陳黎明，林昭佳，馬紫峰

上海交通大學化學工程系，電化學與能源技術研究所，上海200240

摘要：建立了包括燃料供應模塊、燃料電池堆模塊和水熱平衡模塊在內的質子交換膜燃料電池汽車動力系統數學模型。運用Matlab/Simulink軟件進行模型構建和系統仿真，研究了主要操作條件對系統性能的影響。通過仿真結果與實驗數據的對比，表明該模型能較為準確地反映動力系統的特性，為燃料電池汽車動力系統的研究和設計提供理論依據。

隨著全世界汽車產量和保有量的日益增多，以石油產品為動力源的車輛所排放的廢氣已經成為影響地球氣候和環境污染的主要來源，能源危機也日益加劇[1]。因此，人們迫切地需要開發低污染的替代能源汽車來改善能源短缺和環保問題，燃料電池汽車作為一種可行方案已成為世界各汽車廠商在技術領域進行競爭的焦點之一。與傳統內燃機汽車相比，燃料電池汽車不通過熱機過程，不受卡諾循環的限制，具有能量轉化效率高、環境友好等內燃機汽車不可比擬的優點，同時仍然可以保持傳統內燃機汽車高速度、長距離行駛和安全、舒適等性能，被認為是21世紀首選的潔凈、高效運輸工具。

動力系統是燃料電池汽車的核心部分，是決定整車性能的關鍵，也是其不同于傳統內燃機汽車和其他類型電動汽車的標志，因此，對燃料電池汽車動力系統進行研究具有非常重要的意義。隨著計算機技術的發展，建模仿真技術已經成為汽車動力系統研發過程中的一個重要手段。通過仿真分析可以靈活地調整設計方案，合理優化參數，預測不同操作條件下的系統性能，有助于樣車的制造和試驗。近年來，國內外學者對于燃料電池汽車動力系統中的電池堆模型研究得較多，可分為經驗模型和機理模型，經驗模型由于結構簡單可以大大縮短建模時間，早在1995年，Kim等人[2]就建立了一個描述電壓與電流密度之間關系的經驗模型，最近，Alejandro等人[3]也開發了一個半經驗模型，描述了氣體流道和氣體擴散層中各組分的流體動力學、熱傳導動力學和溫度影響。機理模型則更有利于對電池堆內部結構和工作原理的研究，并已經從一維模型發展到了三維模型，然而對于系統層面上的仿真優化，一維模型更加合適[4]，本文的出發點是旨在建立燃料電池動力系統的完整模型。

燃料電池汽車動力系統中運用最為廣泛的動力源是質子交換膜燃料電池(PEMFC)，本文以Matlab/Simulink軟件為仿真平臺建立了質子交換膜燃料電池汽車動力系統的完整模型。整套動力系統中燃料電池堆是核心部分，除了電池堆之外，還有燃料供應系統(氫氣和空氣供給)和水熱管理系統等作為輔助系統。筆者分別建立了電池堆模塊、燃料供應模塊和水熱平衡模塊，齊集成為一套完整的車用燃料電池汽車動力系統模型。分析了氫氣流量、空氣流量、電堆溫度、環境溫度等不同操作條件對系統性能的影響。

1系統數學模型

在實際應用中，燃料電池汽車動力系統的工作壓力和反應氣類型的選擇要考慮儲存反應氣的氣瓶在車載時所受到的重量和尺寸限制、汽車續航里程的要求、燃料的經濟性、系統工作的安全性和噪音等問題。本文的模擬對象采用高純氫和空氣作為反應氣，其中氫氣充裝于高壓儲罐內，經減壓閥再進入電池堆，空氣供給采用無油型螺桿壓縮機壓縮至一定壓力，經加濕后進入電池堆進行反應。

