōu)化模糊控制的方法雖在其他領(lǐng)域已有一些應(yīng)用，但在PEMFC 熱管理控制領(lǐng)域還鮮有應(yīng)用。本文選用Autonomie 中的一款氫燃料電池混合動(dòng)力汽車，設(shè)計(jì)一種基于規(guī)則的能量管理策略，并采用兩種標(biāo)準(zhǔn)工況作為熱管理方法的驗(yàn)證條件，對(duì)所提出的熱管理方法進(jìn)行驗(yàn)證，并與未優(yōu)化的模糊控制進(jìn)行性能比較。結(jié)果顯示，在對(duì) PEMFC 電堆出入口溫度的控制中，經(jīng)過(guò)優(yōu)化的模糊控制明顯優(yōu)于未優(yōu)化的模糊控制，具有更好的溫度調(diào)節(jié)能力，可以更好地降低外部負(fù)載的擾動(dòng)，與設(shè)定值的偏差也更小。

2 PEMFC 熱管理系統(tǒng)模型

本文設(shè)計(jì)的 PEMFC 熱管理系統(tǒng)模型包括電堆溫度動(dòng)態(tài)模型、水箱模型和散熱器模型。在氫燃料電池車運(yùn)行過(guò)程中，PEMFC 在提供動(dòng)力的同時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，為了使電堆的工作溫度在合理的范圍內(nèi)，需要冷卻水泵和散熱器一起工作來(lái)將多余的熱量帶走。在本文的 PEMFC 熱管理系統(tǒng)中，電堆產(chǎn)生的熱量被冷卻水泵通過(guò)控制冷卻水流量先帶到水箱處，然后將熱量帶到散熱器處，由散熱器通過(guò)控制散熱器風(fēng)量，將熱量排放到空氣當(dāng)中，具體如圖 1 所示。本文假設(shè)冷卻水中的溫度均勻，并將電堆出口冷卻水溫度作為電堆出口處的溫度，將散熱器的出口溫度作為電堆的入口處溫度。同時(shí)，本文假設(shè)其他輔助系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)下不影響電堆的工作溫度。

2.1 電堆溫度動(dòng)態(tài)模型

3 PEMFC 熱管理控制方法設(shè)計(jì)

3.1 模糊控制方法設(shè)計(jì)

本文建立兩個(gè)曼達(dá)尼型的二維模糊控制器，對(duì)電堆出入口溫度進(jìn)行控制。針對(duì)電堆出口溫度控制，根據(jù)本文選用的電堆，

在對(duì)電堆出口溫度控制時(shí)，將模糊控制的輸入、輸出量都劃分為 5 個(gè)模糊子集，即 NB(負(fù)大)、NS(負(fù)小)、ZO(零)、PS(正小)和 PB(正大)。選取電堆出口溫度誤差和溫度誤差變化率的模糊論域?yàn)閇-3, 3]，選取冷卻水流量的模糊論域?yàn)閇0, 1]。同樣在設(shè)計(jì)電堆入口溫度控制器時(shí)，選取電堆入口溫度誤差和溫度誤差變化率的模糊論域都為[-3, 3]，選取散熱器風(fēng)量的模糊論域?yàn)閇0, 1]。

本文提出采用遺傳算法優(yōu)化模糊控制器的隸屬度函數(shù)，如圖 4 所示。未經(jīng)優(yōu)化的隸屬度函數(shù)選用均勻分布的隸屬度函數(shù)，并使用三角形形狀的隸屬度函數(shù)，如圖 5 所示。本文采用 ifthen 模糊控制規(guī)則設(shè)計(jì)模糊推理系統(tǒng)，針對(duì)被控變量分別制定了 25 條模糊規(guī)則。表1為電堆出入口控制器的控制規(guī)則，模糊推理后，反模糊化采用加權(quán)平均法。

