一种基于功率流动的多学科建模方法与流程

1.本发明属于复杂产品多学科建模领域，具体涉及一种基于功率流动的多学 科建模方法。


背景技术：

2.2020年中国机动车保有量已达3.72亿辆，较2019年增加了3.56％，其中新 能源汽车部分较2019年增加了29.18％，保有量增长至492万辆。目前纯电动汽 车的相关配套技术已经较为成熟，但纯电动汽车的电能完全依赖于电网供应， 因此其环保程度取决于发电方式的环保性，而目前我国仍以传统火力发电为主， 污染较大，此外受锂电池技术的制约，纯电动汽车的发展正面临瓶颈；氢燃料 电池能量密度高且提升空间较大，随着车载供氢、液氢储运等配套技术的发展， 氢燃料电池汽车具有更加环保的技术优势和更加广阔的发展前景。
3.氢燃料电池动力系统性能的不足严重阻碍了我国打造具有实际商用价值的 氢燃料电池汽车的进程，而氢燃料电池汽车动力系统结构复杂、涉及学科领域 广泛、技术难点多，需要借助数字样机技术进行研究以缩短研发周期、减少研 发成本。通过对氢燃料电池汽车动力系统建模方法的研究，可以建立能够准确、 高效求解动力系统各项特性的动力系统模型。


