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基于Modelica的自主车用PEMFC系统建模及动态工况仿真研究
| 论文题名： | 基于Modelica的自主车用PEMFC系统建模及动态工况仿真研究 |
| 关键词： | 质子交换膜燃料电池;非因果建模语言;动态工况仿真;新能源汽车;动态匹配 |
| 摘要： | 基于严峻的环境问题和能源危机，中国提出了“碳中和”和“碳达峰”的宏伟目标。质子交换膜燃料电池以其高效率、零排放、低噪声等特点，正在逐步成长为新能源汽车新的动力方式。然而燃料电池从电池本体性能，到系统动态特性再到整车能量匹配，仍存在很大的提升空间。本研究基于面向对象的非因果建模语言Modelica，自主建立了包含不同复杂度的燃料电池堆模型、辅助子部件模型和车辆动力学模型，搭建了“电堆-系统-整车”三个层级的仿真体系，开展各种典型动态工况瞬态仿真。本文的研究工作总结如下： （1）建立了燃料电池准二维电堆模型，充分考虑了电池内部“水-热-气-电”的耦合传输机理以及电池内部结冰特性研究，对模型进行了多组实验验证，与实验数据匹配良好。Modelica的物理建模原理要求每个部件具备完整的流阻计算，鉴于电堆流阻的多变性和复杂性，本文基于实验数据进行拟合，建立了一种输入性流阻计算方式。而后，探究了不同操作工况下电池性能差异，结果显示一定程度上增加进气压力和化学计量比可以提升催化层反应物浓度，降低电池活化损失；另外更高的进气相对湿度，有利于提高膜态水的含量，从而提高电池性能。 （2）建立了燃料电池系统模型，在电堆模型基础上，耦合四大子系统的子部件模型，搭建相对完整的仿真系统。针对空压机等包含惯性环节的部件在阶跃变载工况下可能导致的迟滞性效应进行仿真，结果表明在不含控制优化条件下，空压机的迟滞可以达到2s的水平，PID（ProportionIntegrationDifferentiation）控制算法可以缩短迟滞效应至0.1s甚至更短。同时，在连续加载工况下，加载速率越快，其内部水动态平衡状态越难维持，进而导致加载完成时性能越差。另外，在系统经历阶跃变载工况时，分析了以空压机和背压阀为代表的子部件瞬态性能，各子部件在动态匹配中为电堆平稳输出提供了保障。 （3）建立了燃料电池汽车整车动力学模型，加入整车动力学模型、动力电池模型。提出两种能量管理策略，分别是：策略一，基于燃料电池功率跟随策略；策略二，基于动力电池SOC（StateofCharge）状态的能量管理策略。利用整车模型进行了NEDC（NewEuropeanDrivingCycle）工况仿真，结果证明模型对变速工况具备良好的仿真能力，策略一对车辆本身动态性能提出更高要求，策略二很大程度上限定了动力电池容量要略大一些。针对策略一，进一步开展了WLTC（WorldLightVehicleTestCycle）、CLTC（ChinaLight-dutyVehicleTestCycle）工况仿真，电池动态匹配性能良好。 |
| 作者： | 宋立群 |
| 专业： | 动力工程及工程热物理 |
| 导师： | 彭志军 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 天津大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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