CN110749825B - 一种燃料电池耐久性测试加速工况建立方法及装置 - Google Patents

一种燃料电池耐久性测试加速工况建立方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种燃料电池耐久性测试加速工况建立方法及装置，该方法首先采集燃料电池车辆的实际运行数据，构建燃料电池系统运行工况；然后针对不同的燃料电池系统运行工况，分解出燃料电池运行单因素工况，计算在不同的燃料电池运行单因素工况下燃料电池的电压衰减速率，获得在不同的燃料电池系统运行工况下对应的单因素的影响权重，并建立电池电压衰减数学模型；接着根据建立的电池电压衰减数学模型，建立电堆模型，并对电堆模型进行校正，根据校正结果建立燃料电池加速工况。本发明通过该方法来建立燃料电池耐久性加速测试工况，适用于所有的燃料电池车辆，实用性较高；同时，成本较低，预测较为准确。

Description

一种燃料电池耐久性测试加速工况建立方法及装置
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池耐久性测试加速工况建立方法及装置。
背景技术
近年来，环境污染问题日益严重。为了应对全球能源短缺和环境污染等问题，开始提倡大力发展新能源汽车，越来越多的人将目光投送到了零排放的燃料电池车辆上。燃料电池车辆成为未来汽车工业发展的方向，也是汽车领域研究的重点。但是，其制作成本和使用成本高是其一大缺点，因此，寿命研究成为燃料电池研究的一个核心课题，燃料电池使用寿命的长短(即耐久性)直接关系到其商业化的发展。
燃料电池的耐久性测试的评价方法包括：1)通过长时间的连续恒电流放电进行测试；2)通过长时间稳态测试与间断运行相结合进行测试；3)通过循环变载的方式进行测试。
但是，长时间的连续恒电流放电测试，耗费大量的时间、人力、物力；循环变载的耐久性测试方法可以粗略的预测燃料电池的耐久性，但较难确定燃料电池的实际使用耐久性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种燃料电池耐久性测试加速工况建立方法及装置，用以解决现有技术中耐久性测试耗时、耗力且不准确的问题。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：
本发明提供了一种燃料电池耐久性测试加速工况建立方法，包括如下步骤：
1)采集燃料电池车辆的实际运行数据，构建燃料电池系统运行工况；
2)针对不同的燃料电池系统运行工况，分解出燃料电池运行单因素工况，计算在不同的燃料电池运行单因素工况下燃料电池的电压衰减速率，获得在不同的燃料电池系统运行工况下对应的单因素的影响权重，并建立电池电压衰减数学模型；
3)根据建立的电池电压衰减数学模型，建立电堆模型，并对电堆模型进行校正，根据校正结果建立燃料电池加速工况。
本发明还提供了一种燃料电池耐久性测试加速工况建立装置，包括处理器，所述处理器用于执行指令实现如下方法：
1)采集燃料电池车辆的实际运行数据，构建燃料电池系统运行工况；
2)针对不同的燃料电池系统运行工况，分解出燃料电池运行单因素工况，计算在不同的燃料电池运行单因素工况下燃料电池的电压衰减速率，获得在不同的燃料电池系统运行工况下对应的单因素的影响权重，并建立电池电压衰减数学模型；
3)根据建立的电池电压衰减数学模型，建立电堆模型，并对电堆模型进行校正，根据校正结果建立燃料电池加速工况。
本发明的有益效果：
本发明结合大量的燃料电池车辆的实际运行数据来构建燃料电池系统运行工况，并针对不同的燃料电池系统运行工况，获得在不同的燃料电池系统运行工况下对应的单因素的影响权重，并建立电池电压衰减数学模型，进而根据建立的电池电压衰减数学模型建立燃料电池加速工况。本发明以燃料电池车辆的实际运行数据来构建燃料电池系统运行工况，提高模型输入的准确性；而且，通过该方法来建立燃料电池耐久性加速测试工况，适用于所有的燃料电池车辆，实用性较高；同时，成本较低，预测较为准确。
作为方法及装置的进一步改进，还包括步骤4)，步骤4)包括：使燃料电池车辆系统分别在实车道路环境下和试验室测试环境下，对建立的燃料电池加速工况进行优化。
作为方法及装置的进一步改进，所述电堆模型的建立步骤包括：建立2D单电池模型；建立用于计算电堆中流场、电场和热场分布的3D电堆模型，结合2D单电池模型，建立简化的2D电堆模型，即所述电堆模型。
作为方法及装置的进一步改进，根据单电池性能传输模型来计算电池的性能，根据电池的性能来计算得到在不同的燃料电池运行单因素工况下燃料电池的电压衰减速率；其中，所述单电池性能传输模型包括：
