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通过系统仿真评估燃料电池电动汽车的动力性能

作者 Lionel Broglia

探索燃料电池电动汽车多域系统仿真模型的意义,以预测车辆动力总成、燃料电池及其辅助设备以及控制装置之间的相互作用。

 

目的

在零排放汽车的趋势下,整车厂正在考虑将燃料电池作为电池的有效补充,尤其是对于需要长续航里程而无需反复充电的车辆。

然而,将电池堆和 BoP 辅助系统集成到车辆中并非易事。它涉及许多相互作用的物理场和子系统,需要与最佳控制策略完美结合。这样才能达到所需的性能水平,实现最低能耗,同时确保强大的可靠性和使用寿命。

因此,基于多个物理场的系统仿真方法有助于预测和更好地了解燃料电池与其空气和氢气供应系统以及水和热管理系统的集成行为。

Simcenter Amesim 2022.1 中开发了一个新的即用型模板模型。它集成了最新燃料电池电动汽车(如丰田 Mirai现代 Nexo)的经典组件和子系统。

该模型包括以下子系统:

  • 车辆环境和电动机
  • 电网和电池
  • 燃料电池堆
  • 供气系统及其阴极侧的控制
  • 氢气再循环回路及其阳极侧的控制
  • 电池堆冷却系统

该模型允许通过系统仿真评估燃料电池电动汽车的动力性能:车辆续航里程、实际行驶工况的车辆动力性能和氢消耗量。

描述

燃料电池汽车集成草图
燃料电池汽车集成草图

在草图的左侧,没有任何端口的组件用于定义:

  • 混合物中的气体种类、气体特性
  • 液态水特性和水相变条件
  • 电池堆固体部分的热特性
  • 冷却系统模型数据(冷却剂特性和环境条件)


草图的右侧是燃料电池电动汽车模型它由 6 个不同的子系统组成:

燃料电池汽车集成草图
  • 车辆和高级控制器
    • 驾驶和工况循环:驾驶组件用于预测行驶的加速度和制动指令,以实现情景模拟。驾驶员组件的参数窗口可以定义不同的行驶工况,有或没有坡度。在本演示中,我们选择了 WLTC 工况循环。它包括城市、郊区和高速公路行驶,其速度动态可代表真实情况。
    • 电机和制动控制器:计算所需的电机扭矩以确保加速。它还提供车辆遵循行驶工况所需的制动命令。
    • 底盘和环境:车辆组件用于评估整个场景中行驶汽车的加速度和速度。该速度主要取决于电机扭矩、施加在车辆上的阻力和车辆质量。
    • 牵引电机:电机模型将在车辆控制单元中计算的所需扭矩提供给动力总成。在电机和车轮之间应用传动比。
    • 燃料电池控制器:根据车辆的功率需求和燃料电池控制器中设置的充电状态阈值,决定燃料电池堆还是电池为系统提供能量。
  •  电路
    • 一个 245V 高压总线,其中高压电池为冷却泵供电。
    • 一条 650V 功率升压母线,燃料电池堆、空气压缩机和牵引电机都插在其中。DCDC 转换器将这 2 条总线连接在一起。
    • 一个 12V 低压总线,其中低压电池为散热器风扇供电。

请注意,模型中考虑了通过牵引电机的再生制动。在燃料电池控制器中修改电池堆/电池控制策略。用户还可以使用状态图功能开发自己的控制模型,或与其他仿真环境中开发的控制模型进行耦合。

  • 燃料电池堆:它根据电流、温度以及阴极和阳极的工况条件评估电池堆电压。电化学子模型包含 2 个扩散组件,因此堆栈电压取决于电极上的活性物质条件。它还预测了化学反应产生的产物和反应物的摩尔流速,并模拟了水通过膜的传输。考虑到薄膜和双极板的单一热容量,可以预测电池堆的动态热行为。它是燃料电池堆产生的热量与冷却剂回路中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运行。
Simcenter Ameism 燃料电池系统
  • 供气系统
    • 压缩机控制器:它计算为压缩机提供动力的电动机所需的扭矩,以确保达到氧气化学计量目标。
    • 空气压缩机:它为电池堆组件提供所需的空气质量流量,以达到化学计量目标。动力由电机提供,该电机提供必要的转速,以确保所需的质量流量。
    • 膜式加湿器:利用来自电池堆出口的湿空气对干燥空气进行加湿。
    • 电池堆的阴极侧:由两个气体混合室组成,中间有一个扩散组件隔开。它们分别模拟了通道和阴极处的气体混合物成分。扩散组件对气体扩散层上的扩散进行建模
  • 氢气再循环回路
    • 储罐:氢气通过高压罐提供给阳极回路。中间压力调节器可降低压力。喷射器最终提供所需的氢气摩尔流速。
    • 电池堆的阳极侧:由两个气体混合室组成,中间有一个扩散组件隔开。它们分别模拟了通道和阳极处的气体混合物成分。扩散组件对气体扩散层上的扩散进行建模
    • 水分离器:采用功能模型从阳极侧的混合物中去除液态水。
    • 吹扫阀:当氮的摩尔分数高于目标值时,该阀将打开。它浪费了一些氢反应物,但避免了氢气稀释而降低电池堆性能。
  • 冷却系统:冷却系统用于调节电池堆温度。泵用于在冷却回路中生成冷却剂(水和乙二醇混合物)流。当冷却液温度上升到指定阈值以上时,恒温器则打开并向散热器支管释放冷却液。当需要额外的冷却功率时,第二个阈值会触发风扇。
Simcenter Amesim 燃料电池冷却系统草图
Simcenter Amesim 燃料电池冷却系统草图

