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    燃料電池系統仿真平臺的搭建方案

    發布日期: 2020-09-11
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    目前,以燃料電池和動力電池為能量源的電電混動方案已成為FCV的一種主要動力架構。燃料電池電混方案既要保證燃料電池堆高穩定性和可靠輸出,又要高效分配燃料電池和動力電池輸出功率。開發初期,在實驗室建立燃料電池系統仿真平臺,對于快速研究和驗證動力系統可靠性、能量分配策略和算法作用重大。本文分享ITECH的FCS3000燃料電池系統模擬軟件。

    相比較動力電池,燃料電池在輕量化、長航時及低溫特性等方面具備明顯的優勢,同時可解決充電(加氫)慢的問題。目前,以燃料電池-鋰電池為動力源的電電混動推進方案逐漸引起關注并得到應用,以燃料電池-鋰電池為推進系統的構造模型已從原先的理論研究過渡到實證階段。盡管新能源純電動汽車近年來得到飛速發展,但依然局限在乘用車領域,無法廣泛應用于重型卡車、長途客車、船舶及有軌電車等對續航里程和載荷重量有更高需求的領域。

    燃料電池作為一種特殊類型的電池,其放電特性與鋰電池大為不同。加快普及燃料電池應用,除了需解決氫氣存儲、運輸和加注等方面的問題,工程師還需要在實驗室建立以燃料電池為主要動力源的系統模型,通過研究和仿真燃料電池的特性,驗證燃料電池動力系統的穩定性和可靠性。ITECH的FCS3000燃料電池模擬軟件正是為協助工程師建立燃料電池系統模型而推出的產品。

    燃料電池輸出極化特性

    一言以蔽之,燃料電池的工作原理是電解水的逆反應。具體過程:氫氣和氧氣分別供給陽極和陰極,氫氣在Pt催化劑作用下生成氫離子和電子,電子通過外電路到達陰極,產生電能;陽極側氫離子通過質子交換膜到達陰極,并與氧氣反應生成水??此坪唵蔚脑?,實現整個燃料電池系統的高效穩定工作卻絕非易事,需要儲氫瓶、空壓機、加濕器和水泵等零部件協同配合,這也增加了工程師在實驗室搭建氫燃料電池動力系統的復雜度。

    實際情況下,燃料電池的輸出電壓受外部行駛工況影響。當工況電流發生變化時,燃料電池堆輸出電壓跟隨波動。燃料電池極化特性曲線包含三段,分別是電化學極化區,歐姆極化區及濃差極化區。電化學極化區是由于燃料電池內部活化反應導致的電壓損耗;當實際拉載時,隨著拉載電流的不同,電壓趨近于線性規律減少;而當拉載電流大到一定值時,氫氣和氧氣供給不足表現明顯,引起內部濃差變化,電壓急劇跌落。電壓的跌落有可能會引起后端DC-DC升壓模塊的工作異常。

    綜上所述,利用燃料電池仿真平臺替代真實的燃料電池系統,對工程師研究燃料電池動力系統具備重要的意義。

    何為燃料電池動力系統

    典型的燃料電池動力系統,主要由燃料電池堆,氫氣罐,燃料電池DC-DC升壓模塊,鋰電池包以及能源分配控制單元構成。在船舶或車輛啟動階段,燃料電池處于熱機準備狀態,由鋰電池包提供能量驅動電機;正常行駛中燃料電池為電機提供能量以及給電池包充電;加速過程中,燃料電池和鋰電池包共同為電機提供能量;制動過程中,回收的能量存儲于動力電池中。

     

    看似簡單的工作邏輯,對于研究能源管理分配的工程師卻尤為復雜,算法工程師需要研究多種工況下的能量分配算法。例如在車輛加速行駛情況下,假設電機需要80kW總功率,當鋰電池包處于滿電量或低電量狀態時,如何分配鋰電池和燃料電池系統之間的輸出功率才能達到jia的性能?其次當加速前進時,通過燃料電池極化特性曲線可知,隨著拉載電流的增大,燃料電池堆的輸出電壓會發生明顯跌落,進而影響到后級DC-DC升壓模塊的正常工作。

    對于如此復雜的研究,使用真實的燃料電池或鋰電池包測試,不僅存在測試效率低、可控性差等問題,同時工程師還需要準備儲氫瓶以及空壓機等額外裝置。此外,不斷消耗的氫氣增加了測試成本,也降低了燃料電池壽命。

     

    FCS3000 

    FCS3000是ITECH為解決燃料電池動力系統研究而專門開發的一款燃料電池仿真軟件。FCS3000搭載IT6000C/IT6000B系列電源,功率gao可達1152 kW。用戶可通過.csv文件導入方式仿真燃料電池極化曲線,多可導入4096點。實驗中,FCS3000燃料電池模擬軟件將控制硬件單元按照外部拉載電流自動調整輸出電壓,并實時記錄燃料電池系統電壓、電流及功率等參數,為工程師研究燃料電池動力系統平臺提供可靠的實驗數據。與FCS3000同系列的BSS2000 Pro電池模擬軟件,可以仿真多種類型電池的特性曲線(磷酸鐵鋰,三元鋰,鋰電池,鉛酸電池…),工程師可以設定不同的初始容量,對燃料電池-鋰電池混合動力系統的能源管理策略的研究起到巨大作用。


     

     

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