采用虚拟电堆模型集成的燃料电池氢气系统的建模方法与流程

1.本发明涉及新能源发电设备的技术领域，具体而言，尤其涉及燃料电池氢气系统的建模方法。


背景技术：

2.燃料电池是一种通过将氧化剂、还原剂进行化学反应，从而产生电能的装置，不受内燃机卡诺循环效率的制约，能源利用率远高于常规发动机。最常见的燃料电池分别以空气、氢气作为氧化剂、还原剂。根据我国能源政策，推动燃料电池应用的场合主要在于车用、船用，这种大型应用设备往往需要将燃料电池连接到辅助系统上，构成复杂的燃料电池系统。更具体地，燃料电池系统包括电堆(模块)、氢气系统、空气系统、水热管理系统、控制系统，等等。
3.燃料电池及燃料电池系统建模对燃料电池技术的发展至关重要。区别于燃料电池试验的表观研究，燃料电池建模能够从化学机理、传热机理、控制机理上对电池技术进行科学探索，使研究成果更具科学性、更具指导意义。
4.燃料电池氢气系统由于流经的反应介质温度、压力变化剧烈，且包含多款关键零部件，对电池性能影响较大，而氢气的危险属性决定了对氢气系统开展试验具备很大的不便利性。
5.同时，由于燃料电池氢气系统结构复杂，现有技术条件对燃料电池系统建模时常常回避气路模型(仅仅对电池本体进行建模)，或者仅仅对空气系统进行建模，或者对氢气系统模型进行粗略处理。当前已有的技术条件未能完整反映燃料电池氢气系统的可建模特性，不能完全实现氢气系统的仿真研究。


