基于工程热物理的燃料电池（Thermolib）和整车模型集成系统级仿真探讨

Posted 2023-02-26 FuelCellPowerIn

1. 燃料电池系统建模挑战
   1. PEMFC系统架构分析

1. 系统组成
   1. 阳极供氢系统
   2. 阴极供气系统
   3. 电堆液冷系统
   4. 进气加湿系统
   5. 电堆反应系统
2. 部件组成
   1. 罐，不同阀，不同泵，节气门，滤清器，加湿器，水箱，热交换器，离子过滤器
   2. 控制系统，逆变系统，传感器等

燃料电池系统级建模涉及学科及知识领域

1. 机械
   1. 不同结构部件
2. 水循环
   1. 液冷系统压力反馈
   2. 液冷系统恒温控制
   3. 循环控制
3. 电气
   1. 整流逆变，DCDC
4. 控制
   1. 阀，泵，电机，节气门等控制
5. 热力学
   1. 电堆温度，液冷系统温度，气相及液相影响
   2. 化学变化，不同部件热损耗等
6. 化学
   1. 化学物质的属性
   2. 化学平衡方程
   3. 混合物计算
   4. 熵，焓，温度，压力，流量，摩尔质量计算
   5. 温度，压力对化学变化的影响
   6. 质量，能量守恒
7. 动力学
   1. 流体力学
   2. 物质状态
   3. 气，液物质黏度
   4. 流量影响

1. 1. 燃料电池系统级建模挑战分析

挑战1：燃料电池电堆的热力学和电化学计算需要已知如下的相关参数：

如上相关参数与气液体的部件流通过程强相关，同时与相关化学物质的状态属性数据强相关。

挑战2：燃料电池系统内部的不同组件的建模理论有所不同

挑战3：燃料电池电堆系统建模重要理论是基础

1. 热力学理论
   1. 作用
      1. 计算电压，温度，压力，体积和摩尔质量
      2. 进而得到阴阳极电位差，及能量转换率
   2. 难点与关键
      1. 热力学系统属于高度动态非线性系统
      2. 受介质初始温度，压力，流量，湿度，介质属性的影响
      3. 熵，焓，比热容，吉布斯自由能
      4. 压力，温度变化的相互影响
      5. 基础热力学理论支撑
2. 电化学理论
   1. 作用
      1. 计算电流产生速率
      2. 反应物生成过程
      3. 产生电流的反应速度
      4. 能量损耗
   2. 难点与关键
      1. 活化极化电压
      2. 电子与离子传输中的欧姆极化电压
      3. 组分质量传输过程中浓差极化电压

1. 热及质子传输理论
   1. 温度分布不均影响因素
      1. 水的相变，冷却液温度，空气对流，内部水流动，催化层热传导
   2. 能量守恒原理
      1. 电能与热损失的关系
      2. 对流换热，传导换热，热辐射

 

1. 1. 总体能量守恒

 

1. 1. 电堆能量守恒
   2. 质量与组分守恒
      1. 主要针对质子和水
      2. 能斯特 - 爱因斯坦方程
   3. 气相与液相的平衡
      1. 安托万方程计算饱和温度与的饱和压力关系

挑战4：燃料电池的气液相热力学及电化学计算基础为化学物质的热物理属性。

1. 化学物质热物理属性
   1. 化学物质组成
      1. 不同燃料选择
      2. 不同源物质选择
      3. 氢气，甲 - 戊烷，其他化学物质等
      4. 理想，真实状态
   2. 不同化学物质在不同状态下的基本参数
      1. 摩尔质量
      2. 液体密度
      3. 热容量
      4. 临界温度
      5. 临界压力
      6. 化学元素组分
      7. 气体，液体粘度
      8. 导热性
   3. 模型计算基础
      1. 仿真计算这些物质在流过不同热力学组分时所经历的物理变化
      2. 等压焓变
      3. 等压熵变
      4. 等熵压变
      5. 压力，温度，焓，熵等组合变化

