一種基于amesim的燃料電池空氣系統(tǒng)建模仿真方法

技術(shù)領(lǐng)域

1.本發(fā)明涉及燃料電池技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于amesim的燃料電池空氣系統(tǒng)建模仿真方法。

背景技術(shù)：

2.氫燃料電池是新世紀(jì)以來，深受人們歡迎并具有廣泛發(fā)展前景的一類發(fā)電裝置。它是以氫氣、氧氣為原料，不斷的發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)而能夠把化學(xué)能轉(zhuǎn)化生成電能。其具備運(yùn)行溫度低、功率密度高、響應(yīng)速度快、良好的穩(wěn)定性、無污染氣體排放、不受卡諾循環(huán)的限制等特點(diǎn)，被人們視為未來汽車行業(yè)的新希望。但是氫燃料電池本身是一個非線性、強(qiáng)耦合的復(fù)雜動態(tài)系統(tǒng)，尤其燃料電池的空氣子系統(tǒng)涉及眾多部件的協(xié)調(diào)工作，更為復(fù)雜。為了更加有效的對燃料電池空氣子系統(tǒng)進(jìn)行研究，找到一個能準(zhǔn)確描述它性能和變化趨勢的模型及模型搭建方法就顯得尤為重要。

3.在現(xiàn)有技術(shù)中一般基于機(jī)理方程或半經(jīng)驗方程建立(半)機(jī)理模型，因此不能反映電堆或電池系統(tǒng)運(yùn)行的實際狀況，也沒有考慮空氣子系統(tǒng)相關(guān)零部件模型的搭建。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

4.根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明公開了一種基于amesim的燃料電池空氣系統(tǒng)建模仿真方法，具體包括如下步驟：

5.根據(jù)燃料電池單節(jié)電池的輸出特性和工作機(jī)理進(jìn)行線性回歸建立單電池輸出特性模型；

6.采用標(biāo)準(zhǔn)電動勢減去多種損耗電壓表示單電池輸出特性模型的輸出電壓，其中多種損耗電壓包括活化過電壓、歐姆過電壓和濃差過電壓；

7.基于單電池輸出特性模型、結(jié)合實際燃料電池堆節(jié)數(shù)乘以節(jié)數(shù)的增益獲得燃料電池堆模型；

8.根據(jù)實測數(shù)據(jù)及電堆結(jié)構(gòu)組成在空氣出口處添加節(jié)流原件，并根據(jù)不同工況下的輸出特性阻流系數(shù)的改變設(shè)置符合要求的節(jié)流面積，從而模擬電堆在不同工況下的壓力降；

9.燃料電池空氣子系統(tǒng)包括流量計、空壓機(jī)、中冷器、節(jié)氣門、溫度/壓力傳感器和管路結(jié)構(gòu)，采集空壓機(jī)的升壓比、流量、效率和轉(zhuǎn)速信息并輸入至混合氣體庫中的空壓機(jī)模型中從而建立完整的空壓機(jī)模型；

10.將燃料電池空氣子系統(tǒng)中的零部件連接起來，搭建燃料電池空氣系統(tǒng)仿真模型，將仿真數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比驗證該燃料電池空氣系統(tǒng)仿真模型的精準(zhǔn)度。

11.進(jìn)一步的，所述燃料電池空氣子系統(tǒng)中的電堆模型考慮電堆空氣入口和空氣出口之間的壓力降，通過改變節(jié)流件的節(jié)流面積來模擬電堆在不同工況下的所述壓力降。并可將此方法引用到不同電堆模型之中，完成不同電堆模型的精確建模。

12.進(jìn)一步的，所述燃料電池空氣子系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)信號分段處理方式將不同階段下的

轉(zhuǎn)速和開度輸入至空壓機(jī)和節(jié)氣門中。

13.進(jìn)一步的，所述燃料電池空氣子系統(tǒng)將電流插值設(shè)置為關(guān)于時間的函數(shù)進(jìn)行空氣系統(tǒng)的動態(tài)工況仿真。