车辆和动力总成性能

完整的模型允许您通过系统仿真来评估燃料电池电动汽车的动力性能。

第 1 张图显示了行驶工况速度请求和使用车辆模型计算的车速。这两条曲线几乎彼此完美契合,这意味着车辆遵循行驶工况。

第 2 张图显示了车辆续航里程和电池充电状态。电池充电状态与初始阶段的充电状态并不完全相同。因此,如果考虑到电池在工况期间的能量变化,车辆续航里程可能略有不同。

第 3 张图显示了燃料电池堆和电池之间的控制策略,以便为整个电路提供所需的电力。电池堆为牵引电机提供必要的动力,为辅助设备提供电池。当牵引没有电源请求时,电池由电池组充电,并在再生制动期间恢复电力。

Simcenter Amesim 燃料电池电动汽车性能
车辆性能

左上角图表显示了牵引电机扭矩与电机控制器请求扭矩的比较。

右上角图表显示了行驶工况一路移动汽车的电机机械功率和相应的电机损耗。

左下角图表显示了牵引电机速度。

右下角图表显示了牵引电机中的电压和电流。

 

动力总成结果概览
动力总成结果概览

电池堆性能

左上角图表显示了电流密度函数中的电池堆电压工作点。这是燃料电池堆在低/中电流密度和不同工作条件下的极化曲线概览。

右上角图表显示了电池堆功率和反应引起的热损耗。此外,还绘制了行驶工况期间输出的最大电池堆功率。

左下角图表显示了冷却回路中的电池堆和冷却剂温度。冷却液温度低于电池堆温度。这是由于草图中电池堆和冷却系统之间建立了非理想的热交换。

右下角图表显示了膜的含水量和膜质子特异性电阻。膜含水量越低,膜电阻越高,因此欧姆压降越大。

燃料电池电动汽车电池堆性能
电池堆性能

专注于阴极侧

左上角图表显示了进入电池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。

右上角图表显示了根据校正质量流量的压缩机压力比。该曲线叠加在压缩机效率彩色图和压缩机校正的速度等值线上。电路特性和压缩机效率越符合这条线,压缩机效率就越高。因此,出口温度升温越低。

左下角图表显示了阴极的压力、温度、入口温度和入口露温。露水温度是水开始处于液相状态的温度,因此始终可以看到电池堆温度高于露水温度。

右下角图表显示了阴极的物质摩尔分数。由于发生化学反应,氧气摩尔分数低于电池堆入口氧气摩尔分数。

燃料电池汽车阴极电路
阴极电路概述

专注于阳极侧

左上角图表显示了行驶工况中每公里的氢气消耗量。

右上角图表显示了行驶工况期间油箱中氢气的消耗量(以 g 为单位)和氢气的质量。不出所料,氢气的消耗量等于离开水箱的氢气。

左下角图表显示了考虑行驶工况时吹扫损失的氢气的百分比。

右下角图表显示了阳极处的物种摩尔分数。氮气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吹扫停止条件。

 

燃料电池电动汽车阳极回路
阳极回路概述

电力消耗组件

左上角图表显示了整个行驶工况中辅助设备消耗的功率。

右上角图表显示了整个行驶工况中整个系统的功率分布。

左下角图表显示了辅助设备消耗的能量分布。压缩机似乎是主要的消耗组件。

右下角图表显示了整个系统中的能量分布。58% 的能量由电池堆转化为电能。另一部分转化为热量或由辅助设备使用。

燃料电池汽车功率分布
功率分布

结语

我们在这里说明了如何通过系统仿真评估燃料电池电动汽车的动力性能,并模拟集成在 FCEV 中的燃料电池系统的物理行为。对设计选择的虚拟评估可以评估系统的性能及其相对控制。它还有助于指出薄弱环节和待改进地方。这种模型的意义在于能够预测车辆动力总成、燃料电池及辅助装置和控制装置之间的相互作用。

作者:安托万·勒波尔贝努瓦·霍内尔

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