挑战5：燃料电池系统相关部件建模区别于其他系统建模

挑战6：模型需要考虑系统级要求及MIL和HIL需求

1. 模型需要满足开发使用
   1. MIL模型在环
      1. 基于MATLAB / Simulink的
      2. 提供不同部件库文件
      3. 提供调试可用DEMO
      4. 快速搭建复杂系统模型
      5. 提供试玩
   2. HIL硬件在环
      1. 代码生成
      2. 执行效率
      3. 实时运行
      4. 不同仿真机

燃料电池系统级建模挑战的总结

1. 系统级建模需要满足
   1. HIL以及MIL的需求
   2. 基于Matlab / Simulink仿真
   3. 具备不同部件的模型库
   4. 快速搭建系统级模型
   5. 方便的前后处理及运行调试
2. 建模需要遵循
   1. 基本数学建模理论
   2. 热力学基本定律（热力学第一定律）
   3. 电化学基本理论
   4. 热及质子传输基本理论
   5. 基本的化学物质的热物理参数
   6. 支持不同的燃料，介质等选择

1. 燃料电池系统建模解决方案
   1. Thermolib模型库
      1. 模型库

PEMFC BoP组件研究的目标是开发一个仿真环境来支持设计工作和系统级优化。所有的子系统都建立在对某些阳极侧组件和燃油效率的特别关注的模型上。

使用MATLAB Simulink和Thermolib建立了燃料电池系统模型。原则上，使用与混合动力传动系统研究相同的仿真环境，在需要更精确的结果并且实时计算时间不成问题时，将两个模型进行耦合在一起。仿真系统的流程图如图4-15所示，Simulink中的模型如图4-16所示。

 

1. Thermolib模型
   1. 基于MATLAB®/Simulink®的中的热力学及燃料电池系统建模和仿真工具箱;
      1. 解决燃料电池仿真
      2. 整车集成热管理
      3. 燃气轮机等热机系统
      4. 空调系统
   2. 基于工程热物理基本原理建模;
      1. 结合经验以及经典的热力学方程，求解器，仿真真实的气体行为，
      2. 支持气体，液体混合物
      3. 可用户自定义化学反应。
   3. 具备热力学状态及其变换计算
      1. 包括真实气体模型
   4. 提供丰富的模型库
      1. 反应器/电堆，热交换器，泵，增压器，阀，罐，液冷系统锂电模型
      2. 压力反馈的冷却系统库
      3. 质量及能量守恒模型
      4. 气相，液相源模型
      5. 热力学状态及状态变化
      6. 流体总线及状态总线模型
   5. 预定义前后处理命令行
      1. 基于MATLAB命令行输入
   6. 气相及液相物质的热力学数据库
      1. 支持
   7. 示例模型
      1. 丰富直接可用的演示模型

 

Thermolib库中提供了图所示模型中使用的一些组件。

系统模型介绍：

阴极模型

阳极模型

冷却系统模型

电堆内部模型

电堆模型库

热力学状态及属性模型库

热力学状态计算模型库

热及质量转换模型库

压力反馈部件模型库

气液源，数据池，化学平衡状态模型库等

电气与控制模型库

 

1. 1. 1. PEMFC电堆阴极模型

在阴极子系统中，环境空气被压缩，然后通过加湿器（在其变湿的地方）送入电堆并返回加湿器，然后排出。接下来描述为实现这个过程建模而实现的组件。

空气压缩机压缩环境空气并以由压力反馈信息确定的速率输出，并且在由查找表数据确定的压力下输出。此外，在解决输出流量时要考虑环境湿度及热交换。

管道用于计算由于与管壁的摩擦以及与环境的热交换而引起的压降。由于不稳定的行为，目前还不适合将多个这样的管串联使用，因此对具有体积的管进行建模也是实现的。

膜加湿器在计算由于从湿侧扩散到干侧的水输送时使用与电堆相同的计算程序。

1. 1. 1. PEMFC电堆阳极模型

在阳极子系统中，氢气以一定的速率从氢气罐供应到电池组。在进入电堆之前，新鲜氢气与再循环流混合。当位于电堆之后的放气阀在短时间内（这是周期性地）打开时，来自罐的流速增加到由压力反馈信息确定的值。接下来描述为实现这个过程建模而实现的组件。