技术实现要素：

6.本发明根据上述背景提出的现有技术未能完整反映燃料电池氢气系统的可建模特性，及不能实现氢气系统的仿真的技术问题，而提供一种采用虚拟电堆模型集成的燃料电池氢气系统的建模方法。其特征在于，包括：提供高压氢气的氢气源模型、虚拟电堆模型、氢气引射器模型、气液分离器模型、pid压力调节器1模型、pid温度调节器2模型，以及连接上述模型的管路模型；
7.所述氢气引射器模型设置在高压入口、低压入口及低压出口分别设置有连接所述氢气源模型的接口1、连接所述气液分离器模型的接口2以及连接所述虚拟电堆模型的接口3
8.进一步地，通过调节所述pid压力调节器1模型进而调节所述氢气引射器模型出口的氢气压力。
9.更进一步地，通过调节所述pid温度调节器2模型进而调节所述虚拟电堆模型的进堆氢气温度。
10.进一步地，所述气液分离器模型通过液位判断装置控制排液阀的开闭。
11.更进一步地，所述氢气源模型还包含：气瓶子模型、一级减压阀子模型、二级减压阀子模型以及用于快速调节阀口压力的电磁阀子模型；所述一级减压阀模型与所述二级减压阀串联连接，氢气流过所述一级减压阀子模型及所述二级减压阀子模型，经由所述电磁阀模型通向所述氢气引射器。
12.更进一步地，所述气瓶子模型包括：氢气源压力、氢气源温度以及氢气源体积；所述一级减压阀子模型及所述二级减压阀子模型作为压力调节组件，模型特征满足进出口压力降以下关系式：
13.δp＝p
set-p1；
[0014][0015]
area＝xv·amax
；
[0016]
其中，xv表示开度；p
set
表示减压阀最小开度时的阀后压力；p
max
表示减压阀最大开度时的阀后压力；area表示减压阀流通面积；p1表示减压阀实际工作时的阀后压力。
[0017]
更进一步地，所述电磁阀子模型通过以下特征方程进行描述：
[0018]
dm
p
＝g(xv·
area)；
[0019]
dh
p
＝f(xv·
area)；
[0020]
所述氢气引射器模型包含：高压入口、低压入口以及一个出口；则所述氢气引射器模型表示为：
[0021]
dm1＝-dm
2-dm3；
[0022]
dm1h1＝-dm2h
2-dm3h3；
[0023][0024][0025][0026]
其中，m1、m2、m3分别表示引射器出口流量、高压入口流量、低压入口流量；h1、h2、h3分别表示引射器出口焓值、高压入口焓值、低压入口焓值；μ、n是无量纲系数；η是引射器效率。
[0027]
更进一步地，所述虚拟电堆模型还具有：消耗氢气模块、生成水模块以及反应腔室；所述消耗氢气模块、生成水模块分别调节虚拟电堆对氢气的消耗量以及水的生成量；
[0028]
所述消耗氢气模块与所述生成水模块，均是质量的增减，满足以下关系式：
[0029][0030]
其中，表示单位腔体内物质质量的生成量；表示单位腔体内物质流进流出的净流出量；r(t)表示单位腔体内物质质量随时间的变化。
[0031]
更进一步地，所述pid调节器子模型为：
[0032][0033]
其中，v表示调节器输入量；u表示调节器输出量；k表示增益量；p、i、d均表示调节因子。
[0034]
更进一步地，所述气液分离器模型还包含：将氢气中的水蒸气按照指定的工况进行冷凝的湿气冷凝子模型以及根据实际工况设置排液规则判断液位高低以及对排液进行开关操作的排液判断子模型；
[0035]
所述湿气冷凝子模型包含从汽态水到液态水的质量转换以及向外界的热量传递，满足以下关系式：
[0036][0037]
其中，v表示腔室容积；r
wv
表示水蒸气理想气体常数；t表示湿空气温度；p
wv
表示水蒸气分压；p
sat
表示湿空气温度下的饱和压力；t表示均质冷凝时间常数；
[0038][0039]
其中，hlg表示潜热；cp表示热容；
[0040]
所述排液判断子模型通过是非模块与热力开关阀门模块的协调作用实现判断功能：
[0041][0042]
其中，k表示排液开或关；x表示实际液位；y表示设置液位。
[0043]
较现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0044]
本发明对采用虚拟电堆模型集成的燃料电池氢气系统进行建模，提出一种燃料电池氢气系统的建模方法，并且充分考虑了电堆对氢气的消耗、对水的生成，可以提高仿真效率，缩短产品开发周期，节约开发成本，规避试验的安全性问题。
附图说明
[0045]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0046]
图1为本发明燃料电池氢气系统流程示意图。
[0047]
图2为本发明燃料电池氢气系统添加引射器的氢气源模块仿真建模图。
[0048]
图3为本发明燃料电池氢气系统添加pid调节的虚拟电堆模块仿真建模图。
[0049]
图4为本发明燃料电池氢气系统气液分离器模块仿真建模图。
[0050]
图5为本发明燃料电池氢气系统仿真建模图。
[0051]
其中，s1～s5表示流体流经线路；e1～e6表示传感器信号流经线路；101表示氢气供应端；102表示一级减压阀；103表示二级减压阀；104表示电磁阀；105表示引射器；106表示第一流量计；107表示第二流量计；108表示第三流量计；201表示pid调节器2模型；202表示pid调节器1模型；203表示氢气消耗单元；204表示水生成单元；205表示湿度计；206表示
