燃料电池空气供应系统选型与仿真

2022-03-21版权声明我要投稿

  摘要:燃料电池汽车是一种零排放的新能源汽车,近几年各大主机厂都开始燃料电池汽车的基础研发工作。本文对一款燃料电池电堆(80kw)的空气供应系统进行了零部件的选型与仿真。电堆最大电流500A,匹配得到控制流量107g/s,空压机压比2.47,加湿器效率26.1%,中冷器冷却功率8.45kw,背压阀选取直径20的蝶阀。并根据零部件供应商提供的零部件性能数据,对空气供应系统进行仿真分析。对最大电流工况以及NEDC工况进行仿真。结果表明燃料电池空气供应系统按照本文的计算方法可以满足选型的要求。

  关键词:燃料电池;空气系统;仿真;控制策略;

  随着中国新能源汽车市场的不断扩展,燃料电池汽车成为了新的增长点,各个主机厂也都进行了氢燃料电池方面的布局与研发[1]

  氢燃料电池系统设计开发中,空气供应系统、氢气供应系统、热管理系统的设计开发关系到燃料电池系统能否满足设计要求的关键。

  本文对某氢燃料电池电堆进行空气供应系统的设计开发,包括零部件匹配(压缩机,背压阀,加湿器等),空气供应系统仿真分析,以及空气供应系统主要零部件的控制。保证零部件匹配可以满足空气供应需求。同时系统可控性好,能满足燃料电池使用要求。

2 零部件匹配

  2.1 电堆介绍

  电堆所选择是某80kw金属双极板燃料电池电堆。电堆主要参数如表1所示:

  2.2 系统构型

  构建空气供应系统的特点,构架空气供应系统的构型(图1)。

  空气供应系统包括加湿器、中冷器、压缩机、背压阀等零部件,共同完成空气系统的供应。其中压缩机主要提供空气流动动力,中冷器将经过压缩机压缩后的高温空气冷却至合适的温度,加湿器将经过中冷器的干燥空气进行加湿,满足进气的湿度要求。空气经过电堆反应,生成水,消耗氧气之后,出口的含有液态水的湿空气经过加湿器,为加湿器提供湿空气的供应,最后通过背压阀排放至大气之中。

  2.3 空气压缩机匹配

  2.3.1 流量计算

  压缩机的流量计算主要考虑燃料电池电堆最大功率下可以满足空气供应,计算需求的最大流量如下:

  式中:mcomp_out为空压机出口空气质量流量g/s;SO2为空气化学计量比;F为法拉第常数,取值为96485C/mol;n为电堆单体数;I为电堆电流A;Mair为空气摩尔质量28.96g/mol;

  电堆的空气化学计量一般为1.8~2,本文中选择化学计量比为2。电堆单体数为300片,电堆最大电流为500A,计算得到,压缩机流量需要满足:mcomp_out≥107g/s

  2.3.2 压比计算

  计算燃料电池的压比,首先需要上文中计算的空气压缩机的流量(107g/s),根据流量,估算其他零部件的压力损失,之后计算压比,计算公式如下:

  式中:Pcomp_out和Pcooler_down为空压机出口和电堆入口压力(相对压力),单位kpa;Phum_down和Pen_down分别为增湿器、中冷器引起的压降,单位kpa。

  电堆出口压力限制为<150kpa,本文按照110kpa计算,预估电堆在107g/s流量下,压降约为20kpa,所以要求Pcooler_down=140 kpa,Phum_down和Pen_down均为10kpa,计算得到Pcomp_out≥250kpa(相对压力)。

  压缩机选型中的压比,计算公式如下:

  λcomp=Pcomp_out/Pcomp_int (3)

  式中:Pcomp_int为空压机入口压力,单位kpa;

  空气压缩机入口压力为大气压,为101kpa,带入上式λcomp=2.47。

  2.3.3 压缩机选型

  根据上文计算的,压缩机需要选择,λcomp>107g/s@250kpa=2.47。

  选择某压缩机压比曲线如图2:

  根据压缩机压比曲线,得到107g/s,2.47压比位置如图2红点位置。红点位置包含为压缩机压比曲线内部,压缩机选型满足要求。

  2.4 加湿器匹配

  加湿器的主要功能是满足燃料电池进气湿度的要求,燃料电池空气出口位置的湿度一般为100%,其中还会有液态水排除,加湿器的选择主要目的是选择加湿器效率如下式

  ηhum=mdry_out/mwet_in (4)

  式中:ηhum为加湿器效率;mdry_out为干侧出口水蒸气质量流量;mwet_in为湿侧入口水蒸气质量流量。

  2.4.1 加湿器效率计算

  计算加湿器的效率,我们需要知道进去加湿器的湿空气的水蒸气流量,以及期望流出加湿器的湿空气水蒸气流量。在匹配中,我们选择最严苛工况进行选型。加湿器的效率一般随着空气流量的增加而减小,我们选取最大的空气流量进行计算。

