一种基于amesim的燃料电池空气系统建模仿真方法
技术领域
1.本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种基于amesim的燃料电池空气系统建模仿真方法。
背景技术：
2.
氢燃料电池是新世纪以来，深受人们欢迎并具有广泛发展前景的一类发电装置。它是以氢气、氧气为原料，不断的发生
电化学反应，进而能够把化学能转化生成电能。其具备运行温度低、功率密度高、响应速度快、良好的稳定性、无污染气体排放、不受卡诺循环的限制等特点，被人们视为未来汽车行业的新希望。但是氢燃料电池本身是一个非线性、强耦合的复杂动态系统，尤其燃料电池的空气子系统涉及众多部件的协调工作，更为复杂。为了更加有效的对燃料电池空气子系统进行研究，找到一个能准确描述它性能和变化趋势的模型及模型搭建方法就显得尤为重要。
3.在现有技术中一般基于机理方程或半经验方程建立(半)机理模型，因此不能反映电堆或电池系统运行的实际状况，也没有考虑空气子系统相关零部件模型的搭建。
技术实现要素：
4.根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种基于amesim的燃料电池空气系统建模仿真方法，具体包括如下步骤：
5.根据燃料电池单节电池的输出特性和工作机理进行线性回归建立单电池输出特性模型；
6.采用标准电动势减去多种损耗电压表示单电池输出特性模型的输出电压，其中多种损耗电压包括活化过电压、欧姆过电压和浓差过电压；
7.基于单电池输出特性模型、结合实际燃料电池堆节数乘以节数的增益获得燃料电池堆模型；
8.根据实测数据及电堆结构组成在空气出口处添加节流原件，并根据不同工况下的输出特性阻流系数的改变设置符合要求的节流面积，从而模拟电堆在不同工况下的压力降；
9.燃料电池空气子系统包括流量计、空压机、中冷器、节气门、温度/压力传感器和管路结构，采集空压机的升压比、流量、效率和转速信息并输入至混合气体库中的空压机模型中从而建立完整的空压机模型；
10.将燃料电池空气子系统中的零部件连接起来，搭建燃料电池空气系统仿真模型，将仿真数据与实测数据进行对比验证该燃料电池空气系统仿真模型的精准度。
11.进一步的，所述燃料电池空气子系统中的电堆模型考虑电堆空气入口和空气出口之间的压力降，通过改变节流件的节流面积来模拟电堆在不同工况下的所述压力降。并可将此方法引用到不同电堆模型之中，完成不同电堆模型的精确建模。
12.进一步的，所述燃料电池空气子系统采用数据信号分段处理方式将不同阶段下的
转速和开度输入至空压机和节气门中。
13.进一步的，所述燃料电池空气子系统将电流插值设置为关于时间的函数进行空气系统的动态工况仿真。
14.进一步的，所述燃料电池空气子系统对流量计、空压机、中冷器、节气门、温度/压力传感器以及相应的管路的输出性能进行评估判断是否满足使用要求。
15.由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种基于amesim的燃料电池空气系统建模仿真方法，建立了质子交换膜燃料电池电堆模型、离心式空压机模型、节气门、中冷器等关键空气系统零部件模型，充分考虑电堆空气入口和出口之间的压力降在气体传输过程中的影响，对电堆模型进行了优化处理，建立完整的空气系统仿真模型。本发明通过基于amesim的燃料电池空气系统建模仿真方法，真正从系统的层面上简化了建模过程，模型架构搭建合理，采用实测数据结合基于公式的机理建模方法模型精度得到了提升。
附图说明
16.为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
17.图1为本发明基于amesim的燃料电池空气系统建模仿真示意图；
18.图2为本发明燃料电池电堆优化模型图示意图；
19.图3为燃料电池堆输出电压结果对比图；
20.图4为空气入口压力结果对比图；
21.图5为空气入口流量结果对比图。
22.图中：1、气源，2、离心式空压机，3、空气管路，4、中冷器，5、传感器，6、燃料电池电堆，7、节气门，8、电堆容腔9、节流元件10、电压电流传感器。
具体实施方式
23.为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：
24.如图1所示的一种基于amesim的燃料电池空气系统建模仿真方法，由于电堆的数学模型有经验模型和机理模型两种。针对燃料电池系统级别的仿真，电堆模型也需要从系统的层面上去分析建模。我们采用的amesim软件内部带有基础的amphlett机理模型，这个模型是采集了现实工况下燃料电池的实车报文数据，针对燃料电池单节电池的输出特性和工作机理进行线性回归，得到单电池输出特性模型。
25.在单体燃料电池的工作进程当中，因为电池内部存在极化现象，会使得电池实际输出电压小于理想输出电压。极化现象会产生极化电压损失，主要包含活化极化过电压、欧姆极化过电压还有浓差极化过电压。单电池输出特性模型的输出电压可用标准电动势减去各种损耗电压表示，表达式为：
26.v
fc
＝e
nernst
?
v
act
?
v
ohmic
?
v
con
????????????????????
