【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及氢能技术，具体涉及一种氢燃料电池发动机系统仿真模型构建方法。
技术介绍
1、氢燃料电池发动机是一个包括电堆、氢气供给子系统、空气供给子系统、水热管理子系统以及电气子系统等涵盖电化学反应器、阀门、泵、换热器、流体结构件、压缩机、过滤器、控制器、高低压变换器以及各类传感器等众多辅件的高复杂度动力系统。对整个系统进行模型构建并基于高精度模型进行性能仿真分析与预测对于氢燃料电池发动机系统的正向设计开发尤为重要。
2、目前对氢燃料电池发动机系统的模型构建方法主要有机理模型、半经验模型、经验模型、等效电路模型与数据驱动(智能)模型等，其中研究较多的建模方法是机理建模与经验建模。针对氢燃料电池发动机系统的模型构建方法主要有以下几类:基于经验公式来拟合系统输出外特性的稳态模型、基于内阻和温度函数表征系统输出性能的电气等效电路模型、基于一维或零维空间尺度搭建的系统外特性稳态或动态模型。现有大部分氢燃料电池发动机系统模型只通过上述提及的某一种方法构建，但任何一种单一的建模方法都存在一定的缺陷，如：1)机理模型构建复杂且计算成本高、半经验模型对机理描述不够完整、经验模型缺乏内部机理特性的描述且精度一般、等效电路模型采用电子元件模拟实际特性无法真实反应内部机理、数据驱动(智能)模型需要大量的数据集作支撑亦无法分析内部具体参数对电池的影响；2)基于建模工具建立的模型通常无法对不同的系统设计需求进行高灵活度的建模仿真分析，且很难直接用于复杂控制器的动态仿真测试；3)基于常微分方程建立的面向控制器设计的零维系统模型通常忽略了燃料电池
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于提供一种氢燃料电池发动机系统仿真模型构建方法。
2、本专利技术的技术方案是：
3、一种氢燃料电池发动机系统仿真模型构建方法，包括以下步骤：
4、步骤1：基于燃料电池阳极/阴极燃料气及水路冷却液实际物性参数标准构建仿真模型流体物性库；其中物性参数包括流量、压力、各组分质量分数、摩尔质量、摩尔分数、气体分压等；
5、步骤2：基于氢燃料电池发动机系统、电堆及零部件的实际工作原理及性能参数构建燃料电池电堆仿真模型、氢气供给子系统仿真模型、空气供给子系统仿真模型、水热管理子系统仿真模型以及电气子系统仿真模型；
6、步骤3：将步骤1所述建立的流体物性库作为步骤2中各子系统仿真模型的输入源项，各子系统仿真模型计算的输出同时作为燃料电池电堆模型计算的输入，联立全系统模型进行调试与计算校核；
7、步骤4：对步骤3中调试与计算校核后的全系统模型进行初始化运行；
8、步骤5：对实际氢燃料电池发动机系统进行全工况测试，并将测试数据根据仿真模型所需输入参数分工况整理输入；
9、步骤6：将全工况实验数据输入初始化模型并进行多次仿真计算，对全系统模型进行参数标定及调试校核，进一步优化模型、提升精度；
10、步骤7：根据实际仿真需求判断是否进行动态控制运行工况仿真，如是则构建系统动态控制算法模型并进行动态iv性能与系统性能指标仿真输出，如否则进行稳态iv性能、系统性能指标仿真输出结果；
11、步骤8：基于前述步骤构建的全系统高精度模型，完成模型的模块化、参数化、美观化封装开发。
12、进一步的技术方案，步骤2中燃料电池电堆模型构建方法具体包括以下步骤：
13、步骤a：通过构建阳极气体扩散传输模型、阳极催化层模型及阳极燃料气电化学反应模型来模拟阳极气体在燃料电池阳极发生的扩散、吸附、解离、传质、电化学反应等一系列基元反应微-介观机理过程；
14、步骤b：通过构建电解质膜离子传输模型、电解质膜水跨膜传输模型及电解质膜氮气跨膜传输模型来模拟阳极气产生的质子跨越燃料电池电解质膜传输至阴极，以及阴极产生的水和阳极通入的氮气渗透到电解质膜两侧等的一系列基元反应微-介观机理过程；
15、步骤c：通过构建阴极气体扩散传输模型、阴极催化层模型及阴极空气电化学反应模型来模拟阴极气体在燃料电池阴极发生的扩散、吸附、解离、传质、电化学反应等一系列基元反应微-介观机理过程；
16、步骤d：通过构建阳极流道流场模型、冷却液流道流场模型及阴极流道流场模型来模拟阳/阴极气体与冷却液在流道内的流动过程，包括总流体介质及各组分流体的压力、流量、反应消耗量、温度等的实时分布状态；
