Amesim燃料电池电动汽车(FCEV)中的燃料电池系统集成
01
内容介绍
本演示展示了如何在氢燃料汽车环境中建模完整的燃料电池系统，包括电堆、平衡装置(BoP)组件和控制系统。 建模了以下子系统：
车辆环境和电动机 电网和电池 燃料电池堆 阴极侧的空气供应系统及其控制 阳极侧的氢气再循环回路及其控制 电堆冷却系统
本演示展示了如何评估实际驾驶循环下的车辆续航里程、能量性能以及氢气消耗。
02
模型与描述
在示意图的左侧，没有任何端口的组件用于定义：
混合物中的气体种类、气体属性 电堆固体部分的热属性 冷却系统模型数据（冷却剂属性、环境温度等）
示意图右侧是燃料电池汽车模型。 它由6个不同的子系统组成：
车辆和高级控制器：
驾驶员和循环：驾驶员组件用于预测驾驶员加速和制动命令以实现场景。 驾驶员组件的参数窗口可以定义不同的驾驶循环，有或没有坡度。 在本演示中，选择了WLTC循环。 它包括城市、郊区和高速公路驾驶，速度动态代表实际条件。 电机和制动控制器：计算所需的电机扭矩以确保加速。 它还提供车辆所需的制动命令以跟随驾驶循环。 底盘和环境：车辆组件用于评估操作汽车在整个场景中的纵向加速度和速度。 该速度主要取决于电机扭矩、施加在车辆上的阻力以及车辆质量。 牵引电机：电机模型将车辆控制单元(VCU)中计算的请求扭矩传递给动力总成。 在电动机和车轮之间应用了传动比。 燃料电池控制器：根据车辆功率需求和电池充电状态阈值设置，将供应给系统的能量在燃料电池堆和电池之间分配。 它还计算何时需要为电池充电。
电路：
注意，模型中考虑了通过牵引电机的再生制动。 可以在燃料电池控制器中修改堆/电池控制策略。 对于更复杂的控制，您还可以构建自己的状态图。
650V功率提升总线，连接燃料电池堆、空气压缩机和牵引电机 245V高压总线，高压电池为冷却液泵供电 12V低压总线，低压电池为散热器风扇供电 3个电气总线： DCDC转换器将这3个总线连接在一起 燃料电池堆：它根据电流、温度以及阴极和阳极的操作条件评估堆电压。 设置了带有2个扩散组件的电化学子模型，使堆电压可以依赖于电极处的反应物条件。 它还预测由于化学反应产生的产物和反应物摩尔流量，并模拟跨膜的水传输。 考虑膜和双极板的单一热容量来预测堆的动态热行为。 这是燃料电池堆产生的热量和冷却液回路带走的热量之间的平衡结果。 牵引电机功率请求通过连接到高压电路的DCDC转换器驱动燃料电池堆操作。
空气供应系统：
压力比作为修正空气质量流量和修正压缩机旋转速度的函数 等熵效率作为修正空气质量流量和修正压缩机旋转速度的函数 压缩机控制器：计算驱动压缩机的电动机所需的扭矩以确保O2化学计量目标。 空气压缩机：向堆组件提供所需的空气质量流量以符合化学计量目标。 考虑使用2个表的离心压缩机模型：在电动机和压缩机之间应用了传动比。 膜加湿器：利用堆出口的湿空气对进入的干燥空气进行加湿 堆的阴极侧：由2个气体室和1个扩散组件建模。 它们分别模拟通道中和阴极处的气体组成。 扩散组件模拟跨GDL的扩散 。 氢气再循环回路：
储罐：氢气通过高压储罐和中间压力调节器供应到阳极回路。 H2再循环由喷射器确保。 堆的阳极侧：由2个气体室和1个扩散组件建模。 它们分别模拟通道中和阳极处的气体组成。 扩散组件模拟跨GDL的扩散 。 功能性水分离器：用于从堆阳极出口去除液态水 吹扫阀：当氮气摩尔分数高于目标值时打开。 它浪费了一些氢气反应物，但避免了H2稀释，这会降低堆性能。
冷却系统：冷却系统用于调节堆温度。 泵用于在冷却回路中产生冷却剂（水和乙二醇混合物）流动。 当冷却剂温度超过指定阈值时，恒温器将冷却剂释放到散热器分支。 第二个阈值用于在需要额外冷却功率时触发风扇。
03
车辆与动力总成性能
第1个图表显示驾驶循环速度请求和车辆模型计算的车速。 两条曲线很好地吻合，这意味着车辆正确跟随驾驶循环。
第2个图表显示车辆续航里程和电池充电状态(SOC)。 电池SOC与初始阶段不完全相同。 因此，如果考虑循环期间电池的能量变化，车辆续航里程可能会略有不同。
第3个图表显示燃料电池堆和电池之间的控制策略，以提供整个电路所需的功率。 堆向牵引电机提供必要的功率，电池向辅助设备提供功率。 当牵引电机功率请求为零时，电池由堆充电，并通过再生制动恢复牵引电机功率。
左上角图表显示牵引电机扭矩与电机控制器请求扭矩的比较。
右上角图表显示用于沿驾驶循环移动汽车的电机机械功率以及相应的电机损耗。
左下角图表显示牵引电机速度。
右下角图表显示牵引电机中的电压和电流。
堆性能
左上角图表显示堆电压工作点作为电流密度的函数。 这是燃料电池堆极化曲线在低/中电流密度和不同操作条件下的概览。
右上角图表显示堆功率和反应产生的热损耗。 还绘制了驾驶循环期间传递的最大堆功率。
左下角图表显示堆和冷却液在堆入口和出口处的温度。
右下角图表显示膜水含量和膜质子比电阻。 膜水含量越低，膜电阻越高，因此欧姆电压降越大。
阴极侧重点
左上角图表显示进入堆的空气质量流量与空气质量流量控制器请求的空气质量流量的比较。
右上角图表显示压缩机压力比与修正质量流量的关系。 曲线覆盖了压缩机效率彩色图和压缩机修正速度等值线。
左下角图表显示阴极处的压力、温度、入口温度和入口露点温度。 露点温度是水开始处于液相的温度，看到堆温度高于露点温度是一致的。
右下角图表显示阴极处的物种摩尔分数。 由于化学反应，O2摩尔分数低于堆入口O2摩尔分数。
阳极侧重点
左上角图表显示驾驶循环期间每公里的H2消耗。
右上角图表显示驾驶循环期间的H2消耗（克）和储罐中的H2质量。 如预期，H2消耗等于离开储罐的H2。
左下角图表显示驾驶循环期间通过吹扫损失的H2百分比。
右下角图表显示阳极处的物种摩尔分数。 N2摩尔分数在高阈值和低阈值之间振荡，分别对应于吹扫开始和停止条件。
电力消费者
左上角图表显示驾驶循环期间辅助设备消耗的功率。
右上角图表显示整个系统在驾驶循环期间的功率分配。
左下角图表显示辅助设备消耗的能量分布。 如预期，压缩机是主要消费者。
右下角图表显示整个系统中的能量分布。 来自H2储罐的能量超过一半由燃料电池堆转换为牵引电机使用的电能。 其余部分要么用于为辅助设备供电，要么由于堆反应损耗或在吹扫过程中浪费而转化为热量。
03
总结
本演示展示了如何模拟集成在FCEV中的燃料电池系统的物理行为。 设计选择的虚拟评估能够评估系统性能及其相关控制。 它还有助于突出可以通过模拟改进的潜在弱点。 这种模型的兴趣在于能够预测车辆动力总成、燃料电池及其辅助设备(BoP)以及控制之间的相互作用。