14.進(jìn)一步的，所述燃料電池空氣子系統(tǒng)對流量計、空壓機(jī)、中冷器、節(jié)氣門、溫度/壓力傳感器以及相應(yīng)的管路的輸出性能進(jìn)行評估判斷是否滿足使用要求。

15.由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明提供的一種基于amesim的燃料電池空氣系統(tǒng)建模仿真方法，建立了質(zhì)子交換膜燃料電池電堆模型、離心式空壓機(jī)模型、節(jié)氣門、中冷器等關(guān)鍵空氣系統(tǒng)零部件模型，充分考慮電堆空氣入口和出口之間的壓力降在氣體傳輸過程中的影響，對電堆模型進(jìn)行了優(yōu)化處理，建立完整的空氣系統(tǒng)仿真模型。本發(fā)明通過基于amesim的燃料電池空氣系統(tǒng)建模仿真方法，真正從系統(tǒng)的層面上簡化了建模過程，模型架構(gòu)搭建合理，采用實測數(shù)據(jù)結(jié)合基于公式的機(jī)理建模方法模型精度得到了提升。

附圖說明

16.為了更清楚地說明本申請實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本申請中記載的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

17.圖1為本發(fā)明基于amesim的燃料電池空氣系統(tǒng)建模仿真示意圖；

18.圖2為本發(fā)明燃料電池電堆優(yōu)化模型圖示意圖；

19.圖3為燃料電池堆輸出電壓結(jié)果對比圖；

20.圖4為空氣入口壓力結(jié)果對比圖；

21.圖5為空氣入口流量結(jié)果對比圖。

22.圖中：1、氣源，2、離心式空壓機(jī)，3、空氣管路，4、中冷器，5、傳感器，6、燃料電池電堆，7、節(jié)氣門，8、電堆容腔9、節(jié)流元件10、電壓電流傳感器。

具體實施方式

23.為使本發(fā)明的技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚完整的描述：

24.如圖1所示的一種基于amesim的燃料電池空氣系統(tǒng)建模仿真方法，由于電堆的數(shù)學(xué)模型有經(jīng)驗?zāi)Ｐ秃蜋C(jī)理模型兩種。針對燃料電池系統(tǒng)級別的仿真，電堆模型也需要從系統(tǒng)的層面上去分析建模。我們采用的amesim軟件內(nèi)部帶有基礎(chǔ)的amphlett機(jī)理模型，這個模型是采集了現(xiàn)實工況下燃料電池的實車報文數(shù)據(jù)，針對燃料電池單節(jié)電池的輸出特性和工作機(jī)理進(jìn)行線性回歸，得到單電池輸出特性模型。

25.在單體燃料電池的工作進(jìn)程當(dāng)中，因為電池內(nèi)部存在極化現(xiàn)象，會使得電池實際輸出電壓小于理想輸出電壓。極化現(xiàn)象會產(chǎn)生極化電壓損失，主要包含活化極化過電壓、歐姆極化過電壓還有濃差極化過電壓。單電池輸出特性模型的輸出電壓可用標(biāo)準(zhǔn)電動勢減去各種損耗電壓表示，表達(dá)式為：

26.v

fc

＝e

nernst

?

v

act

?

v

ohmic

?

v

con

????????????????????

(1)

27.式中，e

nernst

為熱力學(xué)電動勢，v

act

是活化過電壓，v

ohmic

為歐姆過電壓，v

con

為濃差過

電壓。

28.按照氫氧燃料電池的經(jīng)驗公式，熱力學(xué)電動勢可以表示為：

[0029][0030]

式中，δg表示吉布斯能量的變化，δs為熵的變化值，f為法拉第常數(shù)，t

fc

為電池的工作溫度，t

ref

為環(huán)境參考溫度，和分別為氫氣和氧氣的壓力。

[0031]

利用上述變量標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的取值，表達(dá)式為：

[0032][0033]

活化過電壓的表達(dá)式為：

[0034][0035]

式中，i為負(fù)載電流，為氧氣濃度，ξ1，ξ2，ξ3，ξ4為經(jīng)驗參數(shù)，取值后的表達(dá)式為：

[0036][0037]

其中氧氣的濃度為對應(yīng)的壓力和溫度的函數(shù)，可以表示為：

[0038][0039]

歐姆過電壓表達(dá)式為：

[0040]

v

ohmic

＝i(r

m

+r

c

)

??????????????????