  已知,电堆需求的进气湿度为60%,空气质量流量为107g/s。

  根据湿空气的H-D图3,查表可知:

  首先计算电堆的氧气消耗质量,公式如下:

  式中:mH2O_produce为电堆的水生成速度g/s;mH2O为氧气摩尔质量18g/mol;

  计算的得到,mH2O_produce=14g/s,电堆空气进口流量为107g/s。

  mwet_in=mH2O_produce=14g/s。

  干空气出口湿空气为50%湿度,电堆如口湿空气温度为65℃,电堆出口压力为240kpa,查表得:电堆出口含湿量为34.23g/kga,电堆出口质量流量为107g/s,可以得到mdry_out=107*34.23/1000=3.66(g/s)。

  ηhum需求为3.66/14=26.1%

  计算入口标准体积流量:

  标准条件下1m3空气质量为1.29kg,1g/s空气质量流量可以换算成46.5L/min=2.8m3/h的空气标准体积流量,空气质量流量为107g/s,计算得到空气标准体积流量为4975.5slpm

  2.4.2 加湿器选型

  我们需要选择加湿器在4975.5slpm流量下,效率不小于26.1%。

  本文中选择的加湿器效率曲线如图4所示:

  可以得到,加湿器在大约5000slpm流量下,效率约为41%,可以满足加湿要求。

  加湿器压损曲线如下图所示:

  5000slpm流量下压损(7kpa)满足上文预测的10kpa的要求,所选的加湿器满足要求。

  2.5 中冷器选型

  2.5.1 中冷器计算

  中冷器的散热功率需要满足107g/s的流量下,保证电堆入口空气温度不高于65℃。

  由于中冷器冷却的空气经过加湿器后在加湿的同时,还会由于热交换的存在,温度适度提升,所以中冷器出口的空气温度要求需要适度降低,根据供应商提供的加湿器实验数据,预估加湿器湿空气进口温度70℃,5000slpm流量,需求加湿器干侧出口温度65℃的情况下,加湿器干侧进口温度(中冷器出口温度)需要小于55℃。

  计算经过压缩机压缩后的空气温度:

  式中:Tcomp_out为空压机出口温度;Tcomp_in为空压机进口温度,进口温度为45℃;k为空气绝热压缩指数,空气器绝热压缩指数为1.4;

  计算得到,Tcomp_out=134℃。

  计算中冷器的冷却功率:

  Powerintercooler=c×mcomp_out×(Tcomp_out-Tcomp_in) (7)

  式中:Powerintercooler为中冷器散热功率kw;c为空气定压比热:1e-3 J/g/℃;

  计算中冷器的冷却功率

  Powerintercooler=8.45kw

  2.5.2 中冷器选型

  选择中冷器应满足Powerintercooler>8.45kw@107g/s@134℃

  选择的中冷器工况实验结果如下:

  根据中冷器实验数据,可以基本判断,中冷器功率满足要求。

  中冷器压降曲线如下图所示:

  中冷器压降为7kpa满足10kpa的匹配要求。

  2.6 背压阀匹配

  背压阀的匹配需要满足,燃料电池电堆在最大功率下,最大空气流量下,背压阀的压降可以满足燃料电池背压要求。电堆出口压力为220kpa,经过加湿器后压力下降为220-7=213kpa,背压阀需要将压力从213kpa下降到大气压力101kpa,背压阀压降需要满足102kpa。

  背压阀采用蝶阀的选型方案,考虑到背压阀在替他流量更小的工况依旧需要满足背压阀压降的要求,匹配计算中选择,背压阀较大开度的情况下80%,满足102kpa压降。则本文选取直径20的蝶阀,验证蝶阀在80°开度下的压降曲线,验证是否满足要求。

  图7中,查看107+14=121g/s的情况下,压降约等于35kpa<102kpa可以满足匹配要求。

3 空气系统仿真分析与控制

  3.1 模型构建

  通过仿真软件构建电堆空气供应系统的仿真模型,如下图所示:

  其中:1为空气压缩机;2为空气压缩机控制逻辑;3为中冷器;4为背压阀;5为背压阀控制逻辑;6为空气加湿器;7为燃料电池功率控制;8为燃料电池电堆;9为氢气供应系统。

  空气压缩机的计算仿真模型主要通过查表空气压缩机在不同转速下的压比以及在不同转速下的效率曲线得到,根据可压缩气体的物性特征计算进出压缩机的空气状态。

  中冷器建模,通过比较常用的NTU方法,根据实验数据对中冷器的换热特性进行标定,已得到满足更多工况适应性的中冷器模型。标定结果如下图所示,最大误差2.6%,平均误差1.4%(图9)。

  背压阀通过采用直径为20mm的节流孔的设计,节流孔流量系数为0.72,可以通过调整背压阀的开度来改变横截面积,进而改变压力情况。

  加湿器本文中采用的是查表的方式,通过不同流量下的加湿器效率查表,调整湿侧与干侧的水的摩尔分数,进而调整模型的加湿效率与实验加湿效率一致。加湿器子模型如下图所示:

  电堆模型采用经验公式计算电堆输出电压的方式进行建模,通过标定模型中的主要参数,使得模型的极化曲线与实验极化曲线一致。

  压缩机的控制主要是通过电流的大小进行控制,根据电流计算得到需要满足化学计量比的空气质量流量,通过PID控制压缩机的转速,使得压缩机的质量流量与需求的质量流量一致。背压阀的控制主要通过PID的方式,控制电堆出口压力与目标压力一致。本文中的控制均采用闭环控制方式。

  3.2 典型工况计算

  本文中计算两种典型工况,分别为最大电流工况以及NEDC工况两种,其中NEDC工况主要考察系统在形式工况情况下的控制逻辑是否可以满足要求。最大电流工况主要考察零部件选型能否满足最大功率的要求。

  3.2.1 最大电流工况

  最大电流工况控制燃料电池电堆功率为100kw,电流约为510A。

  表3中,对燃料电池空气供应系统的各个位置的温度的仿真结果,满足燃料电池电堆进口温度65℃的限制,各个零部件的温度与匹配计算的温度基本一致。其中空压机出口位置温度相比匹配计算中略高,原因是空压机效率在匹配计算中并没有考虑完善。

  上表为各个零部件的压力仿真结果,其中电堆出口压力为210kpa,满足电堆的230kpa以内的要求。其他各个零部件的压力数值与匹配计算数值基本一致。

  上表为主要零部件的计算结果。压缩机压比,转速,加湿器效率等参数与匹配计算基本一致,中冷器功率相对匹配计算的结果较大,原因是进口温度比匹配计算结果略高。

  3.2.2 NEDC工况

  本文计算的燃料电池NEDC工况来自某车型的NEDC公开的仿真分析结果,系统仿真中根据燃料电池功率请求设定工况,燃料电池功率如下图所示:

  根据燃料电池工况对空气供应系统进行仿真分析。

  上图为压缩机控制的流量控制,压缩机的控制逻辑可以满足电堆的需求,压缩机转速随着电流的增大而增大。控制跟随性较好。

  上图为目标空气流量与实际仿真流量的关系,燃料电池的目标流量根据上文的计算得到,通过实时采集燃料电池电堆电流来进行计算。保证燃料电池的空气供应充足。

  模型中通过调整背压阀开度,进而调整燃料电池电堆背压,燃料电池背压控制稳定,没有发生大幅变化的情况,对电堆的寿命也有好处。

  上图为加湿器实验效率与仿真效率的对比,可以看出,随着流量的变化,模型可以较好的反应由于流量变化而引起的效率变化。模型的仿真精度较高。

  上图为燃料电池空气供应系统的各个位置的温度情况。空压机出口由于空压机效率的影响,温度在150℃附近波动,金国中冷器后,温度下降到55℃左右,后经过加湿器后温度上升到65℃左右,经过电堆后,温度约上升5℃。整个温度变化与匹配计算的结果基本一致。

  上图为各个位置的压力计算结果,电堆出口压力通过背压阀的开度闭环控制在210kpa,其他零部件位置压力随着电流的变化而变化,电流越大,需要的空气流量越大,各个部分的压力区别也越大。

4 结论

  本文对某80kw额定功率的车用燃料电池电堆的空气供应系统进行完整的虚拟开发。

  包括空气供应系统的主要核心零部件的选型计算,计算得到各个零部件的选型需求,之后根据供应商提供的零部件主要性能参数对零部件进行选型。

  之后根据选型的零部件结果以及空气供应系统的构型对燃料电池的空气供应系统进行仿真建模。

  通过仿真模型,验证电堆在最大功率工况以及NEDC工况,验证极限情况以及一般使用情况下的燃料电池燃料电池零部件选型的合理性。同时提供一种用于仿真验证的最基本的燃料电池辅助系统的闭环控制逻辑。

  仿真验证说明。本文的燃料电池空气供应系统的零部件选型合理,可以满足燃料电池进一步的设计开发工作。

  本文的燃料电池空气供应系统匹配仿真流程具备一定的代表性,同时通过仿真手段进行验证,保证匹配计算的可靠性。

参考文献

  [1]高驰.2021电动汽车百人会:聚焦新能源发展格局与产业变革[J].汽车与配件,2021(03):48-51.唐晓峰,杨林,袁静妮.基于高斯伪谱法的自动驾驶车辆状态研究[J].汽车工程,2020,42(5):567-573.

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  [4]梁满志,囤金军,薛守飞,李海海,王丙虎.客车用氢燃料电池发动机集成开发技术研究[J].汽车文摘,2020(07):56-62.

  [5]周傅孺.基于Simulink车用燃料电池系统特性仿真设计[D].山东大学,2020.

作者:于江 邱亮 岳东东 刘志鹏 单位:中国汽车技术研究中心有限公司

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