AMESim仿真軟件在燃料電池系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用

馬義 張劍 李波 李學(xué)銳 熊成勇

摘? 要：利用AMESim軟件建立了質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)一維仿真模型，包括電堆、空氣系統(tǒng)、氫氣系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)。從空壓機(jī)選型、電堆運(yùn)行條件匹配、冷啟動(dòng)和整車經(jīng)濟(jì)性四個(gè)方面介紹了AMESim仿真軟件的應(yīng)用。仿真結(jié)果表明，電堆運(yùn)行條件對(duì)系統(tǒng)零部件選型尤其是空壓機(jī)影響較大，適當(dāng)降低進(jìn)氣計(jì)量比和進(jìn)氣壓力可降低部件功率消耗，提升系統(tǒng)整體效率，PTC水加熱器可以大幅縮短燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)時(shí)間，減小系統(tǒng)怠速功率可提升整車經(jīng)濟(jì)性。應(yīng)用AMESim軟件進(jìn)行仿真分析對(duì)于燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)具體一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：燃料電池;性能;仿真;冷啟動(dòng)

中圖分類號(hào)：TK91? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? 文章編號(hào)：1005-2550（2021）02-0052-05

Abstract： One-dimensional simulation model of proton exchange membrane fuel cell engine is established by AMESim software， the model including the stack， air system， hydrogen system and cooling system. The application of the software is introduced from four aspects： air compressor selection， stack operation condition matching， cold start and vehicle economy. The simulation results show that the operation conditions of the stack have a great influence on the selection of system components， especially the air compressor. Properly reducing the intake stoichiometric ratio and intake pressure can reduce the power consumption of components and improve the overall efficiency of the system. The PTC water heater can greatly shorten the cold start time of the fuel cell engine， and reduce the idle power of system can improve the economy of the vehicle. The simulation analysis with AMESim software has certain guiding significance for the design and development of fuel cell engine.

Key Words： Fuel Cell; Performance; Simulation;? Cold Start

引? ?言

質(zhì)子交換膜燃料電池直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能，不受卡諾循環(huán)的限制，能量轉(zhuǎn)化效率高，且排放污染少，是一種高效清潔而且非常有發(fā)展前景的動(dòng)力系統(tǒng)，近年來(lái)成為各大企業(yè)尤其是汽車企業(yè)研究的熱點(diǎn)[1-4]。

在燃料電池系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)過(guò)程中，運(yùn)用仿真分析的手段可進(jìn)行零部件選型，控制策略優(yōu)化，動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性預(yù)測(cè)，節(jié)省開(kāi)發(fā)成本，縮短開(kāi)發(fā)周期。目前針對(duì)燃料電池系統(tǒng)建模仿真的成功案例較多，郭愛(ài)等[5]搭建了燃料電池機(jī)車的熱管理系統(tǒng)仿真模型，分析了旁路閥門、冷卻泵電壓和散熱器風(fēng)機(jī)電壓對(duì)電堆溫度、溫度差及系統(tǒng)效率的影響?；矢σ斯⒌萚6]建立了包含燃料電池的電化學(xué)模型與溫度模型的數(shù)學(xué)模型，并研究了工作溫度、反應(yīng)氣體工作壓力等參數(shù)對(duì)燃料電池輸出性能的影響。張潔等[7]使用AMESim軟件建立燃料電池一維系統(tǒng)模型，對(duì)燃料電池低溫起動(dòng)過(guò)程進(jìn)行了仿真分析。許思傳等[8]基于AMESim軟件建立燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)空氣系統(tǒng)模型，并對(duì)某高壓燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架的空氣系統(tǒng)進(jìn)行了仿真計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證。

本研究是利用AMESim軟件建立某燃料電池系統(tǒng)一維仿真模型，就空壓機(jī)選型、電堆運(yùn)行條件匹配、冷啟動(dòng)方案設(shè)計(jì)和整車經(jīng)濟(jì)性分析四個(gè)方面介紹了該仿真軟件的應(yīng)用。

1? ? ?模型建立

某燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)AMESim一維仿真模型如圖1，包括電堆、空氣系統(tǒng)、氫氣系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和簡(jiǎn)要控制系統(tǒng)。其中電堆輸入?yún)?shù)包括極化曲線，活性面積，單電池片數(shù)，陰極腔體容積及參數(shù)，陽(yáng)極腔體容積及參數(shù)等?？諝庀到y(tǒng)主要部件有空壓機(jī)，增濕器，背壓閥等，輸入特性參數(shù)主要為空壓機(jī)MAP，增濕器流阻及增濕效率，背壓閥通徑及流量系數(shù)等。氫氣系統(tǒng)主要部件有儲(chǔ)氫瓶，比例閥，回氫泵等，輸入?yún)?shù)主要為儲(chǔ)氫瓶壓力及容積，比例閥通徑，回氫泵MAP等。冷卻系統(tǒng)主要包括水泵，溫控閥，散熱器等，輸入?yún)?shù)主要為水泵MAP，溫控閥截面積及流量系數(shù)，散熱器散熱MAP等。