Figure BDA0001722498940000021
Figure BDA0001722498940000022
Figure BDA0001722498940000031
其中，J为传质质量，A为扩散层的传质横截面积，Δn为传质浓度差，τ为曲折度，L为传质长度，dm为质量浓度，ρ为传质气体的密度，k为渗透率，ΔP为传质压力差，μ为传质气体的绝对粘度，E为电极电势，E0为电极在标准压力下的电势，R为气体常数，F为法拉第常数，n为化学反应中转移的电子，a为活度。
作为方法及装置的进一步改进，所述燃料电池系统运行工况包括启停工况、怠速工况、高载工况和变载工况。
附图说明
图1是本发明的建立方法示意图；
图2是模型演示示意图；
图3是老化测试工况图。
具体实施方式
本发明提供了一种燃料电池耐久性测试加速工况建立装置，该装置包括处理器，该处理器用于执行指令实现本发明的燃料电池耐久性测试加速工况建立方法，下面结合附图及实施例，对该方法作进一步的详细说明。
1、燃料电池车用典型测试工况建立
以CATC、CCBC和C-WTVC中的城市工况为基础，对燃料电池公交车在不同城市道路测试的工况数据进行采集和分析，基于面向长寿命、高效率燃料电池动力系统的能量分配策略，通过AMEsim与Matlab/Simulink联合仿真，对模拟计算和实车测试的燃料电池工况进行提取和拟合，构建燃料电池系统运行工况，并验证其合理性和可行性。
2、分析单电池寿命衰退模型与单因素工况的对应关系
基于燃料电池系统运行工况，分解出燃料电池运行单因素工况，包括启停、怠速、高载、变载等运行工况，环境温度、空气质量等环境工况，建立质子交换膜、催化剂、双极板、催化剂载体等材料和部件多样化的试验样本，研究各单因素工况下单电池的性能衰减特性，计算不同单因素工况下单电池的电压衰减速率，获得在不同的燃料电池系统运行工况下对应的单因素的影响权重，并建立单电池电压衰减数学模型，提出一种根据关键材料与部件特性参数预测寿命的普适性方法。
3、建立燃料电池电堆加速老化模型与测试工况
以单电池加速老化测试和老化材料表征结果为基础，结合单电池电压衰减数学模型，建立电堆性能与老化模型，兼顾传输机理和老化机制，开展跨尺度、多物理场的仿真计算。开展短堆基准工况和加速工况测试，通过三维电堆模拟仿真和短堆台架测试对二维模型进行校正，电堆模型经过验证后设计加速工况，调控模型中老化机制的频率及工况的强度，得到面向工程化使用的加速工况。经过燃料电池车在实车道路环境下进行加速寿命工况的验证，提高测试方法和工况的准确性。
4、燃料电池系统快速寿命评价方法
基于燃料电池单电池和短堆的加速工况，制定燃料电池系统加速工况谱，开展燃料电池系统快速寿命评价测试，并验证快速寿命评价方法。通过对比分析燃料电池系统整车路试衰减率和试验室测试衰减率，确定燃料电池系统寿命差异影响因子，制定面向工程化的试验室和车载燃料电池系统快速寿命评价方法。针对公交工况中的启停、怠速、高载、变载及环境因素，提出燃料电池系统长寿命管理和控制策略。
下面介绍建立预测耐久性及优化控制的模拟工具。
其主要工作包含：(1)建立单电池性能传输模型可以实现根据材料特性计算电池的性能，在单电池加速老化测试工况下测试材料的老化；(2)简化2D电堆模型与用以校正的3D电堆模型。
模拟仿真的技术方案具体包括：(1)传输模型与材料特性关系的建立；(2)简化二维电堆模型时结合老化机制，研究电堆中因非常规工况变化引发气电热不均匀造成的老化；(3)根据耐久性模拟并结合系统模拟来研究提升电堆寿命的策略。
材料特性的电池性能的模型主要有：
Figure BDA0001722498940000041
Figure BDA0001722498940000042
Figure BDA0001722498940000051
其中，J为传质质量，A为扩散层的传质横截面积，Δn为传质浓度差，τ为曲折度，L为传质长度，dm为质量浓度，ρ为传质气体的密度，k为渗透率，ΔP为传质压力差，μ为传质气体的绝对粘度，E为电极电势，E0为电极在标准压力下的电势，R为气体常数，F为法拉第常数，n为化学反应中转移的电子，a为活度。
建立图2的2D单电池模型，包含膜电极结构及气槽、双极板边界，求解气体组分、电场、热的传输现象以及可能参与化学老化的组分，同时耦合固体力学计算应力场与形变。
图2的3D电堆模型主要为计算电堆中的流/电/热场分布，然后结合2D的单电池模型，建立简化的2D电堆模型。电堆模型经过验证后将用来设计加速工况，模型中老化机制的频率及工况的强度可以经过调控，模拟老化结果，拟定出的加速工况，如图3所示，将指导短电堆及电堆系统的加速老化测试。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (8)

