燃料電池系統(tǒng)仿真分析及測(cè)試驗(yàn)證

許有偉，陳桂銀，呂 平，趙振瑞，趙洋洋，孫茂喜，邢丹敏

（新源動(dòng)力股份有限公司，大連 116000）

前言

隨著人口不斷增長(zhǎng)和經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，人類(lèi)對(duì)能源的需求日益增多，煤炭和石油等傳統(tǒng)化石燃料已極度缺乏，世界正面臨著日趨嚴(yán)重的資源危機(jī)［1-3］。另一方面，化石燃料的使用對(duì)大氣、海洋、生物圈等均引起嚴(yán)重的環(huán)境污染，對(duì)人類(lèi)健康和正常生活造成影響［4］。面對(duì)嚴(yán)峻的能源與環(huán)境問(wèn)題，開(kāi)發(fā)新型清潔能源成為化工和能源等多學(xué)科領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)［5-6］。燃料電池是新世紀(jì)以來(lái)，深受人們歡迎并具有廣泛發(fā)展前景的一類(lèi)發(fā)電裝置，其是以氫氣、氧氣為燃料，通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)把燃料中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。燃料電池具有能量轉(zhuǎn)化效率高、運(yùn)行噪聲低、無(wú)環(huán)境污染等優(yōu)勢(shì)，在固定式發(fā)電和新能源汽車(chē)等領(lǐng)域均得到廣泛應(yīng)用［7-8］。燃料電池是一個(gè)非線性、強(qiáng)耦合的復(fù)雜系統(tǒng)，其物理模型涉及電化學(xué)、流體力學(xué)、熱動(dòng)、控制等多學(xué)科，因此對(duì)燃料電池進(jìn)行精確的行為描述具有較大難度［9］。采用Amesim 仿真軟件對(duì)燃料電池系統(tǒng)進(jìn)行仿真，是一種深入且高效率的研究手段［10］。Amesim 中包含了多學(xué)科的專(zhuān)業(yè)應(yīng)用庫(kù)，涵蓋了大部分構(gòu)建完整燃料電池系統(tǒng)模型所需的元件，也可以基于應(yīng)用庫(kù)中軟件進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，能夠幫助用戶(hù)完成系統(tǒng)建模與集成，快速開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)燃料電池系統(tǒng)。

針對(duì)燃料電池系統(tǒng)建模，眾多研究人員開(kāi)展了廣泛研究。劉冬安等［11］基于Amesim 系統(tǒng)仿真軟件搭建了燃料電池儲(chǔ)氫系統(tǒng)仿真模型，著重對(duì)氫氣回路中關(guān)鍵零部件進(jìn)行建模分析，將氫氣路壓力仿真輸出結(jié)果和實(shí)車(chē)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比校核，平均誤差在4.5%之內(nèi)。盧熾華等［12］設(shè)計(jì)了一套氫燃料電池汽車(chē)整車(chē)熱管理系統(tǒng)，并根據(jù)散熱需求對(duì)燃料電池系統(tǒng)關(guān)鍵零部件進(jìn)行選型和性能匹配設(shè)計(jì)，運(yùn)用Amesim 平臺(tái)搭建一維仿真模型，并對(duì)模型進(jìn)行可信度驗(yàn)證。李名劍等［13］采用Amesim 軟件建立了燃料電池空氣系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真模型，在功率動(dòng)態(tài)變載工況下，研究了空氣入堆流量、壓力、溫度和濕度的響應(yīng)需求，其仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)誤差在7%以?xún)?nèi)。劉冬安等［14］利用Amesim 系統(tǒng)仿真軟件搭建了燃料電池空氣系統(tǒng)仿真模型，并引入了回歸分析中的平均絕對(duì)誤差和均方誤差兩個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)，仿真輸出結(jié)果和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的誤差在4.4%之內(nèi)。張磊等［15］為觀察燃料電池系統(tǒng)在工作時(shí)氫氣子系統(tǒng)、氧氣子系統(tǒng)和冷卻子系統(tǒng)各部分變量的變化規(guī)律，根據(jù)燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理，基于Amesim 建立初步的燃料電池系統(tǒng)級(jí)一維仿真模型，通過(guò)仿真分析給定工況下燃料電池系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。