3.2 基于遺傳算法的優(yōu)化

本文提出使用遺傳算法優(yōu)化模糊控制器的隸屬度函數(shù)的中心和寬度，從而提高模糊控制器的精準(zhǔn)度和穩(wěn)定性。

3.2.1 遺傳編碼

4 仿真結(jié)果

為了驗(yàn)證本文所提出的 PEMFC 熱管理控制方法的有效性，選取一款氫燃料電池混合動(dòng)力汽車，針對(duì)燃料電池和電池的混合動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)一種簡(jiǎn)單的能量管理策略，并根據(jù)第2小節(jié)和第3小節(jié)的內(nèi)容，在計(jì)算機(jī)仿真環(huán)境下，對(duì)所提出的方法進(jìn)行仿真。

4.1 仿真條件

4.1.1 氫燃料電池汽車與行駛工況

為了使仿真結(jié)果更加接近氫燃料電池車在運(yùn)行過(guò)程中燃料電池的工作狀態(tài)，本文選用Autonomie 軟件中的一款氫燃料電池汽車，其中燃料電池作為主動(dòng)力源，電池作為輔助動(dòng)力源。表 2 為整車以及動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)。本文選用WLTC(The Worldwide Harmonized Light Vehicles Test Cycles)和 HWFET(Highway Fuel Economy Test)兩種工況。其中，WLTC 工況是全球統(tǒng)一輕型車輛測(cè)試工況的一部分，該工況取代了NEDC(New European Driving Cycle)測(cè)試工況，包括 4 個(gè)速度范圍。圖 6 顯示了兩種工況周期以及速度與時(shí)間的關(guān)系。

4.2 結(jié)果分析

4.2.1 PEMFC 輸出功率結(jié)果

圖7為兩種工況下燃料電池工作效率點(diǎn)和燃料電池曲線。圖9為HWFET和WLTC兩種工況下能量管理策略的功率輸出結(jié)果。從圖7和圖9可以看出，車輛所需功率由電池和燃料電池一同提供，PEMFC 提供主要工作需求功率，同時(shí)燃料電池的工作效率點(diǎn)始終保持在高效率區(qū)間。

4.2.2 隸屬度函數(shù)優(yōu)化結(jié)果

WLTC 工況是目前全世界通用的、更加符合實(shí)際道路狀況的車輛行駛工況。本文選擇該路況使用遺傳算法分別對(duì)應(yīng)用在電堆出入口的模糊控制器進(jìn)行優(yōu)化。將遺傳算法的種群大小設(shè)為100，遺傳代數(shù)設(shè)置為100，交叉率為 0.9，變異率為 0.1。圖10為電堆出入口模糊控制器優(yōu)化后的隸屬度函數(shù)。

4.2.3 電堆出入口溫度控制結(jié)果

圖11為HWFET和WLTC工況下電堆的出入口溫度曲線?？梢钥闯鲈谶z傳模糊控制下，出口溫度和入口溫度之差保持在5 ℃ 左右，且出入口溫度與設(shè)定目標(biāo)值溫度的誤差均在-1～1 ℃。

如表 3 所示，經(jīng)過(guò)優(yōu)化的模糊控制，電堆出入口溫度的最大偏差全部下降。相對(duì)于模糊控制，經(jīng)過(guò)遺傳算法優(yōu)化的模糊控制器有著更快的響應(yīng)速度和較小的誤差。

當(dāng)負(fù)載增加時(shí)，燃料電池將產(chǎn)生更多的熱量。因此，為確保電堆處于穩(wěn)定安全的溫度環(huán)境，冷卻水流量和散熱器風(fēng)量都將隨著負(fù)載的增加而增大，這時(shí)，冷卻水帶走的熱量也會(huì)增大。反之，當(dāng)負(fù)載減小，冷卻水流量和散熱器風(fēng)量均隨負(fù)載的減少而減小，冷卻水帶走的熱量也相應(yīng)地減少，如圖 12～13 所示。考慮到實(shí)際應(yīng)用中冷卻水泵不能頻繁啟停，所以針對(duì)以上兩種工況，本文將設(shè)置最小水流量。