技术实现要素：

4.为了解决背景技术中的问题，本发明提出了一种基于功率流动的氢燃料电 池汽车动力系统建模方法。动力系统能量供应需要根据能量消耗进行调节，从 供能和耗能两方面入手，同时建立氢燃料电池模型与动力系统负载模型，实现 动力系统供能与耗能的协同求解，以真实、全面地反映动力系统的能量输出特 性。
5.通过研究氢燃料电池电化学反应机理，建立电压输出模型；通过研究燃料 电池背压调节机制，建立背压调节模型，并将两部分模型按照燃料电池电化学 的内在逻辑进行融合，得到面向电压输出特性的氢燃料电池电化学机理模型。 针对动力系统负载部分的能量消耗，根据汽车动力学和汽车运动学，建立动力 系统动力学负载模型。
6.一种基于功率流动的氢燃料电池汽车动力系统建模方法采用的技术方案如 下：
7.氢燃料电池汽车动力系统模型包括氢燃料电池电化学机理模型和动力系统 负载模型；氢燃料电池电化学机理模型主要由电化学电动势模型、活化极化过 电压模型、浓差极化过电压模型、欧姆极化过电压模型和背压调节模型组成； 氢燃料电池电化学机理模型v
out
的计算公式如下：
8.v
out
＝e
nernst
‑
v
act
‑
v
conc
‑
v
ohm
9.其中，e
nernst
为电化学电动势模型，v
act
为活化极化过电压模型，v
conc
为浓 差极化过电压模型，v
ohm
为欧姆极化过电压模型；
10.动力系统负载模型主要由道路阻力模型、空气阻力模型、加速阻力模型和 传动效
率模型组成；动力系统负载模型f
t
的计算公式如下：
11.f
t
＝f
r
f
w
f
a
f
η
12.其中，f
r
为道路阻力模型，f
w
为空气阻力模型，f
a
为加速阻力模型组成，f
η
为 传动效率模块。
13.所述电化学电动势模型e
nernst
的计算公式具体如下：
[0014][0015]
其中，δg为吉布斯自由能的变化量；f为法拉第常数；δs为标准摩尔熵的 变化量；r为普适气体常数；为氢气的有效分压；为氧气的有效分压；n 为移动电子数；t
st
为燃料电池运行温度；t
ref
为参考温度。
[0016]
所述活化极化过电压模型v
act
的计算公式具体如下：
[0017][0018]
其中，t
st
为燃料电池运行温度；t
ref
为参考温度；p
c
为电池阴极背压；为 饱和水蒸气压强；i为外电路电流密度；x1,x2…
x
14
均为电化学相关系数。
[0019]
氢气的有效分压和氧气的有效分压通过构建背压调节模型得到：
[0020][0021][0022]
其中，p
a
为电池阳极背压；m1,m2…
m5均为电化学相关系数。
[0023]
所述浓差极化过电压模型v
conc
的计算公式具体如下：
[0024][0025]
其中，r为普适气体常数；t
st
为燃料电池运行温度；f为法拉第常数；i为 电路中的电流大小；i
lim
为燃料电池的极限电流。
[0026]
所述欧姆极化过电压模型v
ohm
的计算公式具体如下：
[0027][0028]
其中，i为电路中的电流大小；s为质子交换膜有效活化面积；r
c
为燃料电 池外电路等效阻抗；l为质子交换膜厚度；γ为质子交换膜电阻率相关系数；
[0029]
其中，v为质子交换膜的含水量，计算公式具体如下：
[0030][0031]
p
c
为电池阴极背压，λ
c
为电池阴极反应物化学计量比，k为质子交换膜含水 量相关系数。
[0032]
所述氢燃料电池电化学机理模型的输出参数为氢燃料电池的输出功率 p
eout
：
[0033]
p
eout
＝v
out
×
i
[0034]
所述动力系统负载模型中的道路阻力模型、空气阻力模型、加速阻力模型 和传动效率模型的具体构建过程如下：
[0035]
1)道路阻力模型f
r
的构建：
[0036]
1.1)以汽车前后轮与道路接触面的中点为中心进行力矩计算，计算汽车行 驶中各车轮的法向反作用力，具体公式如下：
[0037][0038]
其中，g为汽车总重力；b1为前轮到车辆重心的距离；b2为后轮到车辆重心 的距离；l为前后轮之间的距离；α为道路的坡度角；h
g
为车辆重心到轮轴之间 的距离；u为汽车行驶速度；f
zw1
和f
zw2
分别为作用于车身并位于左前、左后 轮接地点上方的空气升力，f
zw3
和f
zw4
分别为分别为作用于车身并位于右前、 右后轮接地点上方的空气升力；t
f1
和t
f2
分别为左前、左后车轮上的滚动阻力偶 矩，t
f3
和t
f4
分别为右前、右后车轮上的滚动阻力偶矩；t
jw1
和t
jw2
分别为左前、 左后车轮上的惯性阻力偶矩，t
jw3
和t
jw4
分别为右前、右后车轮上的惯性阻力偶 矩；f
z1
和f
z2
分别为汽车左前、左后车轮的法向反作用力；f
z3
、f
z4
分别为右前、 右后车轮的法向反作用力；m为汽车总质量；
[0039]
其中，t
f(1,2,3,4)
＝gr
s
fcosα，fcosα，
[0040]
其中，r
s
为车轮半径；c
lf
和c
rf
分别为前后轮的空气升力系数；i
w
为各车轮的 转动惯量；a是迎风面积；ρ
a