雖然已有眾多研究人員對(duì)燃料電池系統(tǒng)建模進(jìn)行深入研究，但主要局限于子系統(tǒng)級(jí)別的建模研究，缺少針對(duì)完整燃料電池系統(tǒng)的模型搭建及仿真分析，未對(duì)完整燃料電池系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真與測(cè)試的對(duì)比驗(yàn)證。本文中從系統(tǒng)集成開(kāi)發(fā)的角度出發(fā)，基于結(jié)構(gòu)和原理設(shè)計(jì)了一套燃料電池系統(tǒng)，使用Amesim 平臺(tái)搭建燃料電池系統(tǒng)一維仿真模型，并進(jìn)行模型可信度驗(yàn)證。以電堆空氣入口壓力與流量，電堆氫氣入口壓力，電堆進(jìn)、出水溫度等為對(duì)比項(xiàng)，以平均絕對(duì)百分比誤差（mean absolute percentage error， MAPE）為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)系統(tǒng)不同工況進(jìn)行仿真分析，將仿真輸出結(jié)果和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比校核，表明此系統(tǒng)仿真模型精度較高，能夠?qū)?shí)際工程應(yīng)用給予指導(dǎo)。

1 模型建立

燃料電池系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜集成系統(tǒng)，各子系統(tǒng)間須協(xié)調(diào)配合，確保電堆溫度、壓力、流量在合適范圍內(nèi)，燃料電池系統(tǒng)才能穩(wěn)定高效運(yùn)行。燃料電池系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 燃料電池系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

1.1 電堆模型

電堆模型分為經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃蜋C(jī)理模型兩類(lèi)，Amesim 軟件內(nèi)置了當(dāng)前廣泛使用的Amphlett 機(jī)理模型［16］。建立單電池電壓和電流密度的輸出特性公式，采用線性回歸的辦法獲取公式中計(jì)算系數(shù)的具體數(shù)值，得到單電池的輸出特性模型。電堆模型的極化曲線輸出特性如圖2所示。

電堆內(nèi)部氫氣在陽(yáng)極側(cè)消耗，氧氣在陰極側(cè)消耗，水在陰極側(cè)生成，取決于電堆內(nèi)部電化學(xué)反應(yīng)速率。從法拉第定律可以推導(dǎo)出反應(yīng)速率為

式中：qi為物質(zhì)i的摩爾反應(yīng)速率，mol/s；ne-i為電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中的電子數(shù)量，通常氫氣為2，氧氣和水為4；F為法拉第常數(shù)，取值為96 500 C/mol；Ncell為電堆節(jié)數(shù)；I為單電池電流，A。

電堆功率計(jì)算公式為

式中：U為單電池電壓，V；Pstack為電池功率，W。

燃料電池電堆中的熱量包括電化學(xué)反應(yīng)不可逆熱及焦耳熱等。工作過(guò)程中產(chǎn)生的熱量需要冷卻系統(tǒng)進(jìn)行冷卻，通過(guò)冷卻水循環(huán)將熱量帶出。對(duì)于一個(gè)由多個(gè)單體串聯(lián)的燃料電池而言，其發(fā)熱量計(jì)算公式為

式中：Q為電堆發(fā)熱功率，W；U0為單電池參考電壓，V。

針對(duì)系統(tǒng)級(jí)電堆模型，主要關(guān)注系統(tǒng)集成與匹配，本文以新源動(dòng)力股份有限公司80 kW 燃料電池電堆為原型進(jìn)行系統(tǒng)模型搭建，設(shè)置的電堆關(guān)鍵參數(shù)如表1所示。

表1 電堆模型關(guān)鍵參數(shù)

1.2 空氣子系統(tǒng)模型

空氣子系統(tǒng)主要零部件包括空壓機(jī)、節(jié)氣門(mén)、中冷器等。為提高燃料電池電堆的功率密度，常采用空壓機(jī)將空氣壓力增壓，調(diào)節(jié)進(jìn)入電堆的空氣流量和壓力，有助于提升燃料電池的反應(yīng)速率。