反应腔室；207表示温度计；208表示压力计；301表示湿氢气感应端；302表示高液位判断信号；303表示低液位判断信号；304表示排水阀开关控制器；305表示排水阀；306表示水槽；307表示气液分离器；308表示液位信号传递节点；401表示引射器高压入口；402表示引射器低压入口；403表示引射器出口；404表示氢气回流端；405表示pid调节器1模型压力控制端；406表示虚拟电堆氢气1端口；407表示虚拟电堆氢气2端口；408表示电堆湿度传递信号；409表示液位传递信号；410表示水流路径；411表示氢气路径。
具体实施方式
[0052]
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，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前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
[0053]
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
[0054]
图1是基于本发明建立一款燃料电池氢气系统模型的燃料电池氢气系统流程示意图。图2～图5是在图1流程图的基础上，基于本发明建立的一款采用虚拟电堆模型集成零部件的燃料电池氢气系统模型。
[0055]
如图1所示，本实施例氢气系统流程示意图由氢气源模型、气液分离器模型、引射器模型、pid调节器1模型、pid调节器2模型及虚拟电堆模型组成，各模型之间通过流体线路(s1～s5)、传感器信号线路(e1～e6)互相连接。其中，各线路内介质或信号流动方向如图中箭头所示。作为本技术一种优选的实施方式，在本技术中，所述氢气引射器模型设置有高压入口、低压入口及低压出口分别连接所述氢气源模型的接口1、连接所述气液分离器模型的接口2以及连接所述虚拟电堆模型的接口3。所述气液分离器模型通过液位判断装置控制排液阀的开闭。
[0056]
如图2所示，是燃料电池氢气系统添加引射器的氢气源模块仿真模型。其中，氢气瓶子模型101通过控制压力、控制温度、控制体积实现氢气源的特征反应，之后串联一级减压阀102、二级减压阀103、电磁阀104，电磁阀通过pid调节器1模型压力控制端405的实时控制输出引射器105高压入口401所需的压力，高压氢气在引射器105内部与来自氢气回流端404的低压氢气汇流，排出到虚拟电堆氢气1端口406。
[0057]
其中，气瓶子模型包括：氢气源压力、氢气源温度以及氢气源体积。
[0058]
其中，减压阀子模型由以下特征方程反应：
[0059]
δp＝p
set-p1；
[0060][0061]
area＝xv·amax
；
[0062]
其中，xv表示开度；p
set
表示减压阀最小开度时的阀后压力；p
max
表示减压阀最大开度时的阀后压力；area表示减压阀流通面积；p1表示减压阀实际工作时的阀后压力。
[0063]
其中，电磁阀子模型由以下特征方程反应：
[0064]
dm
p
＝g(xv·
area)；
[0065]
dh
p
＝f(xv·
area)；
[0066]
所述氢气引射器模型包含：高压入口、低压入口以及一个出口；则所述氢气引射器模型表示为：
[0067]
dm1＝-dm
2-dm3；
[0068]
dm1h1＝-dm2h
2-dm3h3；
[0069][0070][0071][0072]
其中，m1、m2、m3分别表示引射器出口流量、高压入口流量、低压入口流量；h1、h2、h3分别表示引射器出口焓值、高压入口焓值、低压入口焓值；μ、n是无量纲系数；η是引射器效率。
[0073]
如图3所示，是燃料电池氢气系统添加了pid调节的虚拟电堆仿真模型。其中，pid调节器1模型202根据虚拟电堆压力计208的反馈输出信号通过pid调节器1模型压力控制端405对氢源电磁阀进行控制调节，pid调节器2模型201根据温度计207的反馈输出信号对虚拟电堆反应腔室206进行温度的控制调节，反应腔室206提供氢气消耗、水的生成的场所，是氢气消耗单元203、水生成单元204的组分进入循环的连接环节。
[0074]
其中，pid调节器子模型由以下特征方程反应：
[0075][0076]
其中，v表示调节器输入量；u表示调节器输出量；k表示增益量；p、i、d均表示调节因子。
[0077]
其中，氢气消耗单元子模型、水生成单元子模型由以下特征方程反应：
[0078][0079]
其中，表示单位腔体内物质质量的生成量；表示单位腔体内物质流进流出的净流出量；r(t)表示单位腔体内物质质量随时间的变化。
[0080]
如图4所示，是燃料电池氢气系统气液分离器模块仿真模型。其中，湿氢气感应端301通过电堆湿度传递信号408被气液分离器307所感应，气液分离器307可通过温度控制、
压力控制对湿氢气进行冷凝，液位传递信号409通过高液位判断信号302、低液位判断信号303控制排水阀开关控制器304，以此判断排水阀305的开闭持续时间，最终液态水排向水槽306，相对干的干氢气经氢气路径411流向氢气回流端404，与引射器形成闭环流通。
[0081]
其中，气液分离器子模型由以下特征方程反应：
[0082][0083][0084][0085]
如图5所示，是燃料电池氢气系统仿真模型，是基于图1流程图，根据本发明搭建模型方法，图2～图4各子模型的组合。
[0086]
上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
[0087]
在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
[0088]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。