基于物质流接口的燃料电池电堆的双模式仿真方法和设备与流程

1.本发明涉及物理建模技术，尤其涉及一种基于物质流接口的燃料电池电堆的双模式仿真方法和设备。


背景技术：

2.电堆的动态特性仿真在燃料电池单机设计以及燃料电池系统设计验证中占据着举足轻重的地位，针对电池电堆的仿真模型日益增多，通过优化电堆模型，可以有效的提升电堆在单机/系统仿真中的准确性，使之更加贴合实际应用场景，从而指导企业优化电池设计，指导实际车企对系统循环设备的选型和调试，控制器的设计，进而提升燃料电池汽车项目的质量、缩短研发周期以及降低成本。
3.传统的建模仿真方法一是对电堆进行基于过程的信号级建模方式，将整个电池模型拆解为面向过程的顺序执行的模块化仿真系统，这种建模方式要求建模开始前人为对电堆内状态进行简化，例如化学计量比需要以已知输入的方式注入系统，这与电堆实际运行中与系统相互耦合的情况存在矛盾，且极难与上下游组件集成进行系统级仿真，由此会造成仿真系统与真实物理系统的误差，进而影响设计精度与设计效率。方法二是使用simulink进行模块化，通过信号/能量流传递构建电堆上下游关系进行仿真，这会导致电堆无法按照物理拓扑模式接入燃料电池系统。
4.基于上述分析，需要开发一种仿真方法，既能够在燃料电池系统中实现耦合模式仿真，又能在燃料电池系统中实现单机设计分析。