空壓機(jī)模型分為穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)兩個(gè)部分：穩(wěn)態(tài)部分指空壓機(jī)MAP 圖，決定空壓機(jī)輸出流量；動(dòng)態(tài)部分指空壓機(jī)轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速根據(jù)電堆的電流需求進(jìn)行調(diào)整，結(jié)合空壓機(jī)轉(zhuǎn)速和前后氣體壓比，在MAP 圖中查找工作點(diǎn)輸出對(duì)應(yīng)空氣流量。根據(jù)空壓機(jī)氣動(dòng)性能圖和測(cè)試數(shù)據(jù)，建立壓比、流量及轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，以及等熵效率、流量和轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，空壓機(jī)MAP如圖3所示。

圖3 空壓機(jī)MAP圖

空壓機(jī)轉(zhuǎn)速和流量須經(jīng)過(guò)折合公式計(jì)算，以滿(mǎn)足不同工況下空壓機(jī)輸出性能的計(jì)算分析，常用的轉(zhuǎn)速和流量修正公式［17］為

式中：dmc為空壓機(jī)修正流量，g/s；dm為空壓機(jī)實(shí)際流量，g/s；ωc為空壓機(jī)修正轉(zhuǎn)速，r/min；ω為空壓機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速，r/min；pup為空壓機(jī)入口壓力，kPa；pst為標(biāo)準(zhǔn)壓力，kPa；Tup為空壓機(jī)入口溫度，℃；Tst為標(biāo)準(zhǔn)溫度，℃。

中冷器一般布置在空壓機(jī)下游，用于冷卻空壓機(jī)壓縮后的高溫空氣，控制進(jìn)入電堆的空氣溫度。中冷器模型將混合氣體、冷卻液進(jìn)行模塊化處理，可以實(shí)現(xiàn)多種形式的換熱。Amesim 中采用效能-傳熱單元數(shù)法（ε-NTU）進(jìn)行建模計(jì)算。德雷克提出了一個(gè)近似的計(jì)算關(guān)系［18］：

式中：ε為效能，代表流體實(shí)際溫差的最大值與流體在換熱器中可能發(fā)生的最大溫差值之間的比值；NTU為傳熱單元數(shù)，代表中冷器有效換熱面積與流體熱量之間的比值；Cr為熱流體和冷流體之間的熱容比。擬合中冷器換熱計(jì)算關(guān)鍵參數(shù)和公式，對(duì)中冷器換熱性能進(jìn)行虛擬標(biāo)定，中冷器虛擬標(biāo)定結(jié)果和實(shí)際測(cè)試效果對(duì)比如圖4所示。

圖4 中冷器虛擬標(biāo)定結(jié)果對(duì)比圖

節(jié)氣門(mén)主要用來(lái)控制空氣出口氣體壓力，并能夠在停機(jī)后關(guān)閉陰極排氣管路，防止空氣反向流入電堆。

節(jié)氣門(mén)基于幾何結(jié)構(gòu)建模，節(jié)氣門(mén)閥片直徑和閥片的軸直徑是節(jié)氣門(mén)物理尺寸關(guān)鍵參數(shù)，節(jié)氣門(mén)閥片旋轉(zhuǎn)角度范圍為［0，90°］，流經(jīng)節(jié)氣門(mén)的流量計(jì)算公式［19］為

式中：A為流通面積，m2；Cq為流量系數(shù)；Cm為質(zhì)量流量參數(shù)，kg·（K/J）1/2。流量系數(shù)在節(jié)氣門(mén)模型中根據(jù)閥門(mén)開(kāi)度標(biāo)定得到，將流量系數(shù)的變化關(guān)系以公式或數(shù)表的形式輸入到節(jié)氣門(mén)模型中。

空氣子系統(tǒng)仿真所需主要參數(shù)如表2所示。

表2 空氣子系統(tǒng)仿真所需主要參數(shù)

1.3 氫氣子系統(tǒng)模型

氫氣子系統(tǒng)主要零部件包括引射器、比例閥、尾排閥等。引射器能夠吸收未完全反應(yīng)的氫氣，通過(guò)循環(huán)輸入到氫氣入口端，提高氫氣利用率。

引射器建模采用mu=f(w，p)模式。其中：

式中：p1為引射器出口壓力，kPa；p2為引射器高壓入口壓力，kPa；p3為引射器回流吸入端口壓力， kPa；dm2為引射器高壓入口流量，g/s；dm3為引射器回流吸入流量，g/s。

