陳黎明，林昭佳，馬紫峰

上海交通大學(xué)化學(xué)工程系，電化學(xué)與能源技術(shù)研究所，上海200240

摘要：建立了包括燃料供應(yīng)模塊、燃料電池堆模塊和水熱平衡模塊在內(nèi)的質(zhì)子交換膜燃料電池汽車動(dòng)力系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。運(yùn)用Matlab/Simulink軟件進(jìn)行模型構(gòu)建和系統(tǒng)仿真，研究了主要操作條件對(duì)系統(tǒng)性能的影響。通過仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比，表明該模型能較為準(zhǔn)確地反映動(dòng)力系統(tǒng)的特性，為燃料電池汽車動(dòng)力系統(tǒng)的研究和設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

隨著全世界汽車產(chǎn)量和保有量的日益增多，以石油產(chǎn)品為動(dòng)力源的車輛所排放的廢氣已經(jīng)成為影響地球氣候和環(huán)境污染的主要來源，能源危機(jī)也日益加劇[1]。因此，人們迫切地需要開發(fā)低污染的替代能源汽車來改善能源短缺和環(huán)保問題，燃料電池汽車作為一種可行方案已成為世界各汽車廠商在技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)之一。與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車相比，燃料電池汽車不通過熱機(jī)過程，不受卡諾循環(huán)的限制，具有能量轉(zhuǎn)化效率高、環(huán)境友好等內(nèi)燃機(jī)汽車不可比擬的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)仍然可以保持傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車高速度、長(zhǎng)距離行駛和安全、舒適等性能，被認(rèn)為是21世紀(jì)首選的潔凈、高效運(yùn)輸工具。

動(dòng)力系統(tǒng)是燃料電池汽車的核心部分，是決定整車性能的關(guān)鍵，也是其不同于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車和其他類型電動(dòng)汽車的標(biāo)志，因此，對(duì)燃料電池汽車動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行研究具有非常重要的意義。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，建模仿真技術(shù)已經(jīng)成為汽車動(dòng)力系統(tǒng)研發(fā)過程中的一個(gè)重要手段。通過仿真分析可以靈活地調(diào)整設(shè)計(jì)方案，合理優(yōu)化參數(shù)，預(yù)測(cè)不同操作條件下的系統(tǒng)性能，有助于樣車的制造和試驗(yàn)。近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于燃料電池汽車動(dòng)力系統(tǒng)中的電池堆模型研究得較多，可分為經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃蜋C(jī)理模型，經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀捎诮Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可以大大縮短建模時(shí)間，早在1995年，Kim等人[2]就建立了一個(gè)描述電壓與電流密度之間關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，最近，Alejandro等人[3]也開發(fā)了一個(gè)半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，描述了氣體流道和氣體擴(kuò)散層中各組分的流體動(dòng)力學(xué)、熱傳導(dǎo)動(dòng)力學(xué)和溫度影響。機(jī)理模型則更有利于對(duì)電池堆內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理的研究，并已經(jīng)從一維模型發(fā)展到了三維模型，然而對(duì)于系統(tǒng)層面上的仿真優(yōu)化，一維模型更加合適[4]，本文的出發(fā)點(diǎn)是旨在建立燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)的完整模型。

燃料電池汽車動(dòng)力系統(tǒng)中運(yùn)用最為廣泛的動(dòng)力源是質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)，本文以Matlab/Simulink軟件為仿真平臺(tái)建立了質(zhì)子交換膜燃料電池汽車動(dòng)力系統(tǒng)的完整模型。整套動(dòng)力系統(tǒng)中燃料電池堆是核心部分，除了電池堆之外，還有燃料供應(yīng)系統(tǒng)(氫氣和空氣供給)和水熱管理系統(tǒng)等作為輔助系統(tǒng)。筆者分別建立了電池堆模塊、燃料供應(yīng)模塊和水熱平衡模塊，齊集成為一套完整的車用燃料電池汽車動(dòng)力系統(tǒng)模型。分析了氫氣流量、空氣流量、電堆溫度、環(huán)境溫度等不同操作條件對(duì)系統(tǒng)性能的影響。

1系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

在實(shí)際應(yīng)用中，燃料電池汽車動(dòng)力系統(tǒng)的工作壓力和反應(yīng)氣類型的選擇要考慮儲(chǔ)存反應(yīng)氣的氣瓶在車載時(shí)所受到的重量和尺寸限制、汽車?yán)m(xù)航里程的要求、燃料的經(jīng)濟(jì)性、系統(tǒng)工作的安全性和噪音等問題。本文的模擬對(duì)象采用高純氫和空氣作為反應(yīng)氣，其中氫氣充裝于高壓儲(chǔ)罐內(nèi)，經(jīng)減壓閥再進(jìn)入電池堆，空氣供給采用無油型螺桿壓縮機(jī)壓縮至一定壓力，經(jīng)加濕后進(jìn)入電池堆進(jìn)行反應(yīng)。

