1、第3l卷第3期 2013年O5月 佳木斯大学学报(自然科学版) Journal of Jiamusi University(Natural Science Edition) VoI31 No3 May 2013 文章编号：10081402(2013)03-0338-05 基于MaflahSinulink和AMFSim的tEMb冷却系统联合 俞林炯 ， 陈凤祥 ，贾骁 ，周苏 (1同济大学汽车学院上海201804；2同济大学新能源汽车工程中心汽车学院上海201804) 摘要： 为研究质子交换膜燃料电池发动机冷却系统控制策略，针对45kW PEMFC发动机设 计了综合型冷却系统，运用MatlabS
2、imulink和AMESim软件建立了冷却系统联合仿真模型，模 型主要由冷却循环泵、冷却水管路、膨胀水箱、旁路分流阀、散热器和中冷器组成利用该模型对 PEMFC在各工况点的冷却特性进行了仿真，分析了冷却系统各部件对冷却效果的影响，为制定 PEMFC发动机温度控制策略提供了依据 关键词：PEMFC；冷却系统；AMESim；Simulink；联合仿真 中图分类号：TP3919 文献标识码：A 0 引 言 质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种将化学 能转化为电能的装置，具有运行温度低、功率密度 高、低温启动快、能量转换效率高和零污染等优点， 是很有可能取代内燃机的一种新型汽车动力 源 引 根据PE
3、MFC的实际工作效率，系统运行时产 生的热能几乎和电能一样多，主要包括电化学反应 生成热、欧姆热和外界辐射热，较大的热负荷使燃 料电池热管理成为目前研究的重点之一 热管 理研究的内容是PEMFC系统热量的生成、传递以 及冷却方式，目的是通过合理的热量分配和利用， 促使整个系统在某个温度范围内实现吸放热平衡， 电堆温度场分布均匀，从而使电池高效运行 研究发现，温度的高低对电堆性能影响很大， 低温时电堆内各种极化增强，欧姆阻抗也较大，电 池性能恶化；高温时欧姆阻抗降低，同时较少极 化，有利于提高电化学反应速度和质子在膜内的传 递速度，电池性能变好但温度过高时会导致膜脱 水，电导率下降，电池性能变差
4、，因此，冷却系统 对PEMFC运行有着重要的意义-4 J目前，对于燃 料电池发动机内部的水热管理阐述较多 ，对冷 却系统的研究主要集中在冷却系统试验、水热管理 系统设计以及电堆的温度控制，专门针对冷却系统 的建模仿真较少本研究根据PEMFC发动机的散 热特点，基于现有的燃料电池冷却系统结构，设计 了综合型冷却系统，将中冷器也集成到冷却系统 中，利用Simulink和AMESim两个仿真平台各自的 优势建立了PEMFC发动机冷却系统联合仿真模 型，利用模型对PEMFC冷却系统的冷却效果和影 响因素进行了仿真分析 1 PEMFC冷却系统建模 PEMFC发动机的冷却方式有水冷和风冷两 种，水冷型冷却
5、效果优于风冷型，本文研究的是水 冷式冷却系统，包括冷却循环泵、冷却水管路、水 箱、旁路分流阀、散热器、中冷器以及相应的控制 器，系统结构布置如图1所示 现有的PEMFC发动机冷却系统主要集中在 电堆的冷却，对空气的冷却都是单独考虑，而在本 研究中将PEMFC系统空气端的中冷器也归并人 冷却系统中，以冷却液为主线将PEMFC系统穿起 来，从而为全面分析冷却系统对PEMFC发动机性 能的影响提供可能 冷却系统的模型是在MatlabSimulink和 AMESim两个平台上建立的MatlabSimulink建模 的优势在于可以建立较为简洁的模型，并为模型的 控制提供了大量工具包；AMESim的建模优
6、势是提 供了大量的液压和热力学系统库，为冷却系统的建 模提供了现成模块，建模时不需要深入研究模块内 部的计算机理，从而简化了建模过程，同时能保证 收稿日期：20130325 作者简介：俞林炯(1988一)，男，浙江人，同济大学汽车学院，硕士生，研究方向：质子交换膜燃料电池建模与控制 第3期 俞林炯，等：基于MatlabSimulink和AMESim的PEMFC冷却系统联合仿真 339 模型的准确性联合仿真模型的中冷器和旁路阀模 型在Simulink上建立，其余部分在AMESim平台上 建立 图1冷却系统结构 11 Simulink模型 11I 中冷器模型 中冷器的主要作用是降低空压机出口的空气