根據(jù)引射器的測(cè)試數(shù)據(jù)，將mu=f(w，p)建模方式涉及到的3 項(xiàng)參數(shù)建立數(shù)表關(guān)系輸入至引射器模型中，模擬調(diào)節(jié)特性，如圖5所示。

圖5 引射器調(diào)節(jié)特性MAP圖

比例閥調(diào)節(jié)從氫氣高壓源輸出的氫氣壓力，使輸入電池堆的氫氣壓力達(dá)到合理的壓力范圍。比例閥數(shù)學(xué)模型為

式中：psat為設(shè)定壓力，kPa；p1為比例閥內(nèi)氣體實(shí)際壓力，kPa；pmax為最大開(kāi)度壓力，kPa；xv為比例閥開(kāi)度系數(shù)；Amax為比例閥全開(kāi)面積，mm2；Aeq為比例閥等效面積，mm2。

尾排閥用于排出氫氣回路中的水以及從電堆陰極滲透到氫氣回路中的氮?dú)獾葰怏w雜質(zhì)。尾排閥采取可變節(jié)流口的形式建模，其流動(dòng)特征可以用特征流量系數(shù)Cv和流量系數(shù)Cq表示，等效節(jié)流口的面積表示為

式中Cq一般設(shè)置為0.3～0.9之間的值。

氫氣子系統(tǒng)仿真所需主要參數(shù)如表3所示。

表3 氫氣子系統(tǒng)仿真所需主要參數(shù)

1.4 冷卻子系統(tǒng)模型

冷卻子系統(tǒng)的主要零部件包括水泵、散熱風(fēng)扇、過(guò)濾器等。燃料電池系統(tǒng)工作后會(huì)產(chǎn)生大量熱，需要冷卻系統(tǒng)對(duì)燃料電池內(nèi)部溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，保證燃料電池始終工作在合適的溫度范圍內(nèi)。水泵為其提供動(dòng)力源，以滿(mǎn)足燃料電池系統(tǒng)的散熱需求。水泵轉(zhuǎn)速的大小決定冷卻液的流速?gòu)亩刂齐姸堰M(jìn)、出水口間的溫差。水泵輸出壓力計(jì)算公式為

式中：pin為水泵入口壓力，kPa； Δp為壓力差；pout為水泵出口壓力，kPa。

水泵為流體提供的動(dòng)力為

式中：Q為水泵流量，L/min；eff為水泵效率。

水泵輸出流量由水泵轉(zhuǎn)速和揚(yáng)程決定，在MAP圖中查找工作點(diǎn)輸出對(duì)應(yīng)水泵流量。根據(jù)水泵性能曲線圖和測(cè)試數(shù)據(jù)，建立揚(yáng)程、流量及轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，以及效率、流量和轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，其中揚(yáng)程一般轉(zhuǎn)換為升壓數(shù)值，水泵MAP如圖6所示。

圖6 水泵MAP圖

散熱風(fēng)扇的主要作用是通過(guò)風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)帶走循環(huán)管路中冷卻液的熱量，散熱風(fēng)扇的散熱能力與空氣流量和冷卻液流量相關(guān)，其共同決定電堆冷卻回路入口溫度。風(fēng)扇在散熱器上的投影區(qū)域?yàn)樯崞鞯耐L(fēng)面，空氣通過(guò)通風(fēng)面的速度為

式中：vairrad為散熱器入口處的空氣速度，m/s；vfan為風(fēng)扇運(yùn)行時(shí)的附加速度，m/s。

通風(fēng)面的有效面積表達(dá)式為

式中：Dext為散熱器風(fēng)扇的外徑，m；Dint為散熱器風(fēng)扇的內(nèi)徑，m。因此在通風(fēng)面積上的熱交換量為

式中：qlh為冷卻液流量；Rh為散熱器的高度，m；Rl為散熱器的長(zhǎng)度，m。

過(guò)濾器一般布置在冷卻回路中電堆入口的上游，用于過(guò)濾冷卻液中的雜質(zhì)，避免電堆等關(guān)鍵零部件因雜質(zhì)的影響而損壞。過(guò)濾器建模時(shí)考慮其流阻特性，根據(jù)供應(yīng)商提供的流阻特性數(shù)據(jù)，采用熱液壓形式的節(jié)流口，按照壓力/流量的建模方式，模擬過(guò)濾器的流阻特性，如圖7所示。

