燃料電池汽車動力系統(tǒng)建模分析概述目錄TOC\o"1-3"\h\u1711.1燃料電池系統(tǒng)建模 115341.1.1燃料電池建模 117139表1.1物理特性模型參數(shù) 322525表1.2功能模型參數(shù) 323827（1）增濕器模型 418787（2）氣液分離器模型 531017（3）燃料電池電堆 65477（3）儲氫罐建模 7248271.2.2燃料電池輸出特性曲線 7298291.3蓄電池建模 944681.1.1蓄電池建模 9175851.1.2蓄電池輸出特性曲線 1168581.4DC/DC轉換器建模 11243861、電壓匹配 11151112、對燃料電池進行保護 12296601.5電機的建模 121.1燃料電池系統(tǒng)建模1.1.1燃料電池建模燃料電池汽車含有多個動力源，燃料電池則為其主要的供能裝置。與原電池和二次電池不同的是，燃料電池發(fā)電需要有一相對復雜的系統(tǒng)。其結構包括燃料電池電池電堆、燃料供應子系統(tǒng)、氧化劑供應子系統(tǒng)、水熱管理子系統(tǒng)及電管理與控制子系統(tǒng)等。圖1.1PEMFC結構及工作原理示意圖燃料電池組的陰極通入空氣，陽極通入純氫。空氣壓縮機由電動機驅動。它的速度受到調控以調整空氣流量來滿足燃料電池的功率要求。然后氣流在到達燃料電池堆之前被加濕器加濕。隨后，進入質子交換膜燃料電池電堆陰極（氧氣得電子）。在出口處，安全閥用于在高壓情況下釋放空氣。然后，使用氣液分離器從氣流中回收一部分水。加濕器和氣液分離器之間會交換一些熱量，以預熱進氣并冷卻排氣。這改善了渦輪的加濕和能量回收。在陽極側，氫氣由純氫罐和壓力調節(jié)閥供給?；亓鞅糜糜趯碜詢薜臍錃馀c來自煙囪出口的氫氣混合。這是一種在陽極入口獲得溫暖和增濕氫氣的方法，也是避免氮氣和水在陽極出口積聚的一種方法。高壓的氫氣經過增濕進入燃料電池電堆的陽極（氫氣失去電子）。最后，間歇吹掃器用于定期吹掃水和氮氣中的氫氣。在陽極氧化劑層一分子氫氣失兩個電子電子轉化為兩個氫離子，反應生成的氫離子通過質子交換膜流向陰極。在陰極催化層一分子氧氣得四個電子與四分子氫離子反應生成兩分子水，電子通過外電路形成電流，電流從正極流向負極，為負載提供電能。陽極反應式:H2?2陰極反應式:O2總反應式:2H本文建立了燃料電池系統(tǒng)的物理特性模型和功能模型：圖1.2物理特性模型圖1.3功能模型物理特性模型的主要參數(shù)如下：表1.1物理特性模型參數(shù)重要參數(shù)名稱參數(shù)值最大電流/A500電流范圍/A0~160電壓范圍/V240~280電池節(jié)數(shù)330最大工作效率對應的功率/kW40功能模型的主要參數(shù)如下：表1.2功能模型參數(shù)重要參數(shù)名稱參數(shù)值重要參數(shù)名稱參數(shù)值電堆質量/kg50氫氣罐的容積/L50電池節(jié)數(shù)330氫氣罐壓力/bar700單節(jié)電池面積/cm^2800卸壓閥調節(jié)壓力/bar1.5重要參數(shù)名稱參數(shù)值重要參數(shù)名稱參數(shù)值陽極容積/L0.2排氣周期/s1000陰極容積/L0.2排氣時間/s10陰極換熱面積/cm^21000加濕器容積/L1陽極換熱面積/cm^21000目標相對濕度90冷卻流道面積/mm^2330×8000加濕器換熱面積/cm^21000陽極換熱系數(shù)/(W/m21000加濕器換熱系數(shù)/(W/m21000陽極換熱系數(shù)/(W/m21000冷卻系統(tǒng)調節(jié)溫度/℃50冷卻流道換熱系數(shù)/(W/m25000如上圖1.3所示，增濕器、空氣壓縮機、氣液分離器等裝置構成了燃料電池的氧化劑供應子系統(tǒng)，高壓氫氣罐、回流泵、流量控制等裝置構成了燃料電池的燃料供應子系統(tǒng)，冷卻器等裝置構成了水熱管理子系統(tǒng)，燃料電池電堆及其控制部分構成了電管理與控制子系統(tǒng)。該功能模型會根據(jù)燃料電池單元的極化曲線從電流中推斷電壓，然后根據(jù)單元的串并聯(lián)對電壓進行疊加。根據(jù)電流，該模型還估算了在兩個電極上消耗和產生的物質流量。功能模型中的各個復雜模型解釋如下：增濕器模型如圖1.5所示，這個組件可以用來模擬一個完美的加濕器模型。它在氣體混合物流中引入水，以達到作為參數(shù)設置的相對濕度目標。該模型使用一個與濕度傳感器相關的腔室和一組信號部件（信號塊），可以控制和調整腔室中的濕度?？刂品绞讲捎玫氖荘ID控制器，要先設置濕度目標，然后采用PID控制器對引入氣體中的水量進行調節(jié)，使目標濕度和進氣濕度的測量值之間的差值最小。為了達到加濕器出口處的相對濕度目標并在模擬過程中保持穩(wěn)定，必須根據(jù)使用的流量范圍調整PID參數(shù)。此處選用了PI控制器，即用0作為微分增益。該模型還同時估計了加濕器消耗的水量。圖1.5增濕器模型相對濕度的計算方式如下：log10?umanityrel式中：T為增濕器的工作溫度，Pwater為水蒸氣的分壓力，P氣液分離器模型如圖1.6所示，此組件能夠模擬一個完美的氣液分離器模型。它可以從氣體混合物流中除去水分，以便將相對濕度限制在100%。與增濕器模型相似，該模型使用了一個與濕度傳感器相關的腔室和一組信號部件（信號塊），可以控制和調整腔室中的濕度。該模型的最大相對濕度比設置為100%。當相對濕度大于100%時，PID控制器將會減小氣體中的所含的水分，以使相對濕度在100%以內。此處依然選用了PI控制器，即用0作為微分增益。該模型估計氣液分離器所回收的水量。圖1.6氣液分離器模型（3）燃料電池電堆如圖1.7所示，該模型能夠模擬質子交換膜燃料電池（PEMFC）模型。這個組件用兩個腔室來代表燃料電池的兩個電極。它根據(jù)VCU要求PECMFC提供的電流來估算燃料電池的輸出電壓。電堆的溫度會根據(jù)電化學反應損失和與冷卻系統(tǒng)的熱交換來計算得出的。模型還估算了陽極和陰極出口處氣流的成分、溫度和壓力。最后，它可以確定電流密度和電功率值、燃料電池電堆反應的化學計量比、電效率和熱耗量。信號組件（被描述為信號塊）用于評估電壓隨時間的變化、消耗的反應物質量、產生的水量以及電堆釋放的熱量。圖1.7燃料電池電堆模型該模型主要基于一條極化曲線（燃料電池的電壓-電流密度曲線）作為參數(shù)，因此我們需要得到電池的電流密度：i=IN式中：I為VCU需求的電流，S為單節(jié)燃料電池的面積，N為燃料電池節(jié)數(shù)。消耗的氫氣、氧氣反應速率也可得出：qi式中：qi為氫氣/氧氣反應速率（mol/s），Ncell為燃料電池節(jié)數(shù),I為VCU需求的電流，儲氫罐建模如圖1.8所示，該模型模擬了高壓儲罐及其調壓器。該模型能夠計算得到計算流出的氣體量、壓力、溫度和罐內剩余氣體的質量。它由一個與壓力調節(jié)器相關的腔室、一個質量流量傳感器和一個用于計算從油箱流出的氣體質量的信號塊（信號塊）組成。高壓氫氣經由調壓閥卸壓后通入電堆的極板中。圖1.8儲氫罐模型1.2.2燃料電池輸出特性曲線燃料電池的反應原理實則即為氫氣與氧氣反應生成水，電池內部的化學反應存在阻力，當反應進行時，需要消耗一部分能量來克服阻力，最終造成能量的衰減，這種衰減被稱為電池的極化現(xiàn)象，可以從燃料電池的伏安特性曲線（圖1.9）中明顯觀察到。導致這種不可逆衰減主要是由三種極化現(xiàn)象引起的，分別是：活化極化、歐姆極化與濃度差極化。圖1.9燃料電池的輸出特性曲線活化極化：當電流較小時，電壓隨電流的升高下降較快，這主要是由活化極化損失引起的。其主要原因是電子從電極與反應物和產物的轉移克服的阻力。歐姆極化：隨著電流的增加，電壓隨電流的升高下降變慢，電壓的下降是由燃料電池系統(tǒng)串聯(lián)回路中各電力元件的電阻引起的。濃度差極化：當電流較大時，電壓隨電流的升高下降又會變快，這是由于反應產生的氣體增多，大量的氣體分子會造成氣體擴散通道的阻塞，產生壓降。同時輸出功率波動的過快也會放大不可逆損失。可以從如下途徑入手提升燃料電池系統(tǒng)的輸出特性：首先，可以從電池本身入手，例如：優(yōu)化電池的工作溫度、供氣壓力等參數(shù)；其次，可以制定合理的能量控制策略，與蓄電池配合工作，使電池工作在最優(yōu)輸出特性工作區(qū)。