7、 温度，间接提高空气相对湿度中冷器入口空气温 度 可由空压机模型求得；人口冷却液温度 幽 可由散热器模型求得，因此，中冷器模型主要 计算出口空气温度和冷却液温度根据传热学原 理，建立水冷逆流式中冷器机理模型： 7口 曲二 = 印。 ( 一 ) 一(7 )( 一z fd ) (1) ，| 眦 r 兰 = cp (吃 一 ) +(hA)(7 一z ) (2) 中冷器模型需要的入口冷却液信号由AMESim中 的散热器模型提供，其余信号由Simulink中的 PEMFC系统模型提供关于本中冷器模型的详细 介绍，可参考本文作者已发表的文献7 112旁路阀模型 旁路阀起到类似于节温器的作用，根据发动机 的
8、工作状态调整通过电堆和中冷器的冷却液流量， 以达到调节冷却强度的作用旁路阀结构简单，为 便于计算，忽略压力和温度变化，得到旁路阀模型： = 幽 Bypass (3) = 。 (1一Bypass) (4) 12 AMESim模型 AMESim Rev 10软件为冷却系统建模提供了 很好的软件平台在信号库、热液压库、冷却库、热 交换库等组件库的支持下，建立了冷却系统模型， 模型基本结构如图2所示 tJ：l “ 管道模块 图2 AMESim模型结构图 121 散热器模型 散热器是整个冷却系统最关键的部件， PEMFC发动机90以上的热量通过散热器散发， 因此，散热器的特性直接决定了整个冷却系统的散
9、热能力在AMESim中散热器是用水一气热交换器 表示的 散热器的散热量主要是冷却液体积流量和风 速的函数，可以表示为： Q =LUT( 。 ，Vair) (5) 冷却液流量 。 可由水泵模型计算得到，风 速由车速和风扇决定风扇的作用是提高流经散热 器表面的风速，从而增加空气流量在AMESim中 风速与车速及风扇开度的对应关系已用实验数据 制成表格，因此，只要风扇开度一定即可计算出风 速增加量为便于计算，假定风扇不启动时风速等 于车速在实际车辆运行中车速和风速之问基本可 以按照一定关系换算过去，因此本假设不影响仿真 的可靠性流经散热器的风速可按下式计算： Va = + (6) =LUT( ) (
10、7) 根据实验数据建立散热器散热量数据表格，通 过冷却液流量和风速查表可得散热器在实验条件 下的散热量Q ，对该散热量做修正即可得到实 际的散热量： 71 一 Qtad red= Qtad exp一“llrad (8) 一 ) exp 其中 为实验条件下人口冷却液和空气的温 差，田 为散热器表面效率 122 水泵模型 PEMFC冷却系统一般采用离心式循环水泵， 水泵的流量和转速成正比在AMESim中，水泵模 型的输入变量是转速，流量计算公式为： 唧= 唧 岬 (9) 水泵进出口的压力随转度的变化而变化， 一 量 变 佳木斯大学学报(自然科学版) 2013年 AMESim中根据水泵的临界转速引入
11、了一个压力 修正因子，在转速不断变化时，对水泵进出口压力 做修正： tan(1000 呷_ +1 fact= 一 (10) P =factPi +(1一 Ct)P。 (11) 水泵焓值的变化主要是由于水泵消耗的轴功 率引起的，水泵进出口冷却液焓值分别为： = 。h( ，P印)+P 呷 (12) ，Hi = h( ，P印) (13) 123 水箱模型 AMESim中的水箱模型是用热力学容器来表 示的水箱内部冷却液和空气之间进行热交换，同 时水箱还可以与外部空气进行热交换水箱内冷却 液和空气的体积之和即水箱总体积，且水箱内空气 认为是理想空气，故可利用理想气体公式计算水箱 内压力 Lo = + D
12、l (14) =蓑4 0dt 2 dt(15) pcoD 眦 dt pcoo 、 警= ( 一P警)(16) T，dTa dVo 警 兰 (17) 124管道模型 在AMESim中管道由多种子模型可选，在本文 模型中根据不同的位置选取了两种子模型，分别为 绝热液压管道和可压缩热力管道AMESim的管道 模型较复杂，涉及大量流体公式，具体可参见 AMESim中Thermal Hydraulic Resistance库中组件 的help文件，在此不再赘言 一 赠 楚 佥 环境温度() 图3环境温度的影响 2模型仿真分析 21仿真参数设定 针对某公司一套实际的45kW质子交换膜燃 料电池系统建立模型
13、，除上述冷却系统外，其余部 分在Simulink中建立，可参见文献8冷却系统 的仿真参数如表所示： 表1冷却系统仿真参数 环境温度 环境压力 Rair Cpcoolant 29815K 101325pa 2882802J!(kgK) (T一27315)+39+3200J(kgK) Cpair 1007 J(kgK) 水泵最高转速 临界转速 扬程 最大流量 水箱容积 22冷却效果影响因素 221环境温度的影响 在150A负载电流下，冷却水泵转速1500rpm， 车速6ms，冷却风扇开度07，冷却液旁通阀开度 09，环境温度从5变到35，根据模型计算电堆 温度、电堆出口冷却液温度和散热器出口冷却液