圖7 過(guò)濾器流阻特性模擬結(jié)果圖

冷卻子系統(tǒng)仿真所需主要參數(shù)如表4所示。

表4 冷卻子系統(tǒng)仿真所需主要參數(shù)

1.5 燃料電池系統(tǒng)模型

燃料電池系統(tǒng)是由各個(gè)零部件通過(guò)一定的機(jī)械連接和電氣連接相連而成。其中系統(tǒng)管路和部件水套造成的壓力損失不容忽視，須不斷調(diào)整管徑、長(zhǎng)度等參數(shù)模擬流阻特性，以達(dá)到合理的壓降與流量。在軟件平臺(tái)對(duì)每個(gè)零部件進(jìn)行虛擬標(biāo)定，結(jié)合系統(tǒng)管路和部件水套進(jìn)行回路連接，依據(jù)系統(tǒng)流程圖初步搭建燃料電池各子系統(tǒng)模型。在子系統(tǒng)模型的搭建中，零部件嚴(yán)格根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)、幾何結(jié)構(gòu)及流量系數(shù)關(guān)系搭建，通過(guò)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)及系數(shù)擬合還原真實(shí)零部件。部分關(guān)鍵零部件的虛擬標(biāo)定結(jié)果如表5所示。

表5 關(guān)鍵零部件虛擬標(biāo)定結(jié)果

通過(guò)虛擬標(biāo)定獲得精度較高的零部件模型，故可保證燃料電池各子系統(tǒng)模型的準(zhǔn)確性。燃料電池系統(tǒng)由各子系統(tǒng)協(xié)調(diào)搭配，為燃料電池系統(tǒng)提供適宜的氣量與溫度等關(guān)鍵條件，保證燃料電池系統(tǒng)的正常運(yùn)行，故子系統(tǒng)模型與燃料電池系統(tǒng)模型具有極強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，子系統(tǒng)模型的準(zhǔn)確性也與燃料電池系統(tǒng)模型的準(zhǔn)確性高度相關(guān)。同時(shí)在系統(tǒng)各關(guān)鍵部位布置溫度傳感器、壓力傳感器和流量傳感器等進(jìn)行監(jiān)測(cè)，然后集成各子系統(tǒng)模型與電堆模型，基于模型和控制策略實(shí)現(xiàn)初步控制程序及流程開(kāi)發(fā)，搭建完整的燃料電池系統(tǒng)仿真模型，如圖8所示。

圖8 燃料電池系統(tǒng)仿真模型圖

2 燃料電池系統(tǒng)仿真模型驗(yàn)證

2.1 仿真評(píng)價(jià)指標(biāo)

系統(tǒng)仿真可以采取平均絕對(duì)百分比誤差（MAPE）作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。MAPE 是常用于評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)值和實(shí)際值之間誤差的度量方式，是衡量預(yù)測(cè)值準(zhǔn)確程度的重要指標(biāo)。MAPE計(jì)算公式為