電堆物質(zhì)反應(yīng)速率計(jì)算公式如下：

Qi為物質(zhì)的摩爾反應(yīng)速率，單位為mol/s;N為電堆片數(shù);I為電堆電流，單位為A;ni為氧化還原中物質(zhì)所帶電子數(shù);F為法拉第常數(shù)，單位為96500 C/mol。

不同運(yùn)行條件下的電堆極化曲線如圖2，相同電流密度下，電堆單片電壓越高，則效率越高，運(yùn)行條件對(duì)應(yīng)2.2節(jié)中的表1。

基本控制邏輯為：空氣系統(tǒng)通過(guò)控制空壓機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)電堆目標(biāo)進(jìn)氣流量或計(jì)量比，控制背壓閥和空壓機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)目標(biāo)進(jìn)氣壓力。氫氣系統(tǒng)通過(guò)調(diào)節(jié)比例閥開(kāi)度實(shí)現(xiàn)電堆目標(biāo)氫氣流量，控制回氫泵轉(zhuǎn)速和比例閥開(kāi)度實(shí)現(xiàn)目標(biāo)氫氣計(jì)量比。冷卻系統(tǒng)通過(guò)調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)目標(biāo)冷卻水流量，控制溫控閥開(kāi)度和散熱器風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)目標(biāo)出水溫度。

2? ? 仿真分析

2.1? ? 空壓機(jī)選型

空壓機(jī)有三個(gè)方案，分別為方案1、方案2和方案3，其中方案1和方案2為羅茨式，方案3為離心式。將電堆最優(yōu)運(yùn)行條件（圖1中的方案2）下的需求空氣流量和空氣壓力與空壓機(jī)進(jìn)行仿真匹配，得到空壓機(jī)與電堆的聯(lián)合運(yùn)行線，如圖2-圖4。

圖3所示方案1空壓機(jī)的運(yùn)行線已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出其MAP區(qū)域，空壓機(jī)工作區(qū)域無(wú)法覆蓋電堆陰極側(cè)的工作條件。圖4所示方案2空壓機(jī)運(yùn)行線基本落在其MAP區(qū)域內(nèi)，僅最大流量點(diǎn)的壓比不滿足電堆需求。圖5所示方案3空壓機(jī)運(yùn)行線雖然在MAP區(qū)域內(nèi)，但多數(shù)運(yùn)行點(diǎn)超出空壓機(jī)喘振線（紅色虛線），空壓機(jī)喘振風(fēng)險(xiǎn)較高。綜合以上分析，選取空壓機(jī)方案2作為下一步優(yōu)化分析。

2.2? ?電堆運(yùn)行條件匹配

電堆運(yùn)行條件包括進(jìn)氣壓力，流量，溫度，濕度等。不同的電堆運(yùn)行條件對(duì)應(yīng)圖1中的不同電堆效率，也對(duì)應(yīng)不同的零部件工作狀態(tài)。表1列出了三種電堆運(yùn)行條件，分別為方案1、方案2和方案3。方案2計(jì)量比大于方案1，方案3的進(jìn)氣壓力低于方案2，這三種方案的進(jìn)氣溫度和濕度都相同。

圖6為三種方案的空壓機(jī)運(yùn)行線，方案1計(jì)量比最小，空氣流量較低，空壓機(jī)運(yùn)行線相對(duì)方案2往左移，但部分工況點(diǎn)超出了左側(cè)MAP區(qū)域。方案3進(jìn)氣壓力最低，壓比最小，空壓機(jī)運(yùn)行線相對(duì)方案2往下移。

圖7-圖9分別為三種方案的電堆效率、空壓機(jī)功耗和系統(tǒng)效率對(duì)比曲線。由圖7可知，方案2的進(jìn)氣壓力和計(jì)量比最高，因此電堆效率比方案1和方案3高1%-2%，方案3電堆效率在低功率段略高于方案1。由圖8可知，方案2因進(jìn)氣壓力和計(jì)量比較大，導(dǎo)致空壓機(jī)功率消耗最多，大約比其他兩個(gè)方案高2kW。方案2和方案3在電堆低功率段的空壓機(jī)功率相當(dāng)，方案3在電堆最大功率點(diǎn)的空壓機(jī)功率高于方案2。由圖9可知，從整個(gè)系統(tǒng)的效率來(lái)看，方案2雖然電堆效率最高，但空壓機(jī)等部件功率消耗也最多，因此系統(tǒng)效率反而最低。方案3大部分工況下的系統(tǒng)效率比其他兩個(gè)方案高1%-2%。方案1的最大系統(tǒng)功率高于其他兩個(gè)方案，這主要是因?yàn)樗陔姸炎畲蠊β庶c(diǎn)的空壓機(jī)功率最小。