氢气罐：

以与堆中的氢气消耗量相对应的速率输出流，并根据组合的压力反馈信息计算流量。流的组成作为参数给出。此处使用的管道与阴极子系统中的管道相同。

容器：

在阳极子系统中作为一个单独的组件使用，而不是在管道中使用（由于前面提到的原因）来仿真再循环流中惰性气体和水的积聚。惰性气体的堆积导致氢气浓度下降，导致电池电压下降。这可以通过定期吹扫阳极来避免。

冲洗阀：

周期性地打开，这导致来自水箱的新鲜氢气流过系统，从而增加氢浓度并增加电池电压。过量的吹扫会降低系统的效率。

再循环泵：

在作为参数给定的压力下将电堆输出气体再循环至输入。根据压力的增加（取决于通过系统的压力损失）和流量（除了在清洗期间除外），泵计算其功耗。

1. 1. 1. 冷却系统

 

冷却水在电堆和热交换器之间的闭合回路中再循环。通过向换热器的另一侧供应空气来将冷却水保持在预定温度。接下来描述为实现这个过程建模而实现的组件。

这里使用的管道用于与上述相同的目的。

风扇：

以将冷却水温度保持在预定水平所需的速率向换热器供应空气。由风扇供应的空气的压力由流过热交换器的空气的压降计算，即离开热交换器的空气的压力接近环境压力。使用空气流量和风扇提供的压力，可以假设一些风扇效率来计算功耗。

 

1. 1. 1. 示例仿真

 

虽然模型中的组件已经实现，但是没有针对任何特定的系统调整参数，因此这里介绍的示例虽然正确地仿真了总体趋势，但并不正确。

以下，清洗间隔对再循环气体中氢摩尔分数（图4-17）和电池组电压（图4-18）的影响以及加湿器尺寸对电池组膜平均含水量的影响（图4-19）和叠加电压（图4-20）。

 

图4-17。吹扫间隔的比较（60s对90s） - H2摩尔分数

 

图4-18。吹扫间隔（60s与90s）的比较 - 堆叠电压

 

图4-19。加湿器尺寸（0.1 m2,1 m2）的比较 - 堆叠膜含水量

 

图4-20。加湿器尺寸（0.1 m2,1 m2）的比较 - 堆叠电压

仿真时间在很大程度上取决于

（1）使用的时间步长是多少（时间步长越小，结果越精确），

（2）仿真气液输送的准确程度（即计算中使用了多少个积分步骤）

（3）在仿真期间将多少数据保存到工作区。上述仿真是在<0.1 s的时间步骤（仿真变得不稳定的时间步骤大得多），求解气液运输时的相对较多的集成步骤（电堆中的1000个，加湿器中的100个）以及在工作区中保存相当多的数据。通过精确度和数据量的选择，系统以大约2 s / s的速率进行仿真。通过分别为电堆和加湿器选择200和50的积分步骤，仿真速率增加到约3s / s。

燃料电池系统模型将用于即将到来的项目中，以支持PEMFC设备平衡设计。

一旦PEMFC电池组和期初组件模型正在工作并适当调整，就会计划将Thermolib模型与混合动力传动系模型结合起来。这使得研究PEMFC系统动力学（如阴极鼓风机延迟和系统热质量等）如何影响混合动力传动系统组件尺寸和控制策略开发，从而更好地确信实际燃料电池系统性能将会是什么在实际构建它之前。