式中：Ai表示實(shí)際值；Fi表示預(yù)測(cè)值。

2.2 模型驗(yàn)證

燃料電池系統(tǒng)按照電流模式進(jìn)行加減載，空壓機(jī)由PID 閉環(huán)控制，采集電堆入口空氣流量作為反饋值，根據(jù)電流設(shè)定的空氣流量作為目標(biāo)值，進(jìn)行負(fù)反饋調(diào)節(jié)控制空壓機(jī)轉(zhuǎn)速。節(jié)氣門(mén)根據(jù)電流需求查表得到對(duì)應(yīng)的節(jié)氣門(mén)開(kāi)度。比例閥開(kāi)度由PID 閉環(huán)控制決定，設(shè)定氫氣入口壓力始終高于空氣入口壓力，數(shù)值區(qū)間為0～20 kPa，將氫氣入口壓力傳感器測(cè)量值作為反饋值，空氣入口壓力值作為目標(biāo)值，進(jìn)行負(fù)反饋調(diào)節(jié)，控制進(jìn)入電堆內(nèi)部的氫氣壓力。尾排閥根據(jù)電流需求查表得到對(duì)應(yīng)的開(kāi)啟與關(guān)閉時(shí)間。水泵轉(zhuǎn)速由PID 閉環(huán)控制，將系統(tǒng)傳感器采集的溫差作為反饋值，設(shè)定溫差作為目標(biāo)值，進(jìn)行負(fù)反饋調(diào)節(jié)，保證電堆進(jìn)、出水溫差保持在合理范圍內(nèi)。散熱風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速由PID 閉環(huán)控制決定，將系統(tǒng)水入口溫度傳感器測(cè)量值作為反饋值，設(shè)定的溫差作為目標(biāo)值，進(jìn)行負(fù)反饋調(diào)節(jié)，控制電堆進(jìn)水溫度。

對(duì)燃料電池系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際工況測(cè)試，實(shí)際測(cè)試工況為60 A-150 A-240 A-360 A-270 A-120 A的變載工況，每個(gè)電流運(yùn)行時(shí)間為120 s，并考慮實(shí)際的電流加減載速度為15 A/s，測(cè)試工況如圖9所示。

圖9 測(cè)試工況

為保證仿真結(jié)果的可靠性，需要對(duì)所搭建的燃料電池系統(tǒng)模型進(jìn)行驗(yàn)證。為測(cè)試燃料電池系統(tǒng)能否在各子系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作的情況下，順利運(yùn)行并輸出其預(yù)期性能，以圖9 所示的測(cè)試工況進(jìn)行加減載測(cè)試。該工況有穩(wěn)態(tài)電流輸出，也有階躍電流輸出，可同時(shí)對(duì)電堆及系統(tǒng)特性進(jìn)行分析。以電堆輸出電壓和電堆輸出功率為觀察項(xiàng)，與測(cè)試值分別進(jìn)行對(duì)比分析，電堆輸出電壓仿真與測(cè)試對(duì)比結(jié)果如圖10 所示。電堆輸出功率仿真與測(cè)試對(duì)比結(jié)果如圖11 所示。隨著電流增大，電堆輸出電壓降低，電堆輸出功率增大，燃料電池系統(tǒng)模型輸出結(jié)果符合電堆的實(shí)際運(yùn)行規(guī)律。電堆輸出電壓由于模型搭建過(guò)程中經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化處理且實(shí)際測(cè)試本身也存在誤差，所以仿真值與測(cè)試值存在誤差，但平均絕對(duì)百分比誤差均在2.5%以?xún)?nèi)，說(shuō)明所搭建的燃料電池系統(tǒng)仿真模型具有較高的可信度。

圖10 電堆輸出電壓仿真與測(cè)試對(duì)比結(jié)果

圖11 電堆輸出功率仿真與測(cè)試對(duì)比結(jié)果

采集系統(tǒng)關(guān)鍵輸出性能參數(shù)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，并將系統(tǒng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和仿真模型的仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證模型精度。圖12 為電堆空氣入口壓力仿真與測(cè)試對(duì)比結(jié)果。由圖可見(jiàn)，電堆空氣入口壓力能夠響應(yīng)測(cè)試工況的變化需求，仿真結(jié)果與測(cè)試數(shù)據(jù)的趨勢(shì)基本一致。通過(guò)校核計(jì)算，得出MAPE=1.47%。

圖13 為電堆氫氣入口壓力仿真與測(cè)試對(duì)比結(jié)果。由圖可見(jiàn)，電堆氫氣入口壓力能夠響應(yīng)測(cè)試工況的變化需求，且能體現(xiàn)尾排閥開(kāi)啟時(shí)的氫氣壓力波動(dòng)情況。對(duì)比圖12 可得，氫氣入口壓力始終保持大于空氣入口壓力，仿真結(jié)果與測(cè)試數(shù)據(jù)的趨勢(shì)基本一致。通過(guò)校核計(jì)算，得出MAPE=1.35%。