14、温 度，如图3所示： 从图中可看出，环境温度对PEMFC系统的温 度影响非常明显在当前电堆的运行条件下，环境 温度到达35时，电堆温度已经超过9O环境温 度平均每升高1oC，电堆温度就平均升高1，由此 可见，环境温度对冷却系统的影响非常大，当环境 温度变化时，必须调整相应的控制策略 222水泵转速的影响 在150A负载电流下，环境温度25，车速 m 脚 3 1 第3期 俞林炯，等：基于MatlabSimulink和AMESim的PEMFC冷却系统联合仿真 341 5ms，风扇开度05，冷却液旁通阀开度09时，水 泵转速从1200rpm变到2500rpm，依据建立的仿真 模型，计算PEMFC系统
15、运行至温度稳定时，电堆 温度、电堆出口冷却液温度、散热器出口冷却液温 度、中冷器出口冷却液温度和冷却液流量的关系如 图4、5所示水泵转速的变化直接影响流经系统冷 却液的流量 图4水泵转速对电堆的影响 从图4中可以看出，电堆温度、电堆出口冷却 液温度、散热器出口冷却液温度随冷却液流量的增 大而降低，但梯度不大，当流量超过078kgs后温 度下降梯度更小从图5中可以看出，随着流经中 冷器的冷却液流量的增加，空气温度也下降，但在 0086kgs这个拐点之前下降比较明显，之后下降 趋势变缓和由此可见，冷却液流量对冷却系统性 能的影响是分段的：在流量拐点之前影响较大，拐 点后影响就减小了流量拐点的值随冷
16、却强度的变 化而变化这和文献7的仿真结果一致，也符合理 论 分析的结果所以，调节冷却液流量的方式只有 在一定范围内有效，超出范围后作用就不明显了 流经中冷器的冷却液流量(kgs) 图5水泵转速对中冷器的影响 223风扇开度的影响 在150A负载电流下，环境温度25，车速 5ms，水泵转速1500rpm，冷却液旁通阀开度09 时，风扇开度从04变到08，依据建立的仿真模 型，计算PEMFC系统运行至温度稳定时，电堆出 口冷却液温度、散热器出口冷却液温度、中冷器出 口冷却液温度和空气温度如图6所示 从图中可以看出，电堆出口冷却液温度、散热 器出口冷却液温度都随风扇开度增大迅速降低，最 大调节幅度达
17、到20以上当开度为08时，冷却 液温度已经降了45以下因此，风扇开度对冷却 系统的性能影响非常大，对PEMFC系统温度进行 实际控制时，通过控制风扇的开度调节电堆温度是 最有效的调节方式 图6风扇开度的影响 224车速的影响 车速对冷却系统的影响直接体现在流经散热 器的风速当风扇关闭时，散热器表面的风速完全 由车速决定，但并不等于车速在本模型的仿真中 为了仿真方便而假定风扇关闭时车速等于风速，在 实际情况中风扇关闭时车速和风速之间是可以近 似转换的，因此本模型的假设不影响仿真结果的有 效性 在150A负载电流下，环境温度25，水泵转 速1500rpm，冷却液旁通阀开度0。9，风扇开度0 4，车
18、速从4ms变化到8ms，依据建立的仿真模 型，计算PEMFC系统运行至温度稳定时，散热器 出口冷却液温度和风速的关系如图7所示 从图中可以看出，车速对散热器的冷却效果影 响很大，随着风速升高，散热量也快速增加，同时冷 却水温度迅速下降，可见风速是影响散热量的关键 因素，而风扇的调节作用说到底也是通过增加风速 来实现的 225旁通阀开度的影响 旁路阀根据发动机的工作状况调节通过电堆 和中冷器的冷却液流量，主要起分流的作用有些 PEMFC系统中对流经中冷器和电堆的冷却水流量 做固定比例分流，这种分配只能在某一范围内起到 342 佳木斯大学学报(自然科学版) 2013牟 较好的温度调节作用，而旁通阀
19、可以随时根据发动 机工况随时调节两边的冷却水流量 17 8 () 70 6O 5 0 4 O 58 230 56 225 l 22() 54 l 2l 5 52l 2l 0 50 205 4820 0 46 l9 5 0 5 10 15 20 X：Times 10 图7车速的影响 水泵转速1500rpm，风扇开度05，车速=4m s，旁通阀对电堆的开度从06变化到09，各温度 变化如图8所示 _ 一 一散热器出口冷却液温度 一电堆出口冷却液温度 中冷器出口冷却液温度 一中冷器出口空气渝度 一- 巾一 一一： 7-,7-_一 _ _ ： ： 一 ，一-一一 一 图8旁通阀开度的影响 在一定的冷却