17、步骤e：通过构建电堆热平衡模型、电堆水平衡模型及电堆水热平模型来模拟燃料电池内部热量平衡变化过程及水传输平衡变化过程，根据入堆气体和冷却液流量、温度及其他物性参数与能量平衡公式计算冷却液散热量及出堆气体和冷却液流量、温度等指标，根据步骤b所述电解质膜水跨膜传输模型及入堆气体湿度、流量及其他物性参数与达西定律(darcy’s law)、气液二相变、氢气/氧气在水中的扩散系数、水的含量等计算电堆内部水平衡状态；
18、步骤f：通过燃料电池堆模型输出氢燃料电池发动机发电输出外特性性能参数。
19、进一步的技术方案，步骤d中阳极流场模型建模时主要考虑阳极流道内压力变化与流道内气体流量的关系，其中模型关键计算公式为：
20、
21、
22、式中：m为气体摩尔质量，v为阳极流道体积，w表示气体质量流速，kpos为电堆阳极流道流动阻力系数，分别为阳极进、出口气压。
23、进一步的技术方案，步骤e中热平衡模型关键计算公式为：
24、
25、进一步的技术方案，步骤2中所述的氢/空/水/电供给子系统模型，其构建方法具体包括以下步骤：
26、步骤a：对氢气供给子系统进行算法模型构建，其中，进氢开关阀比例阀、氢循环泵、引射器、排气阀及排气阀等采用基于性能map查表的数据驱动自学习智能算法与工作原理机理模型相结合的建模方式，阳极进气管路建模时主要考虑管内压力变化与气体流量的关系，其中模型关键计算公式表示为：
27、
28、式中：m为管路内气体摩尔质量，v为管路体积，w表示管路内气体流量，kam为阳极进气管路流动阻力系数，pam为管路压力，pa为电堆阳极流道压力。
29、步骤b：对空气供给子系统进行算法模型构建，其中，空压机、截止阀采用基于性能map查表的数据驱动自学习智能算法与工作原理机理模型相结合的建模方式；中冷器与增湿器采用基于能量守恒与质量守恒工作原理的机理模型与半经验模型相结合的建模方式；阴极进/排气管路建模方法与上述阳极进/排气管路建模方法类似，此处不再详细赘述；背压阀建模主要考虑流经背压阀的气体流量与背压阀两端的压力比、开口有效截面积和阴极排气管路压力等之间的关系，其中模型关键计算公式表示为：
30、
31、
32、式中：cbkv为背压阀流量系数，abkv为背压阀开口有效截面积，dbkv为背压阀开度，取值范围为0～1。
33、步骤本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种氢燃料电池发动机系统仿真模型构建方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种氢燃料电池发动机系统仿真模型构建方法，其特征在于，步骤2中燃料电池电堆模型构建方法具体包括以下步骤：
3.根据权利要求2所述的一种氢燃料电池发动机系统仿真模型构建方法，其特征在于，步骤d中阳极流场模型建模时主要考虑阳极流道内压力变化与流道内气体流量的关系，其中模型关键计算公式为：
4.根据权利要求2所述的一种氢燃料电池发动机系统仿真模型构建方法，其特征在于，步骤e中热平衡模型关键计算公式为：
5.根据权利要求1所述的一种氢燃料电池发动机系统仿真模型构建方法，其特征在于，步骤2中所述的氢/空/水/电供给子系统模型，其构建方法具体包括以下步骤：
6.根据权利要求1所述的一种氢燃料电池发动机系统仿真模型构建方法，其特征在于，步骤7中所述动态控制算法模型，其构建方法具体包括以下步骤：
7.根据权利要求1所述的一种氢燃料电池发动机系统仿真模型构建方法，其特征在于，步骤8的具体构建方法包括以下步骤：
【技术特征摘要】
1.一种氢燃料电池发动机系统仿真模型构建方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种氢燃料电池发动机系统仿真模型构建方法，其特征在于，步骤2中燃料电池电堆模型构建方法具体包括以下步骤：
3.根据权利要求2所述的一种氢燃料电池发动机系统仿真模型构建方法，其特征在于，步骤d中阳极流场模型建模时主要考虑阳极流道内压力变化与流道内气体流量的关系，其中模型关键计算公式为：
4.根据权利要求2所述的一种氢燃料电池发动机系统仿真模型构建方法，...
【专利技术属性】
技术研发人员：董震，吕欣，周洪雷，董清华，
申请(专利权)人：苏州溯驭技术有限公司，
类型：发明
国别省市：
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