【應(yīng)用分享】ITECH助你輕松建立燃料電池系統(tǒng)模擬方案

前言

近兩年隨著燃料電池研究的不斷深入，以燃料電池－鋰電池為推進(jìn)系統(tǒng)的構(gòu)造模型，逐漸從原先的理論研究過(guò)渡到實(shí)證階段。相比較動(dòng)力電池，燃料電池在輕量化，長(zhǎng)航時(shí)及低溫特性等方面具備明顯的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)可解決動(dòng)力電池充電慢的問(wèn)題。因此近兩年來(lái)，盡管新能源純電動(dòng)車(chē)得到了飛速的發(fā)展，但依然局限在乘用車(chē)領(lǐng)域，而無(wú)法廣泛地應(yīng)用于重型卡車(chē)，長(zhǎng)途客車(chē)，船舶及有軌電車(chē)等對(duì)續(xù)航里程和載荷重量有更高需求的領(lǐng)域。

燃料電池作為一種特殊類(lèi)型的電池，其放電特性與鋰電池也大為不同。因此要加快普及燃料電池的應(yīng)用，除了解決氫氣存儲(chǔ)及運(yùn)輸?shù)确矫娴膯?wèn)題，工程師還需要在實(shí)驗(yàn)室建立以燃料電池為主要?jiǎng)恿υ吹南到y(tǒng)模型，通過(guò)研究和仿真燃料電池的特性，驗(yàn)證燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。ITECH的FCS3000專(zhuān)用燃料電池模擬軟件正是為協(xié)助工程師建立燃料電池系統(tǒng)模型而推出的產(chǎn)品。

測(cè)試設(shè)備FCS3000專(zhuān)用燃料電池模擬軟件

應(yīng)用案例燃料電池推進(jìn)系統(tǒng)的能源分配策略

一

燃料電池工作原理及輸出極化特性

01

燃料電池的工作原理

燃料電池的基本原理，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是電解水的逆反應(yīng)。把氫氣和氧氣分別供給陽(yáng)極和陰極，氫通過(guò)Pt催化劑生成氫離子，失去的電子通過(guò)外電路到達(dá)陰極，產(chǎn)生電能；與此同時(shí)，陽(yáng)極側(cè)的氫離子通過(guò)質(zhì)子交換膜到達(dá)陰極與氧氣反應(yīng)生成水。看似簡(jiǎn)單的原理，實(shí)現(xiàn)整個(gè)燃料電池系統(tǒng)的工作卻并不是那么簡(jiǎn)單，需要配套氫氣罐、空壓機(jī)，加濕器和水泵裝置，這也意味著增加了工程師在實(shí)驗(yàn)室搭建氫燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)的復(fù)雜度。

02

燃料電池極化特性

真實(shí)的燃料電池堆在實(shí)際工作中，其輸出電壓受到外部行駛工況的影響，當(dāng)工況電流發(fā)生變化時(shí)，燃料電池堆的輸出電壓會(huì)逐漸減小，而非保持恒定的輸出。燃料電池極化特性曲 線包含三段，分別是電化學(xué)極化區(qū)，歐姆極化區(qū)及濃度差極化區(qū)。電化學(xué)極化區(qū)是由于燃料電池內(nèi)部活化反應(yīng)導(dǎo)致的電壓損耗；當(dāng)實(shí)際拉載時(shí)，隨著拉載電流的不同，電壓會(huì)趨近與線性規(guī)律的減小；而當(dāng)拉載電流大到一定值時(shí)，氫氣和氧氣供應(yīng)不及時(shí)，引起內(nèi)部濃度差的變化，電壓急劇跌落。電壓的跌落有可能會(huì)引起后級(jí)DC－DC升壓模塊的工作異常。

綜上，利用燃料電池仿真平臺(tái)替代真實(shí)的燃料電池，對(duì)工程師研究燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)具備重要的意義。

二

何為燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)？

典型的燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)，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(gòu)成。在船舶或車(chē)輛啟動(dòng)階段，燃料電池處于熱機(jī)準(zhǔn)備狀態(tài)，由鋰電池包提供能量驅(qū)動(dòng)電機(jī)；正常行駛中燃料電池為電機(jī)提供能量以及給電池包充電；加速過(guò)程中，燃料電池和鋰電池包共同為電機(jī)提供能量；制動(dòng)過(guò)程中，回收的能量存儲(chǔ)于動(dòng)力電池中。

看似簡(jiǎn)單的工作邏輯，對(duì)于研究能源管理分配的工程師卻尤為復(fù)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(chē)輛加速行駛的情況下，假設(shè)電機(jī)需要80kW的總功率，那么當(dāng)鋰電池包分別處于滿電量或低電量狀態(tài)時(shí)，如何分配鋰電池和燃料電池系統(tǒng)之間的輸出功率才能達(dá)到最佳的性能？其次當(dāng)加速前進(jìn)時(shí)，通過(guò)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(huì)發(fā)生明顯跌落，進(jìn)而影響到后級(jí)DC－DC升壓模塊的正常工作。

對(duì)于如此復(fù)雜的研究，使用真實(shí)的燃料電池或鋰電池包測(cè)試，不僅存在測(cè)試效率低、可控性差等問(wèn)題，同時(shí)工程師還需要準(zhǔn)備儲(chǔ)氫罐以及空壓機(jī)等額外的裝置，才能讓燃料電池正常工作。不斷消耗的氫氣也增加了測(cè)試成本，并降低了燃料電池的壽命。

三

利用FCS3000建立燃料電池系統(tǒng)模擬方案，簡(jiǎn)化工程師的測(cè)試

FCS3000是ITECH為解決燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)研究而專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)的一款專(zhuān)用燃料電池仿真軟件。FCS3000搭載IT6000C／IT6000B系列電源，功率最高可達(dá)1152kW。用戶(hù)可通過(guò)．csv文件導(dǎo)入方式仿真燃料電池極化曲線，最多可導(dǎo)入4096點(diǎn)。

實(shí)驗(yàn)中，F(xiàn)CS3000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(dòng)調(diào)整輸出電壓，并實(shí)時(shí)記錄燃料電池系統(tǒng)電壓，電流及功率等參數(shù)，為工程師研究燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)平臺(tái)提供可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。與FCS3000同系列的BSS2000 Pro電池模擬軟件，可以仿真多種類(lèi)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(shè)定不同的初始容量，對(duì)燃料電池－鋰電池混合動(dòng)力系統(tǒng)的能源管理策略的研究起到重要作用。