一种基于功率流动的多学科建模方法与流程

技术特征：
1.一种基于功率流动的氢燃料电池汽车动力系统建模方法，其特征在于，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：v
out
＝e
nernst
‑
v
act
‑
v
conc
‑
v
ohm
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；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：f
t
＝f
r
f
w
f
a
f
η
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。2.根据权利要求1所述的一种基于功率流动的氢燃料电池汽车动力系统建模方法，其特征在于，所述电化学电动势模型e
nernst
的计算公式具体如下：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。3.根据权利要求1所述的一种基于功率流动的氢燃料电池汽车动力系统建模方法，其特征在于，所述活化极化过电压模型v
act
的计算公式具体如下：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。4.根据权利要求2或3所述的一种基于功率流动的氢燃料电池汽车动力系统建模方法，其特征在于，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：通过构建背压调节模型得到：其中，p
a
为电池阳极背压；m1,m2…
m5均为电化学相关系数。
5.根据权利要求1所述的一种基于功率流动的氢燃料电池汽车动力系统建模方法，其特征在于，所述浓差极化过电压模型v
conc
的计算公式具体如下：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。6.根据权利要求1所述的一种基于功率流动的氢燃料电池汽车动力系统建模方法，其特征在于，所述欧姆极化过电压模型v
ohm
的计算公式具体如下：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；其中，v为质子交换膜的含水量，计算公式具体如下：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。7.根据权利要求1所述的一种基于功率流动的氢燃料电池汽车动力系统建模方法，其特征在于，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
：p
eout
＝v
out
×
i8.根据权利要求1所述的一种基于功率流动的氢燃料电池汽车动力系统建模方法，其特征在于，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：1)道路阻力模型f
r
的构建：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：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；其中，t
f(1,2,3,4)
＝gr
s
fcosα，fcosα，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；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：f
z
＝f
z1
f
z2
f
z3
f
z4
＝gcosα
‑
c
lf
aρ
a
u2‑
c
rf
aρ
a
u21.3)通过下述公式计算得到道路阻力模型为f
r
：2)空气阻力模型f
w
的构建：其中，f
w
为空气阻力；c
d
是空气阻力系数。3)加速阻力模型f
a
的构建：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；4)传动效率模型f
η
的构建：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。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
：9.根据权利要求8所述的一种基于功率流动的氢燃料电池汽车动力系统建模方法，其特征在于，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：1)加速度a的计算公式如下：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；2)速度u的计算公式如下：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。3)动力系统消耗功率的计算公式如下：

技术总结
本发明公开了一种基于功率流动的多学科建模方法。以氢燃料电池汽车动力系统为具体研究对象，从动力系统供能装置入手，建立了氢燃料电池电化学机理模型；通过构建电压输出模型研究了燃料电池内部电化学反应动力学和电化学热力学机理，通过构建背压调节模型分析了电极背压与气体有效分压的内在关联机制，代替了以往直接以气体流量或有效分压为输出的模型，实现了燃料电池输出性能的动态精确调节；针对氢燃料电池汽车动力系统负载的能量消耗，建立了动力系统负载各部分阻力模型，并融合为动力系统动力学负载模型。本发明以功率为纽带，实现了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。统供能与耗能的协同分析。统供能与耗能的协同分析。


技术研发人员：伊国栋 伊骊帆 张绍举
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：2021.05.26
技术公布日：2021/11/4