(1)
27.式中，e
nernst
为热力学电动势，v
act
是活化过电压，v
ohmic
为欧姆过电压，v
con
为浓差过
电压。
28.按照氢氧燃料电池的经验公式，热力学电动势可以表示为：
[0029][0030]
式中，δg表示吉布斯能量的变化，δs为熵的变化值，f为法拉第常数，t
fc
为电池的工作温度，t
ref
为环境参考温度，和分别为氢气和氧气的压力。
[0031]
利用上述变量标准状态下的取值，表达式为：
[0032][0033]
活化过电压的表达式为：
[0034][0035]
式中，i为负载电流，为氧气浓度，ξ1，ξ2，ξ3，ξ4为经验参数，取值后的表达式为：
[0036][0037]
其中氧气的浓度为对应的压力和温度的函数，可以表示为：
[0038][0039]
欧姆过电压表达式为：
[0040]
v
ohmic
＝i(r
m
+r
c
)
??????????????????
(7)
[0041]
电池等效膜阻抗为：
[0042][0043]
其中ρ
m
(ω
·
cm)代表质子交换膜特定的电阻率，l(cm)是质子交换膜的厚度，a(cm2)为膜的有效面积，ψ为各种类型膜的特性参数。ρ
m
可以表示为：
[0044][0045]
浓差过电压表达式为：
[0046][0047]
其中b为由燃料电池自身类型所定义的常数，j为电流的实际密度，j
max
是最大电流密度，电流密度单位均为a/cm2。
[0048]
在单电池输出特性模型的基础上，结合实际燃料电池堆节数，乘以节数的增益，可得燃料电池堆模型。我们注意到电堆空气入口和空气出口之间是存在压力降的，现有模型没有考虑这个压力降的损失，我们根据实测数据及电堆结构组成，在空气出口处添加节流原件，并根据不同工况下的输出特性阻流系数的改变，设置合适的节流面积。通过这个方式
完成了电堆模型的优化，使其更加贴合实际需求。
[0049]
燃料电池空气子系统较为复杂，主要由流量计、空压机、中冷器、节气门、温度/压力传感器以及相应的管路组成。
[0050]
空压机作为整个燃料电池系统的核心零部件，空压机其升压比(p
r
)，流量(m
c
)，效率(η)和转速(ω
c
)之间的关系由空压机供应商提供数据，然后输入至混合气体库中的空压机模型中，对应公式如下：
[0051]
p
r
＝f(dm
c
,ω
c
)
???????
(11)
[0052]
η＝f(dm
c
,ω
c
)
????
(12)
[0053][0054][0055]
其中dm
c
为修正流量(g/s),ω
c
为修正转速(rpm),p
up
为入口压力(bar),p
st
为标准压力(bar),t
up
为入口温度(k)，t
st
为标准温度(k)。
[0056]
在上述公式基础上，还需要将升压比、流量、转速之间map图以及升压比、流量、效率之间map输入到空压机模型中，建立完整的空压机模型。
[0057]
中冷器采用混合气体库中的热交换器模型，将混合气体侧、冷却液侧进行模块化处理，并可以实现多种形式的换热。由于本发明中主要考虑空气系统，所以根据工况条件，中冷器4的冷却温度设为恒定的70℃。
[0058]
节气门采用混合气体库中的蝶阀模型，其开度取决于电堆进口压力和流量，对应公式如下：
[0059][0060]
其中m为质量流量(kg/s)，a为口径面积(m2)，c
q
是流量系数，c
m
是质量流量参数(kg.k/j)
1/2
，p
up
为入口压力(paa)，t
up
为入口温度(k)。
[0061]
按照系统流程图，将上述空气子系统中的零部件连接起来，搭建燃料电池空气系统仿真模型，氢系统和热管理系统进行了简化处理，不考虑其动态响应特性，深入研究空气系统仿真模型的精确性。
[0062]
本发明真正从系统的层面上简化了各零部件模型的建模过程，模型架构搭建合理，采用实测数据结合基于公式的机理建模方法，并且模型精度得到了提升。如图1
?
