AMESim仿真軟件在燃料電池系統開發中的應用

馬義 張劍 李波 李學銳 熊成勇

摘? 要：利用AMESim軟件建立了質子交換膜燃料電池發動機一維仿真模型，包括電堆、空氣系統、氫氣系統和冷卻系統。從空壓機選型、電堆運行條件匹配、冷啟動和整車經濟性四個方面介紹了AMESim仿真軟件的應用。仿真結果表明，電堆運行條件對系統零部件選型尤其是空壓機影響較大，適當降低進氣計量比和進氣壓力可降低部件功率消耗，提升系統整體效率，PTC水加熱器可以大幅縮短燃料電池發動機冷啟動時間，減小系統怠速功率可提升整車經濟性。應用AMESim軟件進行仿真分析對于燃料電池發動機設計開發具體一定的指導意義。

關鍵詞：燃料電池;性能;仿真;冷啟動

中圖分類號：TK91? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：1005-2550（2021）02-0052-05

Abstract： One-dimensional simulation model of proton exchange membrane fuel cell engine is established by AMESim software， the model including the stack， air system， hydrogen system and cooling system. The application of the software is introduced from four aspects： air compressor selection， stack operation condition matching， cold start and vehicle economy. The simulation results show that the operation conditions of the stack have a great influence on the selection of system components， especially the air compressor. Properly reducing the intake stoichiometric ratio and intake pressure can reduce the power consumption of components and improve the overall efficiency of the system. The PTC water heater can greatly shorten the cold start time of the fuel cell engine， and reduce the idle power of system can improve the economy of the vehicle. The simulation analysis with AMESim software has certain guiding significance for the design and development of fuel cell engine.

Key Words： Fuel Cell; Performance; Simulation;? Cold Start

引? ?言

質子交換膜燃料電池直接將化學能轉換為電能，不受卡諾循環的限制，能量轉化效率高，且排放污染少，是一種高效清潔而且非常有發展前景的動力系統，近年來成為各大企業尤其是汽車企業研究的熱點[1-4]。

在燃料電池系統的設計與開發過程中，運用仿真分析的手段可進行零部件選型，控制策略優化，動力經濟性預測，節省開發成本，縮短開發周期。目前針對燃料電池系統建模仿真的成功案例較多，郭愛等[5]搭建了燃料電池機車的熱管理系統仿真模型，分析了旁路閥門、冷卻泵電壓和散熱器風機電壓對電堆溫度、溫度差及系統效率的影響。皇甫宜耿等[6]建立了包含燃料電池的電化學模型與溫度模型的數學模型，并研究了工作溫度、反應氣體工作壓力等參數對燃料電池輸出性能的影響。張潔等[7]使用AMESim軟件建立燃料電池一維系統模型，對燃料電池低溫起動過程進行了仿真分析。許思傳等[8]基于AMESim軟件建立燃料電池發動機空氣系統模型，并對某高壓燃料電池發動機臺架的空氣系統進行了仿真計算和試驗驗證。

本研究是利用AMESim軟件建立某燃料電池系統一維仿真模型，就空壓機選型、電堆運行條件匹配、冷啟動方案設計和整車經濟性分析四個方面介紹了該仿真軟件的應用。

1? ? ?模型建立

某燃料電池發動機AMESim一維仿真模型如圖1，包括電堆、空氣系統、氫氣系統、冷卻系統和簡要控制系統。其中電堆輸入參數包括極化曲線，活性面積，單電池片數，陰極腔體容積及參數，陽極腔體容積及參數等。空氣系統主要部件有空壓機，增濕器，背壓閥等，輸入特性參數主要為空壓機MAP，增濕器流阻及增濕效率，背壓閥通徑及流量系數等。氫氣系統主要部件有儲氫瓶，比例閥，回氫泵等，輸入參數主要為儲氫瓶壓力及容積，比例閥通徑，回氫泵MAP等。冷卻系統主要包括水泵，溫控閥，散熱器等，輸入參數主要為水泵MAP，溫控閥截面積及流量系數，散熱器散熱MAP等。

電堆物質反應速率計算公式如下：

Qi為物質的摩爾反應速率，單位為mol/s;N為電堆片數;I為電堆電流，單位為A;ni為氧化還原中物質所帶電子數;F為法拉第常數，單位為96500 C/mol。

不同運行條件下的電堆極化曲線如圖2，相同電流密度下，電堆單片電壓越高，則效率越高，運行條件對應2.2節中的表1。

基本控制邏輯為：空氣系統通過控制空壓機轉速來實現電堆目標進氣流量或計量比，控制背壓閥和空壓機轉速實現目標進氣壓力。氫氣系統通過調節比例閥開度實現電堆目標氫氣流量，控制回氫泵轉速和比例閥開度實現目標氫氣計量比。冷卻系統通過調節水泵轉速實現目標冷卻水流量，控制溫控閥開度和散熱器風機轉速實現目標出水溫度。

2? ? 仿真分析

2.1? ? 空壓機選型

空壓機有三個方案，分別為方案1、方案2和方案3，其中方案1和方案2為羅茨式，方案3為離心式。將電堆最優運行條件（圖1中的方案2）下的需求空氣流量和空氣壓力與空壓機進行仿真匹配，得到空壓機與電堆的聯合運行線，如圖2-圖4。

圖3所示方案1空壓機的運行線已經遠遠超出其MAP區域，空壓機工作區域無法覆蓋電堆陰極側的工作條件。圖4所示方案2空壓機運行線基本落在其MAP區域內，僅最大流量點的壓比不滿足電堆需求。圖5所示方案3空壓機運行線雖然在MAP區域內，但多數運行點超出空壓機喘振線（紅色虛線），空壓機喘振風險較高。綜合以上分析，選取空壓機方案2作為下一步優化分析。

2.2? ?電堆運行條件匹配

電堆運行條件包括進氣壓力，流量，溫度，濕度等。不同的電堆運行條件對應圖1中的不同電堆效率，也對應不同的零部件工作狀態。表1列出了三種電堆運行條件，分別為方案1、方案2和方案3。方案2計量比大于方案1，方案3的進氣壓力低于方案2，這三種方案的進氣溫度和濕度都相同。

圖6為三種方案的空壓機運行線，方案1計量比最小，空氣流量較低，空壓機運行線相對方案2往左移，但部分工況點超出了左側MAP區域。方案3進氣壓力最低，壓比最小，空壓機運行線相對方案2往下移。

圖7-圖9分別為三種方案的電堆效率、空壓機功耗和系統效率對比曲線。由圖7可知，方案2的進氣壓力和計量比最高，因此電堆效率比方案1和方案3高1%-2%，方案3電堆效率在低功率段略高于方案1。由圖8可知，方案2因進氣壓力和計量比較大，導致空壓機功率消耗最多，大約比其他兩個方案高2kW。方案2和方案3在電堆低功率段的空壓機功率相當，方案3在電堆最大功率點的空壓機功率高于方案2。由圖9可知，從整個系統的效率來看，方案2雖然電堆效率最高，但空壓機等部件功率消耗也最多，因此系統效率反而最低。方案3大部分工況下的系統效率比其他兩個方案高1%-2%。方案1的最大系統功率高于其他兩個方案，這主要是因為它在電堆最大功率點的空壓機功率最小。

2.3? ?冷啟動方案設計

燃料電池發動機冷啟動分為無輔助（自啟動）和有輔助措施啟動。其中有輔助措施啟動的主流方案是在電堆冷卻回路增加一個PTC水加熱器。本次研究共設計了四個冷啟動方案，方案1為無PTC自啟動，方案2-方案4見圖10中的原圈所示，為三個PTC布置點方案，分別為電堆冷卻入口（方案2），中冷器回路（方案3），節溫器小循環出口（方案4）。

圖11為四種方案的-20℃冷啟動過程仿真結果。電堆出水溫度達到5℃可判定冷啟動成功。四種方案冷啟動時間分別為263s、156s、176s和161s。方案1沒有PTC的輔助加熱，冷啟動時間最長，方案2的PTC布置點離電堆冷卻入口最近，冷啟動時間最短，但方案2需要增加一個三通閥和相關聯的支路以確保冷啟動成功后冷卻液由PTC支路切換到主路。方案3的冷啟動時間大于其他兩個PTC方案。因此，綜合考慮冷啟動時間及結構布置復雜性，方案4為最優方案。

2.4? ?整車經濟性分析

燃料電池系統的所有性能指標最終反應到整車上的性能表現主要包括整車動力性，經濟性、可靠性和舒適性。其中整車經濟性在開發早期可以通過燃料電池發動機的仿真分析進行初步預測和優化。

利用燃料電池發動機仿真模型進行整車經濟性仿真時，計算工況為NEDC循環，將整車NEDC循環下的燃料電池發動機需求功率曲線作為燃料電池系統的功率輸入。這樣可以基于整車工況下的燃料電池發動機自身的工作狀態進行仿真分析。

圖12為不同燃料電池系統怠速功率下整車累計氫氣消耗量對比曲線，怠速功率5kW和3kW時的累計耗氫量分別為135g和113g，折合百公里氫氣消耗量為1.23kg和1.03kg，后者比前者經濟性提升了16%左右。原因分析見圖13，該圖對比了整車NEDC工況下，不同怠速功率時的燃料電池系統功率曲線，可以看出，NEDC工況的怠速工作點占比較大，降低燃料電池系統怠速功率，可以有效降低NEDC工況的系統功耗，即降低整車氫耗量。另一方面，怠速功率的設置也要綜合考慮對燃料電池電堆的壽命影響，因為怠速功率越低，電堆工作電壓越接近極化曲線（圖1）的開路電壓，會加快電堆內部催化劑的腐蝕，降低電堆的使用壽命。

3? ? 結論

電堆運行條件對部件工作狀態影響較大，電堆的最優工況點不一定是整個系統的最優工況點，需要結合電堆和部件工作特性進行綜合匹配。例如搭建電堆物理模型，進行DOE優化。

PTC水加熱器可以大幅縮短冷啟動時間，布置位置對冷啟動時間也有一定影響。

燃料電池發動機怠速功率從5kW降低到3kW 可提升整車經濟性16%左右。

運用仿真工具進行系統仿真分析可在燃料電池發動機開發早期階段起到很好的指導作用。

參考文獻：

[1]林瑞，蔣正華，任應時.低溫工況下燃料電池性能衰減及策略優化[J].同濟大學學報（自然科學版），2018，46（5）：658-666.

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[5]郭愛，陳維榮，劉志祥.燃料電池機車熱管理系統建模和動態分析[J].西安交通大學學報，2015，50（5）：953-960.

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[7]張潔，許思傳，鄭浩.基于AMESim的燃料電池系統低溫起動仿真[J].電源技術，2015，139（2）：298-301.

[8]許思傳，安凱，周定賢.質子交換膜燃料電池發動機空氣系統仿真與試驗研究[J].車用發動機，2011，（1）：38-41