CN110752391A - 一种燃料电池半实物仿真平台 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种燃料电池半实物仿真平台，用于免燃料电堆下燃料电池零部件及控制器测试，平台包括上位机、电堆特性模拟系统、空气供应系统、氢气供应系统和控制器。所述空气供应系统包括阴极流阻阀，用以模拟空气供应系统与电堆阴极流道流阻特性。所述氢气供应系统包括氢气消耗阀，用以模拟电堆氢气消耗。所述电堆特性模拟系统包括MEA(Membrane Electrode Assembly)模型以及热特性模型，分别模拟电堆电化学特性与热特性。与现有技术相比，本发明具有可靠性高、可操作性强等优点。

Description

一种燃料电池半实物仿真平台
技术领域
本发明涉及燃料电池系统技术领域，尤其是涉及一种燃料电池半实物仿真平台。
背景技术
氢燃料电池利用氢气和氧气电化学反应产生电能为汽车提供动力，具有零排放、无污染、能源利用率高等特点，是未来新能源汽车动力的发展方向。
燃料电池系统包括燃料电池电堆本体、附件系统以及控制器。附件的选型与匹配影响燃料电池系统的性能，控制器控制算法不仅决定系统经济性、安全性、可靠性、耐久性，还决定系统的动态特性、环境适应性等，因此系统在运行前，需要对二者进行有效验证。真实电堆本体安全性差、成本高。采用真实电堆进行测试，易造成电堆耐久性衰退、测试成本高、工作量大、安全性差、测试周期长、极限工况难以模拟等一系列问题。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种燃料电池半实物仿真平台，以实现免燃料电池电堆下，对系统零部件、系统集成匹配以及控制算法进行综合测试。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种燃料电池半实物仿真平台，该仿真平台包括上位机、电堆特性模拟系统、空气供应系统、氢气供应系统和控制器，所述电堆模拟特性系统，包含MEA模型和热特性模型，以模拟真实电堆的电化学及热力学特性。所述空气供应系统包括空气滤清器、空气入堆流量传感器、空压机、中冷器、加湿器、空气入堆压力传感器、空气入堆温度传感器、阴极流阻阀、阴极容腔和背压阀，所述空气供应系统通过所述空气入堆流量传感器、所述空压机、所述空气入堆压力传感器、所述空气入堆温度传感器和所述背压阀各自单独分别与所述控制器和所述电堆特性模拟系统实现信号交互。所述阴极流阻阀模拟空气供应系统流阻特性。所述氢气供应系统包括进氢阀、压力调节阀、氢气循环装置、氢气进堆压力传感器、阳极容腔、排氢阀和氢气消耗阀，所述氢气供应系统通过所述压力调节阀、氢气进堆压力传感器、排氢阀、氢气消耗阀与所述电堆特性模拟系统、上位机、控制器实现信号交互。
进一步地说，所述的电堆特性模拟系统由MEA模型和热特性模型组成。
进一步地说，所述MEA模型，用于模拟燃料电池的极化特性，根据容腔进口空气压力、氢气压力、过氧比、电堆温度、负载电流信号，模拟出电堆电压，并根据电堆单体电压分布特性，模拟出单体电池电压变化；所述热特性模型，用于模拟燃料电池温度变化，根据负载电流需求、电堆总电压、水泵转速、风扇转速信号，模拟电堆温度、冷却水进出电堆温度以及冷却水进堆压力。
进一步地说，所述的空气供应系统还包括按顺序依次连接的所述空气滤清器、空压机、中冷器、加湿器、阴极流阻阀和阴极容腔，所述空气入堆流量传感器连接设置于所述空气滤清器与所述空压机之间，所述空气入堆压力传感器和所述空气入堆温度传感器连接设置于所述加湿器与所述阴极流阻阀之间。
进一步地说，所述阴极流阻阀为可以根据所需模拟的电堆流阻特性的可调节阀门，以模拟空气供应系统流阻特性。所述阴极容腔用以模拟实际空气供应系统体积。
进一步地说，所述的氢气供应系统还包括按顺序依次连接的进氢阀、压力调节阀、氢气循环装置和阳极容腔，所述氢气进堆压力传感器连接设置于所述氢气循环装置与所述阳极容腔之间。
进一步地说，所述氢气消耗阀为阳极流量消耗阀，用以模拟氢气消耗。