技术实现要素：

5.本发明提供一种基于物质流接口的燃料电池电堆的双模式仿真方法和设备，从而在燃料电池系统中实现耦合模式和单机模式的仿真。
6.第一方面，本发明提供了一种基于物质流接口的燃料电池电堆的双模式仿真方法，包括：配置燃料电池系统的初始参数；所述燃料电池系统包括采用modelica语言进行建模的氢气源、空气源和电堆模型；所述电堆模型包括相连接的切换模块和电堆本体；通过所述切换模块响应于切换为耦合仿真模式，根据空气源和氢气源的物质流数据计算氢气和氧气的化学计量比以及氢气和氧气的湿度，并将计算结果传输给电堆本体；通过所述切换模块响应于切换为单机仿真模式，将预设的氢气和氧气的化学计量比以及氢气和氧气的湿度传输给所述电堆本体。
7.第二方面，本发明提供了一种电子设备，包括：存储器；处理器；以及，存储在所述存储器上并可由所述处理器执行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现任一所述的方法。
8.本发明中，采用modelica语言开发面向物理对象的氢气源、空气源和电堆模型，切换模块的存在以及响应逻辑使得系统可以切换为单机仿真模式或者耦合仿真模式，在耦合仿真模式下，将气源的计算结果传输给电堆本体，从而与上下游组件集成进行系统级的仿真，提高了仿真精度与效率同时便于组件的扩展；在单机仿真模式下，不需要改变整个系统的结构，通过切换模块将预设的数据传输给电堆本体，即可分析不同化学计量比和湿度情况下，电堆本地的设计参数对性能的影响。
附图说明
9.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
10.图1是本发明实施例提供的一种基于物质流接口的燃料电池电堆的双模式仿真方法的流程图；图2是本发明实施例提供的燃料电池系统的结构示意图；图3是本发明实施例提供的人机交互界面上电堆模型参数面板的示意图；图4是本发明实施例提供的一种电子设备的结构图。
具体实施方式
11.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。
12.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
13.在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
14.本发明实施例提供一种基于物质流接口的燃料电池电堆的双模式仿真方法，适用于对燃料电池系统尤其是其中的电堆进行建模和仿真的情况。不同于现有技术中仅对电堆进行单一建模，或者simulink的建模仿真方式，本发明采用面向物理对象的modelica语言进行建模，并创造性地设置了切换模块（虚拟模块）实现燃料电池系统内的耦合/单机仿真模式的切换。本发明实施例提供的方法由电子设备执行，该电子设备上搭建有modelica的仿真环境，并具备仿真燃料电池系统的功能。此外，电子设备可以具有人机交互界面，用于
与用户交互。
15.参见图1，本实施例提供的方法包括：s110、配置燃料电池系统的初始参数。
16.图2是本发明实施例提供的燃料电池系统的结构示意图，燃料电池系统包括采用modelica语言进行建模的氢气源、空气源和电堆模型。电子设备从数据库中或者从人机交互界面上获取用户输入的初始参数，配置在燃料电池系统中。初始参数包括氢气源参数、空气源参数、初始温度、压力、比组分和电堆额定压力，电堆额定流量等，以确保燃料电池系统能够运行起来。
17.电堆模型包括相连接的切换模块和电堆本体，切换模块连接所述氢气源和空气源的气源接口，气源接口用于对上下游组件和电堆模型进行物理连接，并在组件之间传递相关的物质流数据。气源接口传输的物质流数据包括压力、质量流量、比焓值和比组分。本实施例对电堆模型进行改进，相比于现有技术增加了切换模块，且电堆本体并没有直连氢气源和空气源，而是由切换模块去连接，以便切换仿真模式。
18.需要说明的是，本领域技术人员可以依据燃料电池系统中各组件的功能定义，采用modelica语言进行建模，本实施例不限定具体的建模方法或公式。
19.s120、通过所述切换模块响应于切换为耦合仿真模式，根据空气源和氢气源的物质流数据计算氢气和氧气的化学计量比以及氢气和氧气的湿度，并将计算结果传输给电堆本体。
20.s130、通过所述切换模块响应于切换为单机仿真模式，将预设的氢气和氧气的化学计量比以及氢气和氧气的湿度传输给所述电堆本体。
21.可选的，在切换模块中固化切换逻辑，在满足切换条件（例如时间条件）时，切换为耦合仿真模式或者单机仿真模式。在另一可选实施方式中，增加了人为操作性和可控性，在切换模块上设置了人机交互接口，该人机交互接口从人机交互界面上获取用户输入的耦合仿真指令或者单机仿真指令。具体的，在s120处，通过切换模块从所述人机交互接口接收耦合仿真指令后，根据空气源和氢气源的物质流数据计算氢气和氧气的化学计量比以及氢气和氧气的湿度，并将计算结果传输给电堆本体；在s130处，通过切换模块从所述人机交互接口接收单机仿真指令后，将预设的氢气和氧气的化学计量比以及氢气和氧气的湿度传输给所述电堆本体。
22.图3是本发明实施例提供的人机交互界面上电堆模型参数面板的示意图，包括控制开关usegassetup，氢气化学计量比sta、氧气化学计量比stc、氢气湿度rha和氧气湿度rhc，当需要对电堆单机进行设计分析时，usegassetup设置为true，此时化学计量比为预设值sta和stc，通过人机交互接口向切换模块传输单机仿真模式和预设的数据。电堆内按照预设化学计量比进行配气，此时可以直接分析不同化学计量比和湿度对电堆内反应的影响。当需要进行系统匹配以及控制设计时，可以将usegassetup设置为false，通过人机交互接口向切换模块传输耦合仿真模式，此时切换模块采用内耦合式计算化学计量比，通过功率匹配调整进气泵压力，从而影响进气压力、温度，使进气化学计量比达到理想状态。
23.本实施例中，采用modelica语言开发面向物理对象的氢气源、空气源和电堆模型，切换模块的存在以及响应逻辑使得系统可以切换为单机仿真模式或者耦合仿真模式，在耦合仿真模式下，将气源的计算结果传输给电堆本体，从而与上下游组件集成进行系统级的
仿真，提高了仿真精度与效率同时便于组件的扩展；在单机仿真模式下，不需要改变整个系统的结构，通过切换模块将预设的数据传输给电堆本体，即可分析不同化学计量比和湿度情况下，电堆本地的设计参数对性能的影响。
24.下面，详细介绍化学计量比和湿度的计算过程。
