CN115513489A - 一种燃料电池散热子系统仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃料电池散热子系统仿真方法，系统包括风扇及散热器、电堆、水泵、中冷器、节温器；方法包括S1、获取水泵的样本参数，并并建立水泵扬程‑流量‑转速公式模型；S2、获取风扇的运行参数，建立风扇风压‑风量‑占空比公式模型；S3、收集散热器结构参数及燃料电池电堆运行参数，建立散热器的热阻公式和散热器水出温度公式模型；S4、建立散热回路流量与燃料电池电堆水入压力的数学模型；S5、建立中冷器与电堆流量分配数学模型。本申请建立了燃料电池散热子系统零部件数学模型，同时可对散热子系统系统零部件进行评估及不同功率燃料电池系统零部件适配性验证；也为子系统应用布局、优化管路、优化中冷‑电堆流量分配等提供依据。

Description

一种燃料电池散热子系统仿真方法

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池散热子系统仿真方法。

背景技术

燃料电池是一种将化学能直接转化成电能和热能的反应装置，其中，质子交换膜燃料电池由于其低运行温度、高功率密度和快速启动等优点广泛应用于汽车、分布式发电站、军工等各领域，成为“氢时代”最具发展潜力的能源利用装置。热管理对提高质子交换膜燃料电池的效率及耐久性有着极其重要的作用。由于质子交换膜燃料电池的低温运行特性，导致燃料电池系统与环境之间的温差很小，极大的依赖于冷却介质进行散热，冷却燃料电池成为其燃料电池商业化发展中极具挑战性的一环。因此，有效的对燃料电池散热子系统进行性能预测及优化，燃料电池散热子系统建模仿真在燃料电池实商业化过程中显得尤为重要。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种燃料电池散热子系统仿真方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

一种燃料电池散热子系统仿真方法，燃料电池散热子系统包括：风扇及散热器、电堆、水泵、中冷器、节温器；

风扇及散热器进口连接节温器出口，风扇及散热器出口分别连接中冷器和电堆的进口，中冷器和电堆的出口均连接水泵进口，水泵出口连接节温器进口；

仿真方法包括：

S1、获取水泵的流量、扬程、转速样本参数，并根据样本参数建立水泵的数学模型，包括水泵扬程-流量-转速公式；

S2、获取风扇的风量、风压、占空比参数，建立风扇的数学模型，包括风扇风压-风量-占空比公式；

S3、收集散热器结构参数，包括散热器热侧换热系数、散热器冷侧换热系数，燃料电池电堆运行参数，包括环境温度、电堆水出温度，建立散热器的数学模型，包括热阻公式和散热器水出温度公式；

S4、根据上述参数建立散热回路流量与燃料电池电堆水入压力的数学模型；

S5、根据上述参数建立中冷器与电堆流量分配数学模型。

作为上述方案的优选，步骤S1具体包括：

S11、根据电堆运行参数通过以下公式(1)计算出燃料电池散热子系统中电堆流量：

式中，Q_stack为电堆流量，单位为kg/s；S为燃料电池电堆的片数，为预设值；T_in为电堆的水出温度，单位为℃，通过设于电堆出口处的温度传感器测得；T_out为电堆的水入温度，即散热器的水出温度，单位为℃，通过公式(6)计算得到；C_p.h2o为水的比热容，单位为kJ/kg/k，为常数值；V为燃料电池电堆的电压，单位为伏特，I为燃料电池电堆的电流，单位为A，电堆电压和电堆电流通过设于电堆上的电压电流传感器测得；

S12、收集水泵运行过程中不同转速下的扬程数据，通过拟合回归得到对应的水泵扬程-流量-转速公式(2)，并绘制出水泵的性能参数曲线：

式中，H为水泵扬程，单位为m；Q_pump为水泵流量，单位为kg/s，通过公式(8)计算得到；N为水泵转速，单位为rpm；a_i(i＝1、2、3)为水泵经验系数。

作为上述方案的优选，步骤S2具体包括：

S21、根据燃料电池散热子系统的水流量通过以下公式(3)计算风扇风量：

式中，q为风扇风量，单位为m³/h；C_p.air为空气的比热容，单位为kJ/kg/k，通过查询空气比热容温度对照表获得；t_out为风扇的风出温度，单位为℃，通过设于风扇出口处的温度传感器测得；T_amb为环境温度，单位为℃，通过设于燃料电池电堆外部的温度传感器测得；

S22、收集风扇运行过程中不同占空比下的风量、风压数据，并通过拟合回归得到对应的风扇风压-风量-占空比公式(4)：

P_fan＝b₁·PWM²+b₂·PWM·q+b₃·q² (4)

式中，P_fan为风扇风压，单位为Pa，通过设有风扇出口处的空气压力传感器测得；PWM为风扇占空比，单位为％；b_i(i＝1、2、3)为风扇经验系数。

作为上述方案的优选，步骤S3中，根据以下公式(5)计算得到散热器热阻：

式中，R为散热器热阻，单位为w/k；H_h为散热器热侧换热系数，Hc为散热器冷侧换热系数，H_h和Hc均与散热器结构有关；k_i(i＝1、2)为散热器经验系数；

根据以下公式(6)计算得到散热器水出温度：

其中，

作为上述方案的优选，步骤S4中，根据以下公式(7)计算燃料电池电堆水入压力：

式中，P_stack为燃料电池电堆水入压力，单位为KPa；P₀为散热子系统管路结构初始压力，单位为KPa；β为散热子系统局部阻力系数，经过查表得到；γ为散热子系统的沿程阻力系数，经实验测出；g重力常数，单位为N/kg。

作为上述方案的优选，步骤S5中，根据以下公式(8)计算中冷路及电堆路的水流量：

式中，ΔP_cooling为中冷路能量损失；ΔP_stack为电堆路能量损失；ε_i(i＝1,2,3,4)为中冷、电堆并联管路阻力系数，经过查表得到；Q_cooling为中冷路水流量，单位为kg/s。

由于具有上述结构，本发明的有益效果在于：

(1)本申请建立燃料电池散热子系统零部件数学模型，结合实验数据进行修正，同时可对散热子系统系统零部件进行评估及不同功率燃料电池系统零部件适配性验证。

(2)本申请基于所建立的散热子系统仿真模型，进行燃料电池散热子系统应用布局及管路优化，明确燃料电池散热子系统边界条件，降低燃料电池系统仿真时间，促进工程应用。

(3)本申请基于燃料电池系统额定功率，优化中冷、电堆流量分配，提高燃料电池电堆耐久性。

(4)本申请根据水泵、风扇模型及电堆运行电流参数，调节燃料电池的散热回路中的水入温度及流量，降低燃料电池散热子系统功耗，优化燃料电池系统效率及氢耗。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本发明燃料电池散热子系统结构示意图；

图2为水泵map图；

图3为燃料电池散热子系统仿真结果示意图；

图中：101-风扇及散热器；102-电堆水入温度传感器；103、燃料电池电堆；104-电堆水出温度传感器；105-中冷器；106-水泵；107-节温器。

具体实施方式

下面将结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本实施例提供一种燃料电池散热子系统仿真方法，其中，如图1所示，燃料电池散热子系统包括：风扇及散热器101、电堆103、中冷器105、水泵106、节温器107；风扇及散热器101进口连接节温器107出口，风扇及散热器101出口分别连接中冷器105和电堆103的进口，中冷器105和电堆103的出口均连接水泵106进口，水泵106出口连接节温器107进口，电堆103的出入口处分别设置有电堆水入温度传感器102和电堆水出温度传感器104。

仿真方法包括：

S1、获取水泵的流量、扬程、转速样本参数，并根据样本参数建立水泵的数学模型，包括水泵扬程-流量-转速公式；

在本实施例中，步骤S1具体包括：

S11、根据电堆运行参数通过以下公式(1)计算出燃料电池散热子系统中电堆流量：

式中，Q_stack为电堆流量，单位为kg/s；S为燃料电池电堆的片数，为预设值；T_in为电堆的水出温度，单位为℃，通过设于电堆出口处的温度传感器测得；T_out为电堆的水入温度，即散热器的水出温度，单位为℃，通过公式(6)计算得到；C_p.h2o为水的比热容，单位为kJ/kg/k，为常数值；V为燃料电池电堆的电压，单位为伏特，I为燃料电池电堆的电流，单位为A，电堆电压和电堆电流通过设于电堆上的电压电流传感器测得；

S12、收集水泵运行过程中不同转速下的扬程数据，通过拟合回归得到对应的水泵扬程-流量-转速公式(2)：

式中，H为水泵扬程，单位为m；Q_pump为水泵流量，单位为kg/s，通过公式(8)计算得到；N为水泵转速，单位为rpm；a_i(i＝1、2、3)为水泵经验系数。

并绘制出水泵的性能参数曲线，如图2所示，图中显示了不同转速下，燃料电池散热子系统的水流量。

S2、获取风扇的风量、风压、占空比参数，建立风扇的数学模型，包括风扇风压-风量-占空比公式；

在本实施例中，步骤S2具体包括：

S21、根据燃料电池散热子系统的水流量通过以下公式(3)计算风扇风量：

式中，q为风扇风量，单位为m³/h；C_p._air为空气的比热容，单位为kJ/kg/k，通过查询空气比热容温度对照表获得；t_out为风扇的风出温度，单位为℃，通过设于风扇出口处的温度传感器测得；T_amb为环境温度，单位为℃，通过设于燃料电池电堆外部的温度传感器测得；

S22、收集风扇运行过程中不同占空比下的风量、风压数据，并通过拟合回归得到对应的风扇风压-风量-占空比公式(4)：

P_fan＝b₁·PWM²+b₂·PWM·q+b₃·q² (4)

式中，P_fan为风扇风压，单位为Pa，通过设有风扇出口处的空气压力传感器测得；PWM为风扇占空比，单位为％；b_i(i＝1、2、3)为风扇经验系数。

S3、收集散热器结构参数，包括散热器热侧换热系数、散热器冷侧换热系数，燃料电池电堆运行参数，包括环境温度、电堆水出温度，建立散热器的数学模型，包括热阻公式和散热器水出温度公式；

在本实施例中，步骤S3中，根据以下公式(5)计算得到散热器热阻：

式中，R为散热器热阻，单位为w/k；H_h为散热器热侧换热系数，Hc为散热器冷侧换热系数，H_h和Hc均与散热器结构有关；k_i(i＝1、2)为散热器经验系数；

根据以下公式(6)计算得到散热器水出温度：

其中，

S4、根据上述参数建立散热回路流量与燃料电池电堆水入压力的数学模型；

在本实施例中，步骤S4中，根据以下公式(7)计算燃料电池电堆水入压力：

式中，P_stack为燃料电池电堆水入压力，单位为KPa；P₀为散热子系统管路结构初始压力，单位为KPa；β为散热子系统局部阻力系数，经过查表得到；γ为散热子系统的沿程阻力系数，经实验测出；g重力常数，单位为N/kg。

S5、根据上述参数建立中冷器与电堆流量分配数学模型。

在本实施例中，步骤S5中，根据以下公式(8)计算中冷路及电堆路的水流量：

式中，ΔP_cooling为中冷路能量损失；ΔP_stack为电堆路能量损失；ε_i(i＝1,2,3,4)为中冷、电堆并联管路阻力系数(包括分支、汇合管路)，经过查表得到；Q_cooling为中冷路水流量，单位为kg/s。

本实施例基于燃料电池散热子系统实际运行工况建立仿真模型，并结合实验数据进行修正，可对散热子系统系统零部件进行评估及不同功率燃料电池系统零部件适配性验证，同时可为子系统应用布局、优化管路、优化中冷-电堆流量分配等提供依据，图3为燃料电池散热子系统仿真结果示意图，基于电堆电流变化，调节风扇转速和水泵转速，其温度波动在1℃以内，温差波动在0.5℃以内，呈现较好的结果。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种燃料电池散热子系统仿真方法，其特征在于，燃料电池散热子系统包括：风扇及散热器、电堆、水泵、中冷器、节温器；