圖13 電堆氫氣入口壓力仿真與測(cè)試對(duì)比結(jié)果

圖14 為電堆空氣入口流量仿真與測(cè)試對(duì)比結(jié)果。由圖可見(jiàn)，電堆空氣入口流量能夠響應(yīng)測(cè)試工況的變化需求，仿真結(jié)果與測(cè)試數(shù)據(jù)的趨勢(shì)基本一致。通過(guò)校核計(jì)算，得出MAPE=3.33%。

圖14 電堆空氣入口流量仿真與測(cè)試對(duì)比結(jié)果

圖15 為電堆進(jìn)水溫度仿真與測(cè)試對(duì)比結(jié)果。由圖可見(jiàn)，隨著測(cè)試工況的進(jìn)行，電堆進(jìn)水溫度逐漸升高，直至達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)測(cè)試工況出現(xiàn)降載，系統(tǒng)產(chǎn)生熱量下降，電堆進(jìn)水溫度也隨之降低，仿真結(jié)果與測(cè)試數(shù)據(jù)的趨勢(shì)基本一致。通過(guò)校核計(jì)算，得出MAPE=2.97%。

圖15 電堆進(jìn)水溫度仿真與測(cè)試對(duì)比結(jié)果

圖16 為電堆出水溫度仿真與測(cè)試對(duì)比結(jié)果。由圖可見(jiàn)，隨著測(cè)試工況的進(jìn)行，電堆出水溫度逐漸升高，直至達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)測(cè)試工況出現(xiàn)降載，系統(tǒng)產(chǎn)生熱量下降，電堆出水溫度也隨之降低，仿真結(jié)果與測(cè)試數(shù)據(jù)的趨勢(shì)基本一致。通過(guò)校核計(jì)算，得出MAPE=4.33%。

圖16 電堆出水溫度仿真與測(cè)試對(duì)比結(jié)果

將上述系統(tǒng)關(guān)鍵輸出性能參數(shù)的仿真與測(cè)試對(duì)比結(jié)果匯總，如表6所示。

表6 仿真與測(cè)試的對(duì)比結(jié)果匯總

結(jié)果表明，系統(tǒng)關(guān)鍵輸出性能參數(shù)對(duì)比項(xiàng)平均絕對(duì)百分比誤差最大為4.33%，仿真結(jié)果與測(cè)試數(shù)據(jù)吻合度較高，驗(yàn)證了此系統(tǒng)仿真模型精度較高，能真實(shí)反映燃料電池系統(tǒng)的工作狀態(tài)，可用于燃料電池系統(tǒng)性能研究，并能進(jìn)一步用于研究燃料電池系統(tǒng)的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性。

3 結(jié)論

（1）從燃料電池系統(tǒng)集成開(kāi)發(fā)的角度出發(fā)，基于Amesim 平臺(tái)搭建燃料電池系統(tǒng)一維仿真模型，對(duì)系統(tǒng)關(guān)鍵輸出性能參數(shù)進(jìn)行評(píng)估和預(yù)測(cè)。

（2）設(shè)定測(cè)試工況，對(duì)比系統(tǒng)關(guān)鍵輸出性能參數(shù)： 電堆空氣入口壓力、流量，電堆氫氣入口壓力，電堆進(jìn)、出水溫度的仿真與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，模型仿真結(jié)果與測(cè)試數(shù)據(jù)平均絕對(duì)百分比誤差最大為4.33%，結(jié)果表明，此系統(tǒng)仿真模型精度較高，可用于燃料電池系統(tǒng)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。

（3）該仿真模型和建模經(jīng)驗(yàn)對(duì)未來(lái)燃料電池系統(tǒng)、測(cè)試臺(tái)架的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)都具有較高的參考價(jià)值。

（4）系統(tǒng)仿真所建立的系統(tǒng)模型能夠模擬實(shí)際系統(tǒng)不同的運(yùn)行工況，可用于系統(tǒng)開(kāi)發(fā)初期的零部件選型匹配、電堆操作參數(shù)預(yù)測(cè)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算及優(yōu)化等不同場(chǎng)景，具有重要的指導(dǎo)意義。

（5）未來(lái)可對(duì)燃料電池系統(tǒng)參數(shù)敏感性展開(kāi)深入研究，制定控制策略，引入新型智能控制算法，提高燃料電池系統(tǒng)運(yùn)行的抗擾性和魯棒性。