Thermolib燃料电池系统级建模方案

Thermolib基于工程热物理方法的燃料电池系统级建模仿真Authors:EdwardsChen(山东氢探新能源)Confidentiality:Public氢探新能源FuelCellPowerIn目录l燃料电池系统建棋挑战44510111.11.2PEMFC系统架构分析燃料电池系统级主tt模挑战分析2燃料电池系统建模解决方案2.12.2Thennolib述极理论和关键技术2.1.1流体总线FlowBus门212状态总线132.1.3化学元素基本数据库142.1.4质量平衡152.1.5能量存储2.1.6化学平衡2.1.7超临界状态Them101ib模型库2.2.1燃料电池系统统成棋型2.2.2模型库预览2.2.2.1电均模型库2222热力学状态及属性模型库22.2.3热及质量转换模型库2.2.2.4压力反馈部件模型库151616171719191920212.2.2.5气液源、数据池、化学平衡状态模型库等212.2.26电气与控制模型库2.2.3部分专用电堆棋型库介绍2.2.3.1SOFC电堆2.2.3.2DMFC电堆222222242.2.3.3PEMFC电堆2622.4部分核心BOP部件模型292.2.4.1压缩机模型2.2.4.2泵模型229292.2.4.3阀模型2.2.4.4储存憾模型2.2.4.5混合物iE024533332.2.4.6纯物质源棋块2.2.4.7温空气源352.2.4.8T-p-H状态2.2.4.9T-p-State35363l燃料电池系统建模挑战川PEMFC系统架构分析.剧'唰......--.阳•••.~--.�--空气-+，.‘明~，也…圃'‘...l翩翩皿·系统组成.:.阳饭供氢系统:.I9J悦供气系统.:.电堆浓冷系统.:.进气加湿系统·:·电堆反应系统·部卡|组成;但,.瞩一时，%饰、不同阀、不同泵、节气门、illl消苦苦、j川}显器、水箱、热交换器、离子过滤器·:-t虫市IJ系统、边变系统、传感v，~等燃料电池系统级建棋涉及学科及知识领域·机械.:.不同结构部非|4·水循环.:.液冷系统压力反till.:.液冷系统恒温控制循环控制•电气.:.整流逆变、DCDC·控制阀、泵、电机、节气门等控制·热力学·:·电堆j目u豆、浓冷系统温度、气相及液相影响·:·化学变化、不同部件热损耗等·化学.:.化学物质的剧性.:.化学平衡方程.:.混合物计算.:.娟、恰、温度、压力、流盐、E吉尔质量计算.:.1JI1度、压力对化学变化的影响质量、能量守恒·动力学流体力学.:.物质状态.:.气、液物质数度.:.流量影响12燃料电池系统级建模挑战分析挑战l燃料电池电堆的热力学和电化学计算flJ~已知如l下的相关参数5面即宣量柑力度脯度栅句压温厚毯摩氢JJJAFJ'句-确,-『亘三EFuelCellStack。阳.的。，-~氯气的特性J压力J温度子品哺./....BIm:酬凶手速度­J摩尔流量，-蜘咱抽Hw_v，阳町、…阳嘟率导传酣呻惆啤料通阳市比时度写程将隙度度尉温电气窒密厚岳JJdWJJJ冷却水的特性J压力海概32J速度J摩尔流量如上相关参数与气液体的部件流通过程强栩关，同时与相关化学物质的状态周性数据强相关.挑战2，燃料电池系统内部的不同组俩的建棋理论有所不同TABLE1-3comparison01民cccmMathcmaticalModclsNo.ofDynlSSAnodeandDimenslonscalhodeKinetics,,nnnOGOd--eM阳即阴阳cezcmmm门mmdndodoDynamicorTafcl-typesteady-exprcssio阳，SI3tCBudcrYolmc凡complcxkincticsequal10nsAnodeundMoS!iCathodeI'haseTransporl(AnooeandF-~~始将Gas.liauhk.缸:\1'f1{ectiveFick'sofgasandd旧旧ion，liquidNemstPlanck,Ncmstplanck-tSchlogl,MaxwcllStcfanMassTranspolf(E/ecuolyu')Memblllnes..官llîngEnergyHalanc~Nernst-Planckφshl咽，Ncrnstrlanck'drag四cfRcicnt，MaxwcllStcfan.EffcctivcFick'diffusionEmpîrlcal01thcrmodynamlcmodelsISOIhcrmalorful1cnc嘻ybalanceFrom,PEMFuelCellModelingandSimulalionUsingMatlab))挑战3，燃料电池电堆系统建棋重要理论是基础i·热力学型论·〉作用口ì-!