(7)

[0041]

電池等效膜阻抗為：

[0042][0043]

其中ρ

m

(ω

·

cm)代表質(zhì)子交換膜特定的電阻率，l(cm)是質(zhì)子交換膜的厚度，a(cm2)為膜的有效面積，ψ為各種類型膜的特性參數(shù)。ρ

m

可以表示為：

[0044][0045]

濃差過電壓表達(dá)式為：

[0046][0047]

其中b為由燃料電池自身類型所定義的常數(shù)，j為電流的實際密度，j

max

是最大電流密度，電流密度單位均為a/cm2。

[0048]

在單電池輸出特性模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合實際燃料電池堆節(jié)數(shù)，乘以節(jié)數(shù)的增益，可得燃料電池堆模型。我們注意到電堆空氣入口和空氣出口之間是存在壓力降的，現(xiàn)有模型沒有考慮這個壓力降的損失，我們根據(jù)實測數(shù)據(jù)及電堆結(jié)構(gòu)組成，在空氣出口處添加節(jié)流原件，并根據(jù)不同工況下的輸出特性阻流系數(shù)的改變，設(shè)置合適的節(jié)流面積。通過這個方式

完成了電堆模型的優(yōu)化，使其更加貼合實際需求。

[0049]

燃料電池空氣子系統(tǒng)較為復(fù)雜，主要由流量計、空壓機(jī)、中冷器、節(jié)氣門、溫度/壓力傳感器以及相應(yīng)的管路組成。

[0050]

空壓機(jī)作為整個燃料電池系統(tǒng)的核心零部件，空壓機(jī)其升壓比(p

r

)，流量(m

c

)，效率(η)和轉(zhuǎn)速(ω

c

)之間的關(guān)系由空壓機(jī)供應(yīng)商提供數(shù)據(jù)，然后輸入至混合氣體庫中的空壓機(jī)模型中，對應(yīng)公式如下：

[0051]

p

r

＝f(dm

c

,ω

c

)

???????

(11)

[0052]

η＝f(dm

c

,ω

c

)

????

(12)

[0053][0054][0055]

其中dm

c

為修正流量(g/s),ω

c

為修正轉(zhuǎn)速(rpm),p

up

為入口壓力(bar),p

st

為標(biāo)準(zhǔn)壓力(bar),t

up

為入口溫度(k)，t

st

為標(biāo)準(zhǔn)溫度(k)。

[0056]

在上述公式基礎(chǔ)上，還需要將升壓比、流量、轉(zhuǎn)速之間map圖以及升壓比、流量、效率之間map輸入到空壓機(jī)模型中，建立完整的空壓機(jī)模型。

[0057]

中冷器采用混合氣體庫中的熱交換器模型，將混合氣體側(cè)、冷卻液側(cè)進(jìn)行模塊化處理，并可以實現(xiàn)多種形式的換熱。由于本發(fā)明中主要考慮空氣系統(tǒng)，所以根據(jù)工況條件，中冷器4的冷卻溫度設(shè)為恒定的70℃。

[0058]

節(jié)氣門采用混合氣體庫中的蝶閥模型，其開度取決于電堆進(jìn)口壓力和流量，對應(yīng)公式如下：

[0059][0060]

其中m為質(zhì)量流量(kg/s)，a為口徑面積(m2)，c

q

是流量系數(shù)，c

m

是質(zhì)量流量參數(shù)(kg.k/j)

1/2

，p

up

為入口壓力(paa)，t

up

為入口溫度(k)。

[0061]

按照系統(tǒng)流程圖，將上述空氣子系統(tǒng)中的零部件連接起來，搭建燃料電池空氣系統(tǒng)仿真模型，氫系統(tǒng)和熱管理系統(tǒng)進(jìn)行了簡化處理，不考慮其動態(tài)響應(yīng)特性，深入研究空氣系統(tǒng)仿真模型的精確性。

[0062]

本發(fā)明真正從系統(tǒng)的層面上簡化了各零部件模型的建模過程，模型架構(gòu)搭建合理，采用實測數(shù)據(jù)結(jié)合基于公式的機(jī)理建模方法，并且模型精度得到了提升。如圖1

?