2.3? ?冷啟動(dòng)方案設(shè)計(jì)

燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)分為無(wú)輔助（自啟動(dòng)）和有輔助措施啟動(dòng)。其中有輔助措施啟動(dòng)的主流方案是在電堆冷卻回路增加一個(gè)PTC水加熱器。本次研究共設(shè)計(jì)了四個(gè)冷啟動(dòng)方案，方案1為無(wú)PTC自啟動(dòng)，方案2-方案4見(jiàn)圖10中的原圈所示，為三個(gè)PTC布置點(diǎn)方案，分別為電堆冷卻入口（方案2），中冷器回路（方案3），節(jié)溫器小循環(huán)出口（方案4）。

圖11為四種方案的-20℃冷啟動(dòng)過(guò)程仿真結(jié)果。電堆出水溫度達(dá)到5℃可判定冷啟動(dòng)成功。四種方案冷啟動(dòng)時(shí)間分別為263s、156s、176s和161s。方案1沒(méi)有PTC的輔助加熱，冷啟動(dòng)時(shí)間最長(zhǎng)，方案2的PTC布置點(diǎn)離電堆冷卻入口最近，冷啟動(dòng)時(shí)間最短，但方案2需要增加一個(gè)三通閥和相關(guān)聯(lián)的支路以確保冷啟動(dòng)成功后冷卻液由PTC支路切換到主路。方案3的冷啟動(dòng)時(shí)間大于其他兩個(gè)PTC方案。因此，綜合考慮冷啟動(dòng)時(shí)間及結(jié)構(gòu)布置復(fù)雜性，方案4為最優(yōu)方案。

2.4? ?整車經(jīng)濟(jì)性分析

燃料電池系統(tǒng)的所有性能指標(biāo)最終反應(yīng)到整車上的性能表現(xiàn)主要包括整車動(dòng)力性，經(jīng)濟(jì)性、可靠性和舒適性。其中整車經(jīng)濟(jì)性在開(kāi)發(fā)早期可以通過(guò)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的仿真分析進(jìn)行初步預(yù)測(cè)和優(yōu)化。

利用燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)仿真模型進(jìn)行整車經(jīng)濟(jì)性仿真時(shí)，計(jì)算工況為NEDC循環(huán)，將整車NEDC循環(huán)下的燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)需求功率曲線作為燃料電池系統(tǒng)的功率輸入。這樣可以基于整車工況下的燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)自身的工作狀態(tài)進(jìn)行仿真分析。

圖12為不同燃料電池系統(tǒng)怠速功率下整車?yán)塾?jì)氫氣消耗量對(duì)比曲線，怠速功率5kW和3kW時(shí)的累計(jì)耗氫量分別為135g和113g，折合百公里氫氣消耗量為1.23kg和1.03kg，后者比前者經(jīng)濟(jì)性提升了16%左右。原因分析見(jiàn)圖13，該圖對(duì)比了整車NEDC工況下，不同怠速功率時(shí)的燃料電池系統(tǒng)功率曲線，可以看出，NEDC工況的怠速工作點(diǎn)占比較大，降低燃料電池系統(tǒng)怠速功率，可以有效降低NEDC工況的系統(tǒng)功耗，即降低整車氫耗量。另一方面，怠速功率的設(shè)置也要綜合考慮對(duì)燃料電池電堆的壽命影響，因?yàn)榈∷俟β试降?，電堆工作電壓越接近極化曲線（圖1）的開(kāi)路電壓，會(huì)加快電堆內(nèi)部催化劑的腐蝕，降低電堆的使用壽命。

3? ? 結(jié)論

電堆運(yùn)行條件對(duì)部件工作狀態(tài)影響較大，電堆的最優(yōu)工況點(diǎn)不一定是整個(gè)系統(tǒng)的最優(yōu)工況點(diǎn)，需要結(jié)合電堆和部件工作特性進(jìn)行綜合匹配。例如搭建電堆物理模型，進(jìn)行DOE優(yōu)化。

PTC水加熱器可以大幅縮短冷啟動(dòng)時(shí)間，布置位置對(duì)冷啟動(dòng)時(shí)間也有一定影響。

燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)怠速功率從5kW降低到3kW 可提升整車經(jīng)濟(jì)性16%左右。

運(yùn)用仿真工具進(jìn)行系統(tǒng)仿真分析可在燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)早期階段起到很好的指導(dǎo)作用。

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