5 討論與分析

電堆溫度的變化會(huì)影響氫燃料電池汽車的輸出性能以及安全性，因此需要應(yīng)用合理的熱管理方法來(lái)使電堆溫度保持在合理的工作溫度。本文中，燃料電池具有非線性和參數(shù)的不確定性等特點(diǎn)，并且電堆溫度的變化具有滯后性。本文提出使用模糊控制方法對(duì)電堆出入口溫度進(jìn)行控制，但模糊控制的設(shè)計(jì)主要依靠專家的經(jīng)驗(yàn)，因此本文進(jìn)一步地提出應(yīng)用遺傳算法優(yōu)化模糊控制器的隸屬度函數(shù)。目前應(yīng)用遺傳算法優(yōu)化模糊控制的方法相對(duì)成熟，已被應(yīng)用到其他領(lǐng)域，而本文將此方法應(yīng)用到 PEMFC 熱管理中。通過(guò)使用遺傳算法優(yōu)化模糊控制，在 HWFET 工況下，相對(duì)于未優(yōu)化的模糊控制，電堆的出入口溫度與目標(biāo)溫度的最大偏差分別降低了 0.9 ℃ 和 1.1 ℃。在WLTC 工況下，與未優(yōu)化的模糊控制相比，電堆的出入口溫度與目標(biāo)溫度的最大偏差分別降低了1.28 ℃ 和 1.23 ℃。

目前，驗(yàn)證熱管理方法的工作負(fù)載通常使用階躍負(fù)載信號(hào)。但車輛的工況變化頻繁，從而 PEMFC 的工作負(fù)載也會(huì)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。本文針對(duì)上述問(wèn)題，提出一種新的負(fù)載模式，即選用 Autonomie 中的一款車，選取兩種道路工況進(jìn)行能量管理，得出需要PEMFC提供的工作負(fù)載，并以此作為熱管理方法驗(yàn)證的工作負(fù)載。

本文的不足之處在于雖簡(jiǎn)化了控制模型，但忽略了電堆溫度從常溫開(kāi)始升高到目標(biāo)溫度的這一過(guò)程。同時(shí)，本文建立的 PEMFC 熱管理模型相對(duì)簡(jiǎn)單，下一步可以加上旁路閥，并設(shè)置大小循環(huán)，使模型更加完整。當(dāng)電堆溫度比較低時(shí)，開(kāi)啟小循環(huán)并對(duì)冷卻水進(jìn)行加熱，通過(guò)旁路閥控制冷卻水進(jìn)入電堆的溫度，從而使電堆溫度快速升高到合理的工作溫度;當(dāng)電堆溫度超過(guò)目標(biāo)溫度時(shí)，開(kāi)啟大循環(huán)，對(duì)電堆進(jìn)行冷卻降溫。

6 結(jié)論

本文針對(duì)車用 PEMFC 的熱管理，提出使用模糊控制的方法對(duì)電堆出入口溫度進(jìn)行控制。為了使電堆的出入口溫度具有更好的調(diào)整能力，提出使用遺傳算法優(yōu)化模糊控制器。為了驗(yàn)證所提出的控制方法，選取一款燃料電池混合動(dòng)力汽車，設(shè)計(jì)了燃料電池混合動(dòng)力汽車的能量管理策略，使 PEMFC 工作在高效率區(qū)，并在 HWFET 和WLTC 兩種標(biāo)準(zhǔn)工況下驗(yàn)證所提出的 PEMFC 熱管理方法。結(jié)果顯示，當(dāng)工作負(fù)載連續(xù)變化時(shí)，經(jīng)過(guò)遺傳算法優(yōu)化的模糊控制方法展示出較好的性能。電堆出口與入口的溫度差維持在 5 ℃ 左右，出入口溫度與目標(biāo)溫度的誤差均在-1～1 ℃，并且，相對(duì)于未優(yōu)化的模糊控制，電堆出入口溫度與目標(biāo)溫度的誤差均有降低。本文所提出的方法針對(duì)兩種測(cè)試工況，電堆的出入口溫度表現(xiàn)出更強(qiáng)的響應(yīng)能力，有效地修正了溫度動(dòng)態(tài)誤差，提高了熱管理方法的控制精度。

文章轉(zhuǎn)載自《集成技術(shù)》