圖3所示，圖1表示燃料電池堆輸出電壓動態(tài)工況的仿真結(jié)果和系統(tǒng)測試值的對比效果，圖2表示燃料電池堆空氣入口壓力動態(tài)工況的仿真結(jié)果和系統(tǒng)測試值的對比圖，圖3表示燃料電池堆空氣入口流量動態(tài)工況的仿真結(jié)果和系統(tǒng)測試值的對比圖，由圖1、圖2、圖3可以看出，建立燃料電池空氣系統(tǒng)仿真模型，燃料電池堆輸出電壓、空氣入口壓力、空氣入口流量等關(guān)鍵參數(shù)和系統(tǒng)實際測試值誤差均在4％以內(nèi)，可以精確的描述系統(tǒng)輸出性能隨動態(tài)工況的變化結(jié)果，建立的模型和實際系統(tǒng)極為吻合。

[0063]

實施例

[0064]

結(jié)合圖4及圖5所示內(nèi)容，具體實施方式如下：

[0065]

根據(jù)amesim軟件內(nèi)部帶有基礎(chǔ)的amphlett機(jī)理模型，結(jié)合實測的輸出特性數(shù)據(jù)，建立單電池輸出特性模型。結(jié)合實際燃料電池堆節(jié)數(shù)，乘以節(jié)數(shù)的增益，可得燃料電池堆模型。由于電堆空氣入口和空氣出口之間是存在壓力降的，原有模型的電堆容腔8沒有考慮這個壓力降的損失，我們根據(jù)實測數(shù)據(jù)及電堆結(jié)構(gòu)組成，在空氣出口處添加節(jié)流原件9，并根據(jù)不同工況下的輸出特性阻流系數(shù)的改變，設(shè)置合適的節(jié)流面積，在電堆容腔8后添加電流電壓傳感器10，實時采集燃料電池空氣系統(tǒng)發(fā)生反應(yīng)時產(chǎn)生的電壓和電流完成燃料電池電堆6的建模。

[0066]

根據(jù)空壓機(jī)其升壓比(p

r

)，流量(m

c

)，效率(η)和轉(zhuǎn)速(ω

c

)之間的關(guān)系數(shù)據(jù)，輸入至混合氣體庫中的空壓機(jī)模型中，完成離心式空壓機(jī)2的建模。

[0067]

中冷器采用混合氣體庫中的熱交換器模型，將混合氣體側(cè)、冷卻液側(cè)進(jìn)行模塊化處理，并可以實現(xiàn)多種形式的換熱。由于本發(fā)明中主要考慮空氣系統(tǒng)，所以根據(jù)工況條件，中冷器的冷卻溫度設(shè)為恒定的70℃，完成中冷器4的建模。

[0068]

節(jié)氣門7采用混合氣體庫中的蝶閥模型，其開度取決于電堆進(jìn)口壓力和流量，完成節(jié)氣門7的建模。

[0069]

在空壓機(jī)前放置氣源1，模擬大氣壓條件。在空壓機(jī)后添加空氣管路3，設(shè)置相應(yīng)的長度和流通系數(shù)。在電堆入口前添加傳感器5，用來監(jiān)測電堆入口前的壓力、流量等變量。

[0070]

將上述模塊連接組合到一起，構(gòu)成完整的基于amesim的燃料電池空氣系統(tǒng)仿真模型。

[0071]

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案及其發(fā)明構(gòu)思加以等同替換或改變，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。技術(shù)特征：