进一步地说，所述的阳极容腔还经另一单独回路分别与所述氢气循环装置、氢气消耗阀和排氢阀相连接，以实现氢气循环。
进一步地说，所述进氢阀、压力调节阀和氢气消耗阀还分别单独与所述控制器以电信号方式进行连接。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明中电堆特性模拟系统由MEA模拟子系统和热特性子系统组成，按照等效原理，该系统以计算机模型，按照燃料电池电堆的物理、化学原理，分别模拟电堆极化特性以及热特性，对外输出电堆电压以及电堆温度等电堆特性的模拟值，简化了系统搭建。
(2)本发明仿真平台包括上位机、电堆特性模拟系统、空气供应系统、氢气供应系统和控制器。所述空气供应系统包括阴极流阻阀，用以模拟空气供应系统与电堆阴极流道流阻特性。所述氢气供应系统包括氢气消耗阀，用以模拟电堆氢气消耗。所述电堆特性模拟系统包括MEA(Membrane Electrode Assembly)模型以及热特性模型，分别模拟电堆电化学特性与热特性，为燃料电池系统匹配与集成提供了测试平台，降低了电堆损耗以及测试工作量。
(3)本发明为燃料电池系统控制器提供了验证平台，可用于控制算法验证，更加切合实际，尽可能地保留了真实系统的特性，较为真实地反应零部件匹配以及控制算法设计对电堆性能影响。
附图说明
图1为本发明的仿真平台架构图；
图中，1.进氢阀，2.压力调节阀，3.氢气循环装置，4.氢气进堆压力传感器，5.阳极容腔，6.氢气消耗阀，7.排氢阀，8.空气滤清器，9.空气入堆流量传感器，10.空压机，11.中冷器，12.加湿器，13.空气入堆压力传感器，14.空气入堆温度传感器，15.阴极流阻阀，16.阴极容腔，17.背压阀，18.控制器，19.上位机，20.电堆特性模拟系统。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
实施例
如图1所示本发明一种燃料电池半实物仿真平台由上位机19、电堆特性模拟系统20、空气供应系统、氢气供应系统以及控制器18组成。
空气供应系统由空气滤清器8，空气入堆流量传感器9，空压机10，中冷器11，加湿器12，空气入堆压力传感器13，空气入堆温度传感器14，阴极流阻阀15，阴极容腔16以及背压阀17组成，其中，阴极流阻阀15用以模拟电堆流阻特性，阴极容腔16用于模拟电堆体积，加湿器12单独经背压阀17与控制器18相连接，空压机10还单独与控制器18以电信号方式进行连接，阴极容腔16还经另一单独回路与加湿器12相连接。
氢气供应系统由进氢阀1，压力调节阀2，氢气循环装置3，氢气进堆压力传感器4，阳极容腔5，排氢阀7以及氢气消耗阀6组成，其中氢气消耗阀6用以模拟阳极氢气消耗，阳极容腔5用于模拟阳极体积。
控制器18根据当前模拟电堆温度、电堆输出电压、负载电流等信号，调用温度控制算法，发出水泵转速、风扇转速指令。
电堆特性模拟系统20由两部分功能，分别模拟MEA(MembraneElectrodeAssembly)物理化学特性以及电堆的热特性。
系统运行前，根据需要模拟的电堆流阻特性，调节空气供应系统中的阴极流阻阀15，以模拟真实电堆的流阻特性。
系统运行时，上位机19下发负载电流指令，控制器18接受相关指令，根据采集到的相关传感器信号，调用内部算法，输出空压机10转速、背压阀17开度、压力调节阀2开度、散热器风扇转速指令以及水泵转速指令。
系统运行同时，根据上位机下发负载指令，控制器18控制氢气消耗阀6打开，按照化学计量比关系，根据实时负载电流，排出当量氢气，用于模拟电堆氢气消耗量。
空气供应系统、氢气供应系统接收控制器18相关指令，空压机10、背压阀17、氢气压力调节阀2按照相关指令动作，空气入堆流量传感器9、空气入堆压力传感器13、空气入堆温度传感器14、氢气进堆压力传感器4实时测量相关信号，并向控制器18、电堆特性模拟系统20实时反馈传感器读数。