物理特性模型所選用的燃料電池系統(tǒng)電壓與電流特性曲線如圖1.9所示，氫氣消耗量與電流特性曲線如圖1.10所示。圖1.9所選用的輸出特性曲線圖1.10所選用氫氣消耗量與電流特性曲線1.3蓄電池建模1.1.1蓄電池建模鋰離子動力電池是燃料電池汽車的輔助動力源，動力系統(tǒng)的母線電壓是由其輸出電壓決定的。鋰離子電池的工作原理：充電時，LiCoO2失電子生成鋰離子化合物和鋰離子，鋰電子在電解液中游離到陰極，在陰極得電子生成CLix嵌入到陰極材料中；放電時，負極的C陽極反應：LiCoO2陰極反應：C+x總反應：LiCoO2正極反應：Li1?x負極反應：CLi總反應：CLi電池的單體輸出電壓由式（1.14）得到，而單體輸出電壓乘以電池的單體個數(shù)即得到動力電池組的輸出電壓。電池的SOC狀態(tài)需要計算得的，進而反饋給ECU，首先需要一個初始值，其次需要知道電池的額定容量，它表示了電池所能提供的最大電量，除此之外，其電荷量和時間也會決定電池的SOC狀態(tài)。VcellVbankdSOCdt式中：Vcell、V0cell、Vbank分別為單體輸出電壓、單體開路電壓、電池組輸出電壓，Rcell為單體內阻，鋰離子動力電池的模型如圖1.11所示：圖1.11鋰離子電池模型其模型參數(shù)設置如下：表1.3鋰離子電池模型參數(shù)重要參數(shù)名稱參數(shù)值鋰離子電池額定容量/(A?h8單節(jié)電池排列方式1并108串初始SOC75標稱電壓/V310最高放電倍率/C101.1.2蓄電池輸出特性曲線本文選用的蓄電池輸出曲線如圖1.12所示，其放電狀態(tài)大致分為三個階段：第一個階段處于高SOC區(qū)域，此時隨著放電的進行，電池的電壓下降較快，如果此時對蓄電池繼續(xù)充電，有可能會導致電池的過充電。過充電會使陰極的鋰離子過多嵌入到材料中，陰陽極的活性物質發(fā)生無法修復的破壞，電池容量會明顯衰減，電解液也會分解，產生大量氣體，放出大量的熱，進而導致正負極接觸短路，有可能引起電池爆炸。第二個階段處于中SOC區(qū)域，此時電壓較為平穩(wěn)，是理想的工作區(qū)間。第三個階段處于低SOC區(qū)域，此時隨著放電的進行，電池的電壓下降較快，如果此時讓蓄電池繼續(xù)放電，有可能會導致電池的過放電。過放電會使負極的鋰離子大量析出，會使電池內壓升高，使電池正負極發(fā)生不可逆的破壞，電解液也會分解，導致蓄電池壽命嚴重降低。經過上述分析，電池的SOC一定要控制在合理的范圍內，否則電池的壽命、電池的容量以及安全性都會受到威脅。我們注意到SOC在70%-90%之間，電壓變化幅度極小，可以達到理想的效果。圖1.12鋰離子電池輸出特性曲線1.4DC/DC轉換器建模直流-直流轉換器（DC/DC轉換器）是一種將直流電能轉換為負載所需的電壓或電流可控的直流電能的電力電子設備。DC/DC轉換器的作用主要有以下兩點：電壓匹配燃料電池的輸出電壓會在一定范圍內變動且變化幅度大，而負載部件，如驅動電機系統(tǒng)，在工作中對輸入電壓的波動有嚴格的限制，這些部件的電壓若超過一定的范圍，會致使其不能正常工作，更有可能會失效或損壞。除此之外，燃料電池的輸出電壓與直流母線之間的電壓不匹配，這是也需要DC/DC轉換器將兩者連接。對燃料電池進行保護DC/DC轉換器可以根據(jù)動力系統(tǒng)以及動力系統(tǒng)的工作狀態(tài)對動力源端電壓或斷電流進行控制，從而保證動力源的運行安全。本文搭建了DC/DC轉換器的物理特性模型，如圖1.13所示：圖1.13DC/DC轉換器物理特性模型鋰離子電池的輸出功率與DC/DC轉換器的輸出功率和電機的需求功率存在如下關系:Pbattery+PDC/DC=式中：Pbattery、PDC/DC、1.5電機的建模電機將汽車的電力系統(tǒng)與動力系統(tǒng)聯(lián)系起來。電機正轉會傳遞轉矩經由主減速器、差速器驅動汽車；電機反轉時可以給輔助動力源進行充電。其模型如圖1.14所示：圖1.14電機模型電機