风扇及散热器进口连接节温器出口，风扇及散热器出口分别连接中冷器和电堆的进口，中冷器和电堆的出口均连接水泵进口，水泵出口连接节温器进口；

仿真方法包括：

S1、获取水泵的流量、扬程、转速样本参数，并根据样本参数建立水泵的数学模型，包括水泵扬程-流量-转速公式；

S2、获取风扇的风量、风压、占空比参数，建立风扇的数学模型，包括风扇风压-风量-占空比公式；

S3、收集散热器结构参数，包括散热器热侧换热系数、散热器冷侧换热系数，燃料电池电堆运行参数，包括环境温度、电堆水出温度，建立散热器的数学模型，包括热阻公式和散热器水出温度公式；

S4、根据上述参数建立散热回路流量与燃料电池电堆水入压力的数学模型；

S5、根据上述参数建立中冷器与电堆流量分配数学模型。

2.根据权利要求1所述的一种燃料电池散热子系统仿真方法，其特征在于，步骤S1具体包括：

S11、根据电堆运行参数通过以下公式(1)计算出燃料电池散热子系统中电堆流量：

式中，Q_stack为电堆流量，单位为kg/s；S为燃料电池电堆的片数，为预设值；T_in为电堆的水出温度，单位为℃，通过设于电堆出口处的温度传感器测得；T_out为电堆的水入温度，即散热器的水出温度，单位为℃，通过公式(6)计算得到；C_p.h2o为水的比热容，单位为kJ/kg/k，为常数值；V为燃料电池电堆的电压，单位为伏特，I为燃料电池电堆的电流，单位为A，电堆电压和电堆电流通过设于电堆上的电压电流传感器测得；

S12、收集水泵运行过程中不同转速下的扬程数据，通过拟合回归得到对应的水泵扬程-流量-转速公式(2)，并绘制出水泵的性能参数曲线：

式中，H为水泵扬程，单位为m；Q_pump为水泵流量，单位为kg/s，通过公式(8)计算得到；N为水泵转速，单位为rpm；a_i(i＝1、2、3)为水泵经验系数。

3.根据权利要求2所述的一种燃料电池散热子系统仿真方法，其特征在于，步骤S2具体包括：

S21、根据燃料电池散热子系统的水流量通过以下公式(3)计算风扇风量：

式中，q为风扇风量，单位为kg/s；C_p.air为空气的比热容，单位为kJ/kg/k，通过查询空气比热容温度对照表获得；t_out为风扇的风出温度，单位为℃，通过设于风扇出口处的温度传感器测得；T_amb为环境温度，单位为℃，通过设于燃料电池电堆外部的温度传感器测得；

S22、收集风扇运行过程中不同占空比下的风量、风压数据，并通过拟合回归得到对应的风扇风压-风量-占空比公式(4)：

P_fan＝b₁·PWM²+b₂·PWM·q+b₃·q² (4)

式中，P_fan为风扇风压，单位为Pa，通过设有风扇出口处的空气压力传感器测得；PWM为风扇占空比，单位为％；b_i(i＝1、2、3)为风扇经验系数。

4.根据权利要求3所述的一种燃料电池散热子系统仿真方法，其特征在于，步骤S3中，根据以下公式(5)计算得到散热器热阻：

式中，R为散热器热阻，单位为w/k；H_h为散热器热侧换热系数，Hc为散热器冷侧换热系数，H_h和Hc均与散热器结构有关；k_i(i＝1、2)为散热器经验系数；

根据以下公式(6)计算得到散热器水出温度：

其中，

5.根据权利要求1所述的一种燃料电池散热子系统仿真方法，其特征在于，步骤S4中，根据以下公式(7)计算燃料电池电堆水入压力：

式中，P_stack为燃料电池电堆水入压力，单位为KPa；P₀为散热子系统管路结构初始压力，单位为KPa；β为散热子系统局部阻力系数，经过查表得到；γ为散热子系统的沿程阻力系数，经实验测出；g为重力常数，单位为N/kg。

6.根据权利要求1所述的一种燃料电池散热子系统仿真方法，其特征在于，步骤S5中，根据以下公式(8)计算中冷路及电堆路的水流量：

式中，ΔP_cooling为中冷路能量损失；ΔP_stack为电堆路能量损失；ε_i(i＝1,2,3,4)为中冷、电堆并联管路阻力系数，经过查表得到；Q_cooling为中冷路水流量，单位为kg/s。

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