20、强度下，冷却液温度受散热量影 响明显，而电堆的散热量远大于中冷器的散热量， 因此旁通阀的开度对流经电堆的冷却液温度影响 较大，进而影响散热器出口冷却液温度从图8中 可以看出，随着旁通阀开度的增大，流经电堆的冷 却液流量增加，从而进出口温差减小，出口冷却液 温度下降；中冷器出口冷却液温度以及空气温度变 化也不大，随着旁通阀开度的增加，流经中冷器的 冷却液流量减小，与热空气的换热量减小，从而导 致温度升高旁通阀开度较小时中冷器出口温度偏 低，不适合长期工作，为保证电堆温度的均匀，实际 冷却系统中旁通阀开度基本控制在08以上 3 结 论 根据质子交换膜燃料电池发动机的热负荷特 性设计了综合型冷却系统
21、，主要由冷却循环泵、冷 却水管路、水箱、旁路分流阀、散热器、中冷器组成 利用Simulink和AMESim两个平台各自的优势建 立了冷却系统的联合仿真模型，利用该模型在各工 况点分析了冷却系统各部件对冷却效果的影响，仿 真结果表明散热器表面的风速是影响散热量的最 主要影响因素，冷却液流量调节只能在小范围内起 作用，旁通阀开度变化对冷却系统是有影响的 联合仿真模型简化了建模的复杂性，降低了建 模要求，同时提高了模型的准确性，为冷却系统控 制算法的实现奠定了基础，可以对PEMFC发动机 冷却系统总体性能指标进行全面分析，为燃料电池 发动机冷却系统设计与分析提供依据 附录 文中符号 (下转346页)
22、 佳木斯大学学报(自然科学版) 2013血 下弦杆在与腹杆连接的节点处应力较大而较早进 入塑性破坏因此，拱架厚度应按照跨度的不同而 控制在合理范围，而不宜过大以上计算同时说明， 结构的厚跨比按规范 在160 130间取值是合 理的，因此，实际工程的拱架厚跨比可按此选用 2结论与建议 本文经过大量非线性算例分析，确定影响平面 圆弧形桁架拱结构稳定的主要因素有：矢跨比，腹 杆间夹角、弦杆截面和拱架厚跨比其中，最优矢跨 比取值在0203之间；腹杆间夹角与矢跨比相 关，不同矢跨比时取值为30。一6O。时，结构的承载 效率最高建议在实际工程应用中将腹杆间夹角控 制在60。以下，并接近6O。取值以充分发挥
23、结构的 承载性能；弦杆截面能显著影响结构的稳定承载 力，两者间呈线性变化关系；拱架厚跨比达到一定 数值时，结构承载力增大将不再明显，建议将结构 的厚跨比控制在002004之间 参考文献： 1郭彦林，郭宇飞，窦超纯压圆弧形钢管桁架拱平面内稳定性 能及设计方法J北京：建筑结构学报，2010(8)：4553 2JGJ7-2010空间网格结构技术规程M北京：中国建筑工 业出版社，2010 3GB50017“72003钢结构设计规范M北京：中国计划出版 社。2003 (上接342页) 参考文献： 1衣宝廉燃料电池一原理技术应用M北京：化学出工业出 版社，2003：160236 2James L，Andr
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27、anghai，201804，China) Abstract： In order to investigate the control strategy of cooling system for Proton exchange Membrane Fuel Cell(PEMFC)，a comprehensive cooling system was designed for 45 kW PEMFC fuel cell enne。including cooling pump，coolant pipe，expansion tank，bypass valve，radiator and intercoo
28、lerThe cooling characteristics of PEMFC engine on some typical operating points and the influences of each cooling system component on cool ing effect were analyzed based on a co-simulation model which was developed by MatlabSimulink and AMES imThe derived results could be the guideline for the real temperature control strategy for PEMFC engine Key words：PEMFC；cooling system；AMESim；Simulink；COsimulation 1J 11J 1J