是空气密度；f为滚动阻力系数， f0,f1,f4为影响轮胎滚动阻力的固有系数；
[0041]
1.2)根据步骤1.1)中获取的f
z1
,f
z2
,f
z3
,f
z4
计算汽车各轮胎受到的法向反 作用力之和f
z
，具体公式如下：
[0042]
f
z
＝f
z1
f
z2
f
z3
f
z4
[0043]
＝gcosα
‑
c
lf
aρ
a
u2‑
c
rf
aρ
a
u2[0044]
1.3)通过下述公式计算得到道路阻力模型为f
r
：
[0045][0046]
2)空气阻力模型f
w
的构建：
[0047][0048]
其中，f
w
为空气阻力；c
d
是空气阻力系数。
[0049]
3)加速阻力模型f
a
的构建：
[0050][0051]
其中，f
a
为加速阻力；i
w
为各车轮的转动惯量；r
s
为车轮半径；
[0052]
4)传动效率模型f
η
的构建：
[0053][0054]
其中，t为电动机转矩；i0为主减速器传动比；η
t
为动力系统传动效率。
[0055]
5)根据动力系统中各负载阻力的计算公式，得到动力系统负载模型f
t
：
[0056][0057]
所述动力系统负载模型f
t
的输出参数为加速度a、速度u和动力系统消耗功 率其中加速度a、速度u为加速阻力模型的输出参数
[0058]
1)加速度a的计算公式如下：
[0059][0060]
其中，a为动力系统产生的加速度；η
t
为动力系统传动效率；p
e
为动力系统 的驱动功率，即等于氢燃料电池的输出功率，p
e
＝p
eout
＝v
out
×
i；
[0061]
2)速度u的计算公式如下：
[0062][0063]
其中，t0为初始时间；u0为初始速度，即t0时刻的汽车运行速度。
[0064]
3)动力系统消耗功率的计算公式如下：
[0065][0066]
本发明的有益效果：
[0067]
1、氢燃料电池电化学机理模型部分，相比传统模型以反应气体流量或有效 分压作为输入，本模型以阴阳两极背压大小作为输入，更加符合燃料电池生产 应用中的实际情况，得到更加精确的求解结果。
[0068]
2、通过所建立的氢燃料电池电化学机理模型和动力系统动力学负载模型， 实现了以功率为纽带对氢燃料电池汽车的驱动力和阻力、动力系统供能与耗能 的协同分析。
附图说明
[0069]
图1为氢燃料电池电化学机理模型图；
[0070]
图2为电化学enernst电动势部分的模型图。
[0071]
图3为活化极化过电压部分的模型图。
[0072]
图4为浓差极化过电压部分的模型图。
[0073]
图5为欧姆极化过电压部分的模型图。
[0074]
图6为电压输出模型图。
[0075]
图7为氢燃料电池背压调节模型。
[0076]
图8为动力系统动力学负载模型。
[0077]
图9为道路阻力部分模型图。
[0078]
图10为空气阻力部分模型图。
[0079]
图11为加速阻力部分模型图。
具体实施方式
[0080]
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0081]
本发明包括氢燃料电池电化学机理模型和动力系统动力学负载模型。氢燃 料电池电化学机理模型是对动力系统供能装置进行的建模，动力系统动力学负 载模型是针对动力系统负载的能量消耗进行的建模。通过氢燃料电池电化学机 理模型和动力系统动力学负载模型，实现了以功率为纽带对氢燃料电池汽车的 驱动力和阻力、动力系统供能与耗能的协同分析。
[0082]
如图1所示，氢燃料电池电化学机理模型包含电压输出模型和背压调节模 型两部分。电压输出模型以燃料电池运行温度、电流、氢气有效分压、氧气有 效分压、阴极背压为输入参数，以燃料电池输出电压为输出参数。相较于现有 的氢燃料电池相关模型，本发明的氢燃料电池电压输出模型对反应气体有效分 压、电池运行温度、反应气体化学计量比、电池内湿度等因素均进行了详细计 算，考虑的燃料电池影响因素更加全面，因此对输出电压的求解结果也更加精 确。
[0111]
其中，f0,f1,f4的实际取值如下：f0＝0.0076；f1＝0.000056；f4＝0
[0112]
空气阻力模型f
w
如图10所示：
[0113][0114]
加速阻力模型f
a
如图11所示：
[0115][0116]
加速阻力模型的输出参数为f
a
、a、u。
[0117]
本发明提出了动力系统多模型集成建模方法，根据氢燃料电池电化学机理 模型、动力系统动力学负载模型之间的逻辑关系与互馈信息流向集成为动力系 统模型，描述了氢燃料电池汽车仿真计算流程。在进行氢燃料电池汽车动力系 统仿真时，将氢燃料电池电化学机理模型的输出电压与电路电流相乘可得输出 功率。在氢燃料电池独立供电的动力系统中，以氢燃料电池的输出功率作为动 力系统动力学负载模型的输入参数，可以进行动力系统的仿真分析。动力系统 动力学负载模型可以计算动力系统当前的功率消耗和功率需求。氢燃料电池电 化学机理模型需要以此为依据进行输出功率的调整，并将氢燃料电池输出功率 传递给动力系统负载模型，结合驱动功率与阻力功率进行汽车当前加速度与速 度的计算，由此形成迭代运算。