1.1燃料供應模塊

(ⅰ)壓縮機模型。壓縮機主要用于為燃料電池提供高壓空氣，燃料電池專用的空氣壓縮機不僅需要滿足無油潤滑的結構設計，而且對它的重量、體積、變轉速運行特性以及電堆參數變化的動態響應性能等都提出了嚴格的要求。本文中燃料電池汽車動力系統選用較為常用的螺桿壓縮機作為模擬對象，并假設壓縮機是在理想情況下工作，即無摩擦、無熱交換、無泄漏、無吸排氣壓力損失的情況下進行吸氣、壓縮和排氣。

2仿真結果驗證與分析

根據以上模型，本文利用Matlab/Simulink軟件對質子交換膜燃料電池汽車動力系統的不同工況進行了仿真，Simulink仿真模塊框圖如圖1。模型參數取值如表1所示[11]。

為了驗證本文所建立的模型是否正確，是否能作為燃料電池汽車動力系統穩態分析的工具，本文對電池堆模塊進行了實驗驗證，實驗過程中采用自主搭建的單電池測試裝置為實驗對象。用Matlab工具箱中的Fminsearch函數對穩態模型進行參數尋優和仿真，圖2為PEMFC優化模型的性能曲線與實驗數據的比較圖，從仿真結果可以看出該模型可以較為準確地反映PEMFC穩態特性。

另外，仿真結果表明，提高電堆溫度可以提升電堆的功率，但由于質子交換膜作為一種有機膜，溫度過高可能使膜脫水，導致離子電導率下降甚至使膜損壞，而且溫度過高對車輛的安全性也不利，因此，選用80℃作為電堆的工作溫度。下面再給出圖3~5三個仿真結果。

圖3是在空氣流量保持不變的情況下研究氫氣流量對系統功率的影響，因為燃料電池汽車動力系統中壓縮機的功率損耗是最大的，所以此處系統功率Psystem定義為電堆功率Pstack和壓縮機消耗功率Pcomp之差。從圖中不難看出，系統功率隨著氫氣進料流量的增加先增大后減小，一方面，這是由于在空氣過量的情況下，氫氣流量的增加在一定范圍內會使電堆電流增大。另一方面，氫氣流量的增加伴隨著陽極內氫氣分壓的升高，從而使熱力學可逆電壓有所上升，但由于電流的增大，極化電壓也隨之增大，且比熱力學可逆電壓的上升幅度大得多，因此電池堆的輸出電壓有所下降。根據(16)式可知，系統功率存在最優值，并且在該工況下，當氫氣流量為0.075mol/s時系統功率達到最優值。

圖4是在氫氣流量保持不變的情況下研究空氣流量對系統功率的影響，并根據實際情況保證空氣充足。由圖可知，隨著空氣流量的逐漸增大，陰極內氧氣分壓增大從而提高了熱力學可逆電壓，因此電堆功率逐步增大。另外，由(1)式可知壓縮機消耗功率必然隨著空氣流量的增大而增大，并且從圖中可以看出其增大的幅度要比電堆功率大。因此，系統總功率隨著空氣流量的增大先增大后減小。不難看出，在該工況下，空氣流量取0.18mol/s左右時系統功率達到最優值。

圖5是在其他條件都確定的情況下，研究環境溫度的變化對冷卻水流量的影響。從圖中可以看出，冷卻水需求量隨著環境溫度的升高而增大，并且在該工況下，當環境溫度為298.15K時，冷卻水用量為5.8mol/s，約0.38m3/h。

3結論

本文所建立的燃料電池汽車動力系統模型，綜圖合了機理模型和經驗模型的優點，較為全面地描述了車載燃料電池動力系統，包括燃料供應系統、電池堆以及水熱平衡系統。模型在滿足基本精度的前提下忽略了一些次要因素，簡化了建模過程，仿真結果表明，該模型可以描述系統參數、工作環境等因素的變化對燃料電池汽車動力系統性能的影響，為燃料電池汽車動力系統過程工藝的設計提供理論指導。

參考文獻

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