质子交换膜燃料电池电动商用车概念评估

摘要本文通过GT-SUITE对不同空气回路拓扑进行模拟，推荐了适合空气回路拓扑的建模和分析方法。并对比分析了电动压缩机（e-Compressor）， 电动辅助的涡轮增压器（e-Turbo Coupled），电动压缩机和电动涡轮（e-Turbo Decoupled）三种空气回路拓扑。结果表明e-Turbo Coupled方案最优。前言车用燃料电池的阴极压力一般在2～2.5bar，这导致空气系统的附件损耗（压缩机）占到了电堆功率的10～30%，负荷越小，占比越大。因此空气系统的匹配就变得非常重要。相对于内燃机的涡轮增压系统，燃料电池的排气能量不高，故需要一个电机辅助压缩机。电机、压缩机和涡轮之间可以构成多种空气回路的拓扑结构。通过系统仿真工具进行空气回路拓扑结构的分析和优化，可以大大缩短开发时间。建模和分析方法本文将分析电动压缩机（e-Compressor）， 电动辅助的涡轮增压器（e-Toubo Coupled），电动压缩机和电动涡轮（e-Toubo Decoupled）三种空气回路拓扑。 1首先进行电堆模型的校核模型如下图所示。采用GT优化器进行自动标定，优化的参数及范围如下表所示 标定结果如下，分别为功率、出口水含量、空气流量以及阴极压力。 2针对电堆效率（非系统效率）进行敏感性分析仍然使用上述简单模型，利用DOE分析阴极压力和阴极计量比对电堆效率的影响。结果如下图所示。在各种负荷下阴极压力的影响显著大于计量比的影响。 3分别对三种空气回路拓扑进行建模每一种拓扑都需要相应的控制策略来控制阴极压力和流量。对于e-Compressor方案，电机控制空气流量，背压阀控制阴极压力。对于其他两种方案，仍然由压缩机的电机控制空气流量，但阴极压力通过涡轮的废气旁通阀和背压阀来控制。阴极的计量比始终保持在2.0。 模型分别如下所示，注意所有模型的氢气回路可以大大简化。 e-Compressor方案 e-Toubo Coupled方案 e-Toubo Decoupled方案4每种拓扑下，进行阴极压力的DoE计算每个工况选取20个目标阴极压力，最大限值以不能发生喘振为标准。从DoE结果中可以得出该拓扑的最佳效率，如右图所示。最佳系统效率点在中间压比区间。高压比虽然会增加电堆效率，但也增加了BoP的耗功。 最终即可优化出各工况下的最佳效率曲线 5对压缩机以及涡轮的map进行缩放（通过流量乘子），结合上述阴极压力一起进行DoE这可以更全面地分析每个拓扑下的系统效率。在开发早期，供应商难以提供多种压缩机和涡轮map时，该方法简单有效。一个缩放的例子如下图所示，缩放因子分别为1/0.7/1.3。 压缩机map的缩放 涡轮map的缩放结果分析1e-Compressor 方案和e-turbo Coupled的方案对比下图为两种方案的最优工作点在压缩机map中的分布。e-turbo Coupled方案由于涡轮能量回收的影响，其压比均有所增加。在大负荷工况下，e-turbo Coupled方案可以增加近10%的功率，系统效率也明显改善。在低负荷下，由于涡轮回收能力有限，故两个方案基本相同。 2e-turbo Coupled方案下压缩机和涡轮的匹配针对压缩机和涡轮的map进行缩放，下图为四个工况下压缩机和涡轮map对系统效率的影响。从图中可以看出，压缩机和涡轮的map在大负荷下对系统效率影响较大。在大负荷下，当压缩机缩放因子为1且涡轮缩放因子为1.3时，系统效率收益最大。同时也可以看出， 相对于内燃机，燃料电池的系统效率对涡轮增压的匹配不敏感。 3e-turbo Coupled和e-turbo Decoupled方案对比Decoupled方案需要两个电机，且涡轮转速可以独立控制，这意味着涡轮可以工作在高效点，如下图所示。 但由于涡轮回收的能量必须完全经过电机转化为压缩机的动力，损耗也会增加，结果表明，该损耗超过了涡轮效率增加的收益。相对于Coupled方案，Decoupled方案系统效率降低。但两者均会高于e-Compressor方案。 来源：艾迪捷