1.一种燃料电池耐久性测试加速工况建立方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)采集燃料电池车辆的实际运行数据，构建燃料电池系统运行工况；
2)针对不同的燃料电池系统运行工况，分解出燃料电池运行单因素工况，计算在不同的燃料电池运行单因素工况下燃料电池的电压衰减速率，获得在不同的燃料电池系统运行工况下对应的单因素的影响权重，并建立电池电压衰减数学模型；
3)根据建立的电池电压衰减数学模型，建立电堆模型，并对电堆模型进行校正，根据校正结果建立燃料电池加速工况；
所述电堆模型的建立步骤包括：
以单电池加速老化测试和老化材料表征结果为基础，建立2D单电池老化模型；
建立用于计算电堆中流场、电场和热场分布的3D电堆模型，结合2D单电池老化模型、3D电堆模拟仿真、小电堆基准工况/加速工况测试以及所述电池电压衰减数学模型，建立简化的2D电堆性能与老化模型，即所述电堆模型。
2.根据权利要求1所述的燃料电池耐久性测试加速工况建立方法，其特征在于，还包括步骤4)，步骤4)包括：使燃料电池车辆系统分别在实车道路环境下和试验室测试环境下，对建立的燃料电池加速工况进行优化。
3.根据权利要求1所述的燃料电池耐久性测试加速工况建立方法，其特征在于，根据单电池性能传输模型来计算电池的性能，根据电池的性能来计算得到在不同的燃料电池运行单因素工况下燃料电池的电压衰减速率；
其中，所述单电池性能传输模型包括：
Figure FDA0003282475290000011
Figure FDA0003282475290000012
Figure FDA0003282475290000013
其中，J为传质质量，A为扩散层的传质横截面积，Δn为传质浓度差，τ为曲折度，L为传质长度，dm为质量浓度，ρ为传质气体的密度，k为渗透率，ΔP为传质压力差，μ为传质气体的绝对粘度，E为电极电势，E0为电极在标准压力下的电势，R为气体常数，F为法拉第常数，n为化学反应中转移的电子，a为活度。
4.根据权利要求1所述的燃料电池耐久性测试加速工况建立方法，其特征在于，所述燃料电池系统运行工况包括启停工况、怠速工况、高载工况和变载工况。
5.一种燃料电池耐久性测试加速工况建立装置，其特征在于，包括处理器，所述处理器用于执行指令实现如下方法：
1)采集燃料电池车辆的实际运行数据，构建燃料电池系统运行工况；
2)针对不同的燃料电池系统运行工况，分解出燃料电池运行单因素工况，计算在不同的燃料电池运行单因素工况下燃料电池的电压衰减速率，获得在不同的燃料电池系统运行工况下对应的单因素的影响权重，并建立电池电压衰减数学模型；
3)根据建立的电池电压衰减数学模型，建立电堆模型，并对电堆模型进行校正，根据校正结果建立燃料电池加速工况；
所述电堆模型的建立步骤包括：
以单电池加速老化测试和老化材料表征结果为基础，建立2D单电池老化模型；
建立用于计算电堆中流场、电场和热场分布的3D电堆模型，结合2D单电池老化模型、3D电堆模拟仿真、小电堆基准工况/加速工况测试以及所述电池电压衰减数学模型，建立简化的2D电堆性能与老化模型，即所述电堆模型。
6.根据权利要求5所述的燃料电池耐久性测试加速工况建立装置，其特征在于，还包括步骤4)，步骤4)包括：使燃料电池车辆系统分别在实车道路环境下和试验室测试环境下，对建立的燃料电池加速工况进行优化。
7.根据权利要求5所述的燃料电池耐久性测试加速工况建立装置，其特征在于，根据单电池性能传输模型来计算电池的性能，根据电池的性能来计算得到在不同的燃料电池运行单因素工况下燃料电池的电压衰减速率；
其中，所述单电池性能传输模型包括：
Figure FDA0003282475290000021
Figure FDA0003282475290000022
Figure FDA0003282475290000031
其中，J为传质质量，A为扩散层的传质横截面积，Δn为传质浓度差，τ为曲折度，L为传质长度，dm为质量浓度，ρ为传质气体的密度，k为渗透率，ΔP为传质压力差，μ为传质气体的绝对粘度，E为电极电势，E0为电极在标准压力下的电势，R为气体常数，F为法拉第常数，n为化学反应中转移的电子，a为活度。
8.根据权利要求5所述的燃料电池耐久性测试加速工况建立装置，其特征在于，所述燃料电池系统运行工况包括启停工况、怠速工况、高载工况和变载工况。
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