25.1、计算氢气的化学计量比：根据氢气源的物质流数据计算阳极氢气入口质量流量，并根据阳极氢气入口质量流量和电堆内氢气消耗量计算氢气的化学计量比。
26.根据式（1）计算阳极氢气入口质量流量。
27.（1）其中：为阳极氢气入口质量流量；为阳极流道额定压力；为阳极流道额定流量；为阳极入口压力；为阳极出口压力。
28.根据式（2）计算电堆内氢气消耗量。
29.（2）其中：为电堆内氢气消耗量；i为电堆内电流；f为法拉第常数；n为电池片数；m
h2
为氢气摩尔质量。
30.阳极氢气入口质量流量除以电堆内氢气消耗量，得到氢气的化学计量比。
31.2、计算氧气的化学计量比：根据空气源的物质流数据计算阴极氧气入口质量流量，并根据阴极氧气入口质量流量和电堆内氧气消耗量计算氧气的化学计量比。
32.根据式（3）计算阴极氧气入口质量流量。
33.（3）其中：为阴极氧气入口质量流量；为阴极流道额定压力；为阴极流道额定流量；为阴极入口压力；为阴极出口压力。
34.根据式（4）计算电堆内氧气消耗量。
35.（4）其中：为电堆内氧气消耗量；i为电堆内电流；f为法拉第常数；n为电池片数；m
o2
为氢气摩尔质量。
36.阴极氧气入口质量流量除以电堆内氧气消耗量，得到氧气的化学计量比。
37.3、计算氢气的湿度：根据氢气源的物质流数据计算阳极蒸汽分压和阳极饱和压力，并根据所述阳极蒸汽分压和阳极饱和压力计算氢气的湿度。
38.根据式（5）计算氢气的湿度，即阳极进气湿度。
39.（5）其中：rha为氢气的湿度；为阳极蒸汽分压；为阳极饱和压力。阳极蒸汽分压和饱和压力可以通过阳极进口压力，介质组分以及氢气和水的摩尔质量进行计算得出。
40.4、计算氧气的湿度：根据空气源的物质流数据计算阴极蒸汽分压和阴极饱和压力，并根据所述阴极蒸汽分压和阴极饱和压力计算氧气的湿度。
41.根据式（6）计算氧气的湿度，即阴极进气湿度。
42.（6）其中：rhc为氧气的湿度；为阴极蒸汽分压；为阴极饱和压力。阴极蒸汽分压和饱和压力可以通过阴极进口压力，介质组分以及氧气和水的摩尔质量进行计算得出。
43.本实施例中，电堆本体采用电化学平衡模块、热平衡模块和相变平衡模块构建。当以上相关计算完成后，化学计量比和湿度进入电堆本体，形成电化学平衡，并以能斯特方程的模式进行表达，方程如下：（7）其中：e为可逆电势；e0为吉布斯自由能；r为气体常数；t为电堆内温度；f为法拉第常数；为氢气浓度；为氧气浓度；为水蒸气浓度。水蒸气浓度通过阴极、阳极温度和湿度进行计算。
44.化学计量比影响各层气体浓度，进而影响电堆内的电化学过程。此时，电堆内的热平衡为：（8）其中：t为电堆内温度；qe为电化学放热；qa为阳极散热；qc为阴极散热；qw为冷却水换热；p为电化学产生电能对外做功。
45.由于各层气体浓度以及温度的变化，各层间的气、液、冰会连续变化，此时形成电堆内的相变平衡，进而反向影响电堆内交换膜以及堵塞流道，从而影响电化学效率。
46.在一些实施例中，如图2所示，燃料电池系统还包括用电设备，在将预设的氢气和氧气的化学计量比以及氢气和氧气的湿度，或者计算结果传输给电堆本体之后，还包括：通过电堆本体计算得到电堆单片的电压和电流；所述电堆本体包括电接口；通过所述电接口与所述用电设备形成回路，计算出所述电堆本体的电流密度并将所述电流密度提供至所述切换模块。当电堆内部电流密度发生变化时，阴阳极流阻发生变化，从而影响阴极阳极供气配比，阴阳极流阻对供气配比的影响参见现有技术，切换模块可以通过电流密度控制阴阳极供气配比，从而使电堆供能和用电设备形成闭环，提升电堆仿真准确性。
47.在实际应用场景中，燃料电池系统包含氢气源、空气源、电堆模型、大气模型以及用电设备，氢气源和空气源负责向电堆提供工质（湿氢气和湿空气）阴极排出气体一部分经循环系统进入气源，一部分排出进入大气，用电设备通过电接口与电堆连接。所有模型均使用面向对象的modelica语言进行建模，系统按照物理世界电堆连接。
48.本实施例中，采用modelica语言开发面向物理对象的氢气源、空气源和电堆模型，切换模块的存在以及响应逻辑使得系统可以切换为单机仿真模式或者耦合仿真模式，在耦
合仿真模式下，将气源的计算结果传输给电堆本体，从而与上下游组件集成进行系统级的仿真，提高了仿真精度与效率同时便于组件的扩展；在单机仿真模式下，不需要改变整个系统的结构，通过切换模块将预设的数据传输给电堆本体，即可分析不同化学计量比和湿度情况下，电堆本地的设计参数对性能的影响。相较于传统的流程式燃料电池建模方式，本方案电堆既可以用于电堆本身的详细设计，又可以串接在燃料电池系统中进行非因果式系统级仿真，仿真精度更高。
49.图4为本发明实施例提供的一种电子设备的结构示意图，如图4所示，该设备包括处理器40、存储器41、输入装置42和输出装置43；设备中处理器40的数量可以是一个或多个，图4中以一个处理器40为例；设备中的处理器40、存储器41、输入装置42和输出装置43可以通过总线或其他方式连接，图4中以通过总线连接为例。
50.存储器41作为一种计算机可读存储介质，可用于存储软件程序、计算机可执行程序以及模块，如本发明实施例中的基于物质流接口的燃料电池电堆的双模式仿真方法对应的程序指令/模块。处理器40通过运行存储在存储器41中的软件程序、指令以及模块，从而执行设备的各种功能应用以及数据处理，即实现上述的基于物质流接口的燃料电池电堆的双模式仿真方法。
51.存储器41可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序；存储数据区可存储根据终端的使用所创建的数据等。此外，存储器41可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非易失性固态存储器件。在一些实例中，存储器41可进一步包括相对于处理器40远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至设备。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。
52.输入装置42可用于接收输入的数字或字符信息，以及产生与设备的用户设置以及功能控制有关的键信号输入。输出装置43可包括显示屏等显示设备。
53.可选的，电子设备还包括人机交互界面，人机交互界面用于接收用户的耦合仿真指令或单机仿真指令；耦合仿真指令或单机仿真指令通过人机交互接口传输至所述处理器。具体参见上述实施例的描述，此处不再赘述。
54.注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。