图3所示，图1表示燃料电池堆输出电压动态工况的仿真结果和系统测试值的对比效果，图2表示燃料电池堆空气入口压力动态工况的仿真结果和系统测试值的对比图，图3表示燃料电池堆空气入口流量动态工况的仿真结果和系统测试值的对比图，由图1、图2、图3可以看出，建立燃料电池空气系统仿真模型，燃料电池堆输出电压、空气入口压力、空气入口流量等关键参数和系统实际测试值误差均在4％以内，可以精确的描述系统输出性能随动态工况的变化结果，建立的模型和实际系统极为吻合。
[0063]
实施例
[0064]
结合图4及图5所示内容，具体实施方式如下：
[0065]
根据amesim软件内部带有基础的amphlett机理模型，结合实测的输出特性数据，建立单电池输出特性模型。结合实际燃料电池堆节数，乘以节数的增益，可得燃料电池堆模型。由于电堆空气入口和空气出口之间是存在压力降的，原有模型的电堆容腔8没有考虑这个压力降的损失，我们根据实测数据及电堆结构组成，在空气出口处添加节流原件9，并根据不同工况下的输出特性阻流系数的改变，设置合适的节流面积，在电堆容腔8后添加电流电压传感器10，实时采集燃料电池空气系统发生反应时产生的电压和电流完成燃料电池电堆6的建模。
[0066]
根据空压机其升压比(p
r
)，流量(m
c
)，效率(η)和转速(ω
c
)之间的关系数据，输入至混合气体库中的空压机模型中，完成离心式空压机2的建模。
[0067]
中冷器采用混合气体库中的热交换器模型，将混合气体侧、冷却液侧进行模块化处理，并可以实现多种形式的换热。由于本发明中主要考虑空气系统，所以根据工况条件，中冷器的冷却温度设为恒定的70℃，完成中冷器4的建模。
[0068]
节气门7采用混合气体库中的蝶阀模型，其开度取决于电堆进口压力和流量，完成节气门7的建模。
[0069]
在空压机前放置气源1，模拟大气压条件。在空压机后添加空气管路3，设置相应的长度和流通系数。在电堆入口前添加传感器5，用来监测电堆入口前的压力、流量等变量。
[0070]
将上述模块连接组合到一起，构成完整的基于amesim的燃料电池空气系统仿真模型。
[0071]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。技术特征：
1.一种基于amesim的燃料电池空气系统建模仿真方法，其特征在于包括：根据燃料电池单节电池的输出特性和工作机理进行线性回归建立单电池输出特性模型；采用标准电动势减去多种损耗电压表示单电池输出特性模型的输出电压，其中多种损耗电压包括活化过电压、欧姆过电压和浓差过电压；基于单电池输出特性模型、结合实际燃料电池堆节数乘以节数的增益获得燃料电池堆模型；根据实测数据及电堆结构组成在空气出口处添加节流原件，并根据不同工况下的输出特性阻流系数的改变设置符合要求的节流面积，从而模拟电堆在不同工况下的压力降；燃料电池空气子系统包括流量计、空压机、中冷器、节气门、温度/压力传感器和管路结构，采集空压机的升压比、流量、效率和转速信息并输入至混合气体库中的空压机模型中从而建立完整的空压机模型；将燃料电池空气子系统中的零部件连接起来，搭建燃料电池空气系统仿真模型，将仿真数据与实测数据进行对比验证该燃料电池空气系统仿真模型的精准度。2.根据权利要求1所述的基于amesim的燃料电池空气系统建模仿真方法，其特征在于：所述燃料电池空气子系统中的电堆模型考虑电堆空气入口和空气出口之间的压力降，通过改变节流件的节流面积来模拟电堆在不同工况下的所述压力降。3.根据权利要求1所述的基于amesim的燃料电池空气系统建模仿真方法，其特征在于：所述燃料电池空气子系统采用数据信号分段处理方式将不同阶段下的转速和开度输入至空压机和节气门中。4.根据权利要求1所述的基于amesim的燃料电池空气系统建模仿真方法，其特征在于：所述燃料电池空气子系统将电流插值设置为关于时间的函数进行空气系统的动态工况仿真。5.根据权利要求1所述的基于amesim的燃料电池空气系统建模仿真方法，其特征在于：所述燃料电池空气子系统对流量计、空压机、中冷器、节气门、温度/压力传感器以及相应的管路的输出性能进行评估判断是否满足使用要求。
技术总结
本发明公开了一种基于Amesim的燃料电池空气系统建模仿真方法，包括：根据燃料电池单节电池的输出特性和工作机理进行线性回归建立单电池输出特性模型；采用标准电动势减去多种损耗电压表示单电池输出特性模型的输出电压，基于单电池输出特性模型、结合实际燃料电池堆节数乘以节数的增益获得燃料电池堆模型；根据实测数据及电堆结构组成在空气出口处添加节流原件，并根据不同工况下的输出特性阻流系数的改变设置符合要求的节流面积，从而模拟电堆在不同工况下的压力降；将燃料电池空气子系统中的零部件连接起来，搭建燃料电池空气系统仿真模型，将仿真数据与实测数据进行对比验证该燃料电池空气系统仿真模型的精准度。证该燃料电池空气系统仿真模型的精准度。证该燃料电池空气系统仿真模型的精准度。
技术研发人员：许有伟 赵洋洋 张宝 李东明 安勇攀 路忠良
受保护的技术使用者：新源动力股份有限公司
技术研发日：2021.03.30
技术公布日：2021/7/8
声明：
“基于Amesim的燃料电池空气系统建模仿真方法与流程” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
我是此专利(论文)的发明人(作者)
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编辑：中冶有色技术网
来源：新源动力股份有限公司
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2024年08月16日 ~ 18日 