算电压、温度、压力、体积和摩尔质量口进而得到阴阳极电位差、及能最转换率·:·难点与关键6口热力学系统向于高度动态非线性系统口受介质初始温皮、压力、首fifil、温度、介质属tJ的~~响日娟、始、比热容、吉布斯自由能口压力、温应变化的相互彤11向口基础热力学理论文榨·电化学理论1-1.u.pV·:·作用日计算电流产生速率口反应物生成过程口产生也流的反应速度日能量损耗.:.难点与关键口活化极化电压口电子与离子传输中的欧plj极化电压口组分质量传输过程1浓差极化电压u-O-xlu，+x\、，屿φ嚣!u，.-....1ι-3乱pV_nRT乌.~叭'..__åG呐/_-ð.C-j).H-TåSv,...._0...+比阳帽叶'比例恒h-O-xlh;+xl!.-h令对h.-h,1山[1乱5-(1加叫叩申'1-SjlVji)_Y_-V,.....·热及)!Jl子传输理论.:.温度分布不均彤I响因萦Q水的机l变、冷却液rlNdf1.、空气对流、内部水流动、催化层热传导Îj~:w.司tIT原理口电能与热损失的关系口对)fi[换热、传导换热、热辐射7.:.总体能iE寸恒·:·电堆能íi1:叶恒&质最与组分守WQ今-hH，+~ho，-h同ρmH,m...:lIo描-LO，，=:w..+0也+0口主要针对质子和水口能斯特-爱因斯坦方程.:.气相与浓相的平衡t!î口Antoine方程计算饱和温度与的饱和压力关系Work.WH，也)atT.P,XIIl',n111111ρ(1)atT.r,XI四rnll20Ueal.Q挑战4燃料电池的气被相热力学及电化学计算基础为化学物质的执物理属性。·化学物质热物理阴性.:.化学物质组成口不同燃料选择口不同源物质选择口氢气、甲戊皖、其他化学物质等口理想、其实状态.:.不同化学物质在不同状态下的基木参数口库尔质量口液体密度口热容iit8口临界温度口临界压力日化学元素组分口气体、液体粘皮口导热性.:.模型计算基础口仿真计算这些物质在流过不同执力学组分时所经历的物理变化口等压始变口等压炯变口等娟压变口压力、温度、焰、摘等组合变化挑战5燃料电池系统相关部件也极区别于其他系统lJ!棋·部件模型开发涉及十几种部件模型D如电砸、压缩机、JII圈器、怜却直统、帽、各费间体.执吏挠器、不同辈.铿电池部件的数学模型建立的复1J性令部件建模需要辅唰丁徊的状态变化&需要考虑温度的损失对介质的影响例.泵口罩的热力学壶化符合热力学第一定律-(..斗r:')军-(...，才合)..π在拍1协TFeh‘一-出入口的Ilí械部开rzfA俨9效率计算D迫滞计算.'--一挑战6，模型曰:要考虑系统级要求&MIL和lHILIE求·模型fli要满足1'1发使用.:.MIL模型在环口基于MATLAB/Sirnulink口提供不同部件陈文件9口提供调试可用DEMO口快速搭建复杂系统模型口提供demo令HILUi)ò件在环口代码生成口执行效率口实时运行口不|司仿真机燃料电池系统级建模挑战的总结·系统级}]模而要满足.:.HIL以及MIL的市求·:·基于Matlab/Simulink.:.具备不同部件的棋型库今快速搭建系统级模型各方便的前后处理及运行调试•~模JJE遵循令基本数学建模理论·热力学基本定律(热力学第定律)令电化学基本理论.:.热及质子传输基本理论心基本的化学物质的热物理参数.:.支持不同的燃料、介质等选择2燃料电池系统建模解决方案基于Thermolib的I?&料电池系统级棋型.:.基于MATLAB@!Simulink@的热力学及燃料电池系统建模和仿真工具箱.口解决燃料电池仿真10口整车集1&热管理口燃气轮机等热机系统口空白j系统.:.基于工程热物理基本原理建棋，日结合经验以及经典的热力学方程、求解器，仿真真实的气体行为，口支持气体、液体混合物口可用户自定义化学反应。.:.具备热力学状态及其变换计算一口包括真实气体极型.:.提供丰富的模型库口反应器/电雄、热交换器、泵、增压器、阀、饿、液怜系统型电模型口压力反馈的冷却系统库口质量及能:lli:守恒棋型口气相、液相源棋型口热力学状态及状态变化口流体总线及状态总线模型.:.预定义前后处理命令行口基于matlab命令行输入今气相及液相物质的热力学数据库口支持今示例模型口丰富直接可用的demo模型2.1Thermolib建模理论和关键技术Simulink是面向信号的图形化编程环境，用于动态仿真。块通过信号连接。为了以易于访问的方式表示所有热力学信息，Thermolib使用SimulinkBusses来表示介质流动和热力学状态。211流体总线FlowBus在基于Thermolib的模型中，描述块之间介质流动的信号流由所谓的流体且线CF8)来拍II述。流体总线包含流2;lJ介质上的主要信息.除总1ft尔流量和l化学成分外，它还包含热力学性质温度，压力和蒸汽分数。流体总统结构直n下.SignalNamendotTpHdotSdotGdotCpdotxpS1hHxlU地5ou..:.fOM回UnISourum圈MtM'5沪ηbolUnