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力系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。運用Matlab/Simulink軟件進行模型構(gòu)建和系統(tǒng)仿真，研究了主要操作條件對系統(tǒng)性能的影響。通過仿真結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)的對比，表明該模型能較為準確地反映動力系統(tǒng)的特性，為燃料電池汽車動力系統(tǒng)的研究和設(shè)計提供理論依據(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)域進行競爭的焦點之一。與傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車相比，燃料電池汽車不通過熱機過程，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)燃機汽車不可比擬的優(yōu)點，同時仍然可以保持傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車高速度、長距離行駛和安全、舒適等性能，被認為是21世紀首選的潔凈、高效運輸工具。

動力系統(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)燃機汽車和其他類型電動汽車的標志，因此，對燃料電池汽車動力系統(tǒng)進行研究具有非常重要的意義。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，建模仿真技術(shù)已經(jīng)成為汽車動力系統(tǒng)研發(fā)過程中的一個重要手段。通過仿真分析可以靈活地調(diào)整設(shè)計方案，合理優(yōu)化參數(shù)，預(yù)測不同操作條件下的系統(tǒng)性能，有助于樣車的制造和試驗。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對于燃料電池汽車動力系統(tǒng)中的電池堆模型研究得較多，可分為經(jīng)驗?zāi)Ｐ秃蜋C理模型，經(jīng)驗?zāi)Ｐ陀捎诮Y(jié)構(gòu)簡單可以大大縮短建模時間，早在1995年，Kim等人[2]就建立了一個描述電壓與電流密度之間關(guān)系的經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，最近，Alejandro等人[3]也開發(fā)了一個半經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，描述了氣體流道和氣體擴散層中各組分的流體動力學(xué)、熱傳導(dǎo)動力學(xué)和溫度影響。機理模型則更有利于對電池堆內(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)點是旨在建立燃料電池動力系統(tǒng)的完整模型。

燃料電池汽車動力系統(tǒng)中運用最為廣泛的動力源是質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)，本文以Matlab/Simulink軟件為仿真平臺建立了質(zhì)子交換膜燃料電池汽車動力系統(tǒng)的完整模型。整套動力系統(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系統(tǒng)性能的影響。

1系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

在實際應(yīng)用中，燃料電池汽車動力系統(tǒng)的工作壓力和反應(yīng)氣類型的選擇要考慮儲存反應(yīng)氣的氣瓶在車載時所受到的重量和尺寸限制、汽車續(xù)航里程的要求、燃料的經(jīng)濟性、系統(tǒng)工作的安全性和噪音等問題。本文的模擬對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罐內(nèi)，經(jīng)減壓閥再進入電池堆，空氣供給采用無油型螺桿壓縮機壓縮至一定壓力，經(jīng)加濕后進入電池堆進行反應(yīng)。

1.1燃料供應(yīng)模塊

(ⅰ)壓縮機模型。壓縮機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不僅需要滿足無油潤滑的結(jié)構(gòu)設(shè)計，而且對它的重量、體積、變轉(zhuǎn)速運行特性以及電堆參數(shù)變化的動態(tài)響應(yīng)性能等都提出了嚴格的要求。本文中燃料電池汽車動力系統(tǒng)選用較為常用的螺桿壓縮機作為模擬對象，并假設(shè)壓縮機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行吸氣、壓縮和排氣。

2仿真結(jié)果驗證與分析

根據(jù)以上模型，本文利用Matlab/Simulink軟件對質(zhì)子交換膜燃料電池汽車動力系統(tǒng)的不同工況進行了仿真，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力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析的工具，本文對電池堆模塊進行了實驗驗證，實驗過程中采用自主搭建的單電池測試裝置為實驗對象。用Matlab工具箱中的Fminsearch函數(shù)對穩(wěn)態(tài)模型進行參數(shù)尋優(yōu)和仿真，圖2為PEMFC優(yōu)化模型的性能曲線與實驗數(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系統(tǒng)功率的影響，因為燃料電池汽車動力系統(tǒng)中壓縮機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和壓縮機消耗功率Pcomp之差。從圖中不難看出，系統(tǒng)功率隨著氫氣進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，當氫氣流量為0.075mol/s時系統(tǒng)功率達到最優(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系統(tǒng)功率的影響，并根據(jù)實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左右時系統(tǒng)功率達到最優(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，當環(huán)境溫度為298.15K時，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力系統(tǒng)模型，綜圖合了機理模型和經(jīng)驗?zāi)Ｐ偷膬?yōu)點，較為全面地描述了車載燃料電池動力系統(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)境等因素的變化對燃料電池汽車動力系統(tǒng)性能的影響，為燃料電池汽車動力系統(tǒng)過程工藝的設(shè)計提供理論指導(dǎo)。

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