1.一種基于amesim的燃料電池空氣系統(tǒng)建模仿真方法，其特征在于包括：根據(jù)燃料電池單節(jié)電池的輸出特性和工作機(jī)理進(jìn)行線性回歸建立單電池輸出特性模型；采用標(biāo)準(zhǔn)電動勢減去多種損耗電壓表示單電池輸出特性模型的輸出電壓，其中多種損耗電壓包括活化過電壓、歐姆過電壓和濃差過電壓；基于單電池輸出特性模型、結(jié)合實際燃料電池堆節(jié)數(shù)乘以節(jié)數(shù)的增益獲得燃料電池堆模型；根據(jù)實測數(shù)據(jù)及電堆結(jié)構(gòu)組成在空氣出口處添加節(jié)流原件，并根據(jù)不同工況下的輸出特性阻流系數(shù)的改變設(shè)置符合要求的節(jié)流面積，從而模擬電堆在不同工況下的壓力降；燃料電池空氣子系統(tǒng)包括流量計、空壓機(jī)、中冷器、節(jié)氣門、溫度/壓力傳感器和管路結(jié)構(gòu)，采集空壓機(jī)的升壓比、流量、效率和轉(zhuǎn)速信息并輸入至混合氣體庫中的空壓機(jī)模型中從而建立完整的空壓機(jī)模型；將燃料電池空氣子系統(tǒng)中的零部件連接起來，搭建燃料電池空氣系統(tǒng)仿真模型，將仿真數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比驗證該燃料電池空氣系統(tǒng)仿真模型的精準(zhǔn)度。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于amesim的燃料電池空氣系統(tǒng)建模仿真方法，其特征在于：所述燃料電池空氣子系統(tǒng)中的電堆模型考慮電堆空氣入口和空氣出口之間的壓力降，通過改變節(jié)流件的節(jié)流面積來模擬電堆在不同工況下的所述壓力降。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于amesim的燃料電池空氣系統(tǒng)建模仿真方法，其特征在于：所述燃料電池空氣子系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)信號分段處理方式將不同階段下的轉(zhuǎn)速和開度輸入至空壓機(jī)和節(jié)氣門中。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于amesim的燃料電池空氣系統(tǒng)建模仿真方法，其特征在于：所述燃料電池空氣子系統(tǒng)將電流插值設(shè)置為關(guān)于時間的函數(shù)進(jìn)行空氣系統(tǒng)的動態(tài)工況仿真。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于amesim的燃料電池空氣系統(tǒng)建模仿真方法，其特征在于：所述燃料電池空氣子系統(tǒng)對流量計、空壓機(jī)、中冷器、節(jié)氣門、溫度/壓力傳感器以及相應(yīng)的管路的輸出性能進(jìn)行評估判斷是否滿足使用要求。

技術(shù)總結(jié)

本發(fā)明公開了一種基于Amesim的燃料電池空氣系統(tǒng)建模仿真方法，包括：根據(jù)燃料電池單節(jié)電池的輸出特性和工作機(jī)理進(jìn)行線性回歸建立單電池輸出特性模型；采用標(biāo)準(zhǔn)電動勢減去多種損耗電壓表示單電池輸出特性模型的輸出電壓，基于單電池輸出特性模型、結(jié)合實際燃料電池堆節(jié)數(shù)乘以節(jié)數(shù)的增益獲得燃料電池堆模型；根據(jù)實測數(shù)據(jù)及電堆結(jié)構(gòu)組成在空氣出口處添加節(jié)流原件，并根據(jù)不同工況下的輸出特性阻流系數(shù)的改變設(shè)置符合要求的節(jié)流面積，從而模擬電堆在不同工況下的壓力降；將燃料電池空氣子系統(tǒng)中的零部件連接起來，搭建燃料電池空氣系統(tǒng)仿真模型，將仿真數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比驗證該燃料電池空氣系統(tǒng)仿真模型的精準(zhǔn)度。證該燃料電池空氣系統(tǒng)仿真模型的精準(zhǔn)度。證該燃料電池空氣系統(tǒng)仿真模型的精準(zhǔn)度。

技術(shù)研發(fā)人員：許有偉 趙洋洋 張寶 李東明 安勇攀 路忠良

受保護(hù)的技術(shù)使用者：新源動力股份有限公司

技術(shù)研發(fā)日：2021.03.30

技術(shù)公布日：2021/7/8