热管理系统建模

常用PEMFC发动机热管理系统如图6−3所示，其中PEMFC发动机冷却器的功能包括散热器实现的冷却液与环境的热交换，冷却液泵实现的冷却液流量和流量分配器的比例调节。PEMFC 发动机冷却包括空压机电机的冷却、空压机输出空气的冷却（空压机内冷）和电堆温度的冷却。整个系统结构框图如图6−3所示。

图6−3 PEMFC发动机热管理系统结构框图

PEMFC发动机冷却器输出的冷却液一部分进入空压机电机冷却环节；另一部分进入空压机内冷通道，先冷却压缩的空气使其以合适的温度进入电堆，然后进入电堆调节电堆温度。

在冷却器中，冷却泵是主要的执行器，需要控制冷却液流量、温度和压力。此外，流量分配器以下述方式将冷却水分配至燃料电池及空压机电机：

式中，λcoolant为冷却分配系数。

因此，冷却水在燃料电池堆输出口的压力为 。内冷却产生的热量引起温度变化（），可以利用相应的热平衡方程式解出Tcoolant Out IC的值。

同样，冷却水流入堆的温度为，堆中的热平衡方程如式（6.15）所示：

式中，为堆产生的热量。从式（6.15）可以得到输出口温度T(t)=。

在空压机电机冷却环节中，一部分冷却水以一定的流速、温度和压力流入电机，假定冷却过程中的冷却水流速和压力保持不变，根据电机冷却热平衡方程

可以解得出口温度：

在PEMFC发动机冷却过程中，冷却液完成一个冷却循环后以一定的压力、温度和流速流回冷却泵。其中，流速为，压力为，温度为。假设泵流出的压力为常数，则泵所需的电功率为

同时，根据车速和冷却液质量流速和相应状态之间转化参数确定冷却水散热的最大热梯度。冷却水散热的最大热梯度/ΔT取决于车辆速度vveh和冷却水质量速率以及标准条件下（Tstd(K), pstd(bar)）的关系，可以通过查表求得最大热梯度。

因此，对于环境空气参数Tamb (K), pamb (bar)，散热器能够散发的最高热量为。如果冷却控制器要求降低的热量为，相应的限制必须为。考虑到冷却器的动态性能，冷却器减少的热量实际值为

类似地，泵流出的冷却水质量速率可以使用下式计算：

如上所述，冷却液流动带走了内冷却器、电堆和空压机电机中产生的热量，冷却了系统，同时加热了自身。PEMFC 发动机冷却器通过冷却水和环境的热交换冷却冷却液。

冷却系统建模时，假设冷却液冷却过程为系统冷却过程的逆过程：

根据式（6.21），泵流出的冷却水温度为。热管理系统的 Simulink模型框图如图6−4所示。