电堆特性模拟系统20实时采集各子部件相关传感器信号以及控制器18所发水泵转速、风扇转速指令，接受上位机19负载电流指令，并向控制器18反馈模拟电压值以及模拟电堆温度值，以供控制算法调用。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种燃料电池半实物仿真平台，其特征在于，该仿真平台包括上位机(19)、电堆特性模拟系统(20)、空气供应系统、氢气供应系统和控制器(18)，所述电堆模拟特性系统，包含MEA模型和热特性模型，以模拟真实电堆的电化学及热力学特性，所述空气供应系统包括空气滤清器(8)、空气入堆流量传感器(9)、空压机(10)、中冷器(11)、加湿器(12)、空气入堆压力传感器(13)、空气入堆温度传感器(14)、阴极流阻阀(15)、阴极容腔(16)和背压阀(17)，所述空气供应系统通过所述空气入堆流量传感器(9)、所述空压机(10)、所述空气入堆压力传感器(13)、所述空气入堆温度传感器(14)和所述背压阀(17)各自单独分别与所述控制器(18)和所述电堆特性模拟系统(20)实现信号交互，所述阴极流阻阀(15)模拟空气供应系统流阻特性，所述氢气供应系统包括进氢阀(1)、压力调节阀(2)、氢气循环装置(3)、氢气进堆压力传感器(4)、阳极容腔(5)、排氢阀(7)和氢气消耗阀(6)，所述氢气供应系统通过所述压力调节阀(2)、氢气进堆压力传感器(4)、排氢阀(7)、氢气消耗阀(6)与所述电堆特性模拟系统(20)、上位机(19)、控制器(18)实现信号交互。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池半实物仿真平台，其特征在于，所述的电堆特性模拟系统(20)由MEA模型和热特性模型组成。
3.根据权利要求2所述的一种燃料电池半实物仿真平台，其特征在于，所述MEA模型，用于模拟燃料电池的极化特性，根据容腔进口空气压力、氢气压力、过氧比、电堆温度、负载电流信号，模拟出电堆电压，并根据电堆单体电压分布特性，模拟出单体电池电压变化；所述热特性模型，用于模拟燃料电池温度变化，根据负载电流需求、电堆总电压、水泵转速、风扇转速信号，模拟电堆温度、冷却水进出电堆温度以及冷却水进堆压力。
4.根据权利要求1所述的一种燃料电池半实物仿真平台，其特征在于，所述的空气供应系统还包括按顺序依次连接的所述空气滤清器(8)、空压机(10)、中冷器(11)、加湿器(12)、阴极流阻阀(15)和阴极容腔(16)，所述空气入堆流量传感器(9)连接设置于所述空气滤清器(8)与所述空压机(10)之间，所述空气入堆压力传感器(13)和所述空气入堆温度传感器(14)连接设置于所述加湿器(12)与所述阴极流阻阀(15)之间。
5.根据权利要求4所述的一种燃料电池半实物仿真平台，其特征在于，所述的加湿器(12)单独经所述背压阀(17)与所述控制器(18)相连接，所述空压机(10)还单独与所述控制器(18)以电信号方式进行连接，所述阴极容腔(16)还经另一单独回路与所述加湿器(12)相连接。
6.根据权利要求5所述的一种燃料电池半实物仿真平台，其特征在于，所述阴极流阻阀(5)为根据所需模拟的电堆流阻特性的可调节阀门，以模拟空气供应系统流阻特性，所述阴极容腔(16)用以模拟实际空气供应系统体积。
7.根据权利要求1所述的一种燃料电池半实物仿真平台，其特征在于，所述的氢气供应系统还包括按顺序依次连接的所述进氢阀(1)、压力调节阀(2)、氢气循环装置(3)和阳极容腔(5)，所述氢气进堆压力传感器(4)连接设置于所述氢气循环装置(3)与所述阳极容腔(5)之间。
8.根据权利要求7所述的一种燃料电池半实物仿真平台，其特征在于，所述氢气消耗阀(6)为阳极流量消耗阀，用以模拟氢气消耗。
9.根据权利要求8所述的一种燃料电池半实物仿真平台，其特征在于，所述的阳极容腔(5)还经另一单独回路分别与所述氢气循环装置(3)、氢气消耗阀(6)和排氢阀(7)相连接。
10.根据权利要求9所述的一种燃料电池半实物仿真平台，其特征在于，所述进氢阀(1)、压力调节阀(2)和氢气消耗阀(6)还分别单独与所述控制器(18)以电信号方式进行连接。
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