1.1燃料供應(yīng)模塊

(ⅰ)壓縮機(jī)模型。壓縮機(jī)主要用于為燃料電池提供高壓空氣，燃料電池專用的空氣壓縮機(jī)不僅需要滿足無油潤(rùn)滑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，而且對(duì)它的重量、體積、變轉(zhuǎn)速運(yùn)行特性以及電堆參數(shù)變化的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能等都提出了嚴(yán)格的要求。本文中燃料電池汽車動(dòng)力系統(tǒng)選用較為常用的螺桿壓縮機(jī)作為模擬對(duì)象，并假設(shè)壓縮機(jī)是在理想情況下工作，即無摩擦、無熱交換、無泄漏、無吸排氣壓力損失的情況下進(jìn)行吸氣、壓縮和排氣。

2仿真結(jié)果驗(yàn)證與分析

根據(jù)以上模型，本文利用Matlab/Simulink軟件對(duì)質(zhì)子交換膜燃料電池汽車動(dòng)力系統(tǒng)的不同工況進(jìn)行了仿真，Simulink仿真模塊框圖如圖1。模型參數(shù)取值如表1所示[11]。

為了驗(yàn)證本文所建立的模型是否正確，是否能作為燃料電池汽車動(dòng)力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析的工具，本文對(duì)電池堆模塊進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)過程中采用自主搭建的單電池測(cè)試裝置為實(shí)驗(yàn)對(duì)象。用Matlab工具箱中的Fminsearch函數(shù)對(duì)穩(wěn)態(tài)模型進(jìn)行參數(shù)尋優(yōu)和仿真，圖2為PEMFC優(yōu)化模型的性能曲線與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較圖，從仿真結(jié)果可以看出該模型可以較為準(zhǔn)確地反映PEMFC穩(wěn)態(tài)特性。

另外，仿真結(jié)果表明，提高電堆溫度可以提升電堆的功率，但由于質(zhì)子交換膜作為一種有機(jī)膜，溫度過高可能使膜脫水，導(dǎo)致離子電導(dǎo)率下降甚至使膜損壞，而且溫度過高對(duì)車輛的安全性也不利，因此，選用80℃作為電堆的工作溫度。下面再給出圖3~5三個(gè)仿真結(jié)果。

圖3是在空氣流量保持不變的情況下研究氫氣流量對(duì)系統(tǒng)功率的影響，因?yàn)槿剂想姵仄噭?dòng)力系統(tǒng)中壓縮機(jī)的功率損耗是最大的，所以此處系統(tǒng)功率Psystem定義為電堆功率Pstack和壓縮機(jī)消耗功率Pcomp之差。從圖中不難看出，系統(tǒng)功率隨著氫氣進(jìn)料流量的增加先增大后減小，一方面，這是由于在空氣過量的情況下，氫氣流量的增加在一定范圍內(nèi)會(huì)使電堆電流增大。另一方面，氫氣流量的增加伴隨著陽極內(nèi)氫氣分壓的升高，從而使熱力學(xué)可逆電壓有所上升，但由于電流的增大，極化電壓也隨之增大，且比熱力學(xué)可逆電壓的上升幅度大得多，因此電池堆的輸出電壓有所下降。根據(jù)(16)式可知，系統(tǒng)功率存在最優(yōu)值，并且在該工況下，當(dāng)氫氣流量為0.075mol/s時(shí)系統(tǒng)功率達(dá)到最優(yōu)值。

圖4是在氫氣流量保持不變的情況下研究空氣流量對(duì)系統(tǒng)功率的影響，并根據(jù)實(shí)際情況保證空氣充足。由圖可知，隨著空氣流量的逐漸增大，陰極內(nèi)氧氣分壓增大從而提高了熱力學(xué)可逆電壓，因此電堆功率逐步增大。另外，由(1)式可知壓縮機(jī)消耗功率必然隨著空氣流量的增大而增大，并且從圖中可以看出其增大的幅度要比電堆功率大。因此，系統(tǒng)總功率隨著空氣流量的增大先增大后減小。不難看出，在該工況下，空氣流量取0.18mol/s左右時(shí)系統(tǒng)功率達(dá)到最優(yōu)值。

圖5是在其他條件都確定的情況下，研究環(huán)境溫度的變化對(duì)冷卻水流量的影響。從圖中可以看出，冷卻水需求量隨著環(huán)境溫度的升高而增大，并且在該工況下，當(dāng)環(huán)境溫度為298.15K時(shí)，冷卻水用量為5.8mol/s，約0.38m3/h。

3結(jié)論

本文所建立的燃料電池汽車動(dòng)力系統(tǒng)模型，綜圖合了機(jī)理模型和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膬?yōu)點(diǎn)，較為全面地描述了車載燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)，包括燃料供應(yīng)系統(tǒng)、電池堆以及水熱平衡系統(tǒng)。模型在滿足基本精度的前提下忽略了一些次要因素，簡(jiǎn)化了建模過程，仿真結(jié)果表明，該模型可以描述系統(tǒng)參數(shù)、工作環(huán)境等因素的變化對(duì)燃料電池汽車動(dòng)力系統(tǒng)性能的影響，為燃料電池汽車動(dòng)力系統(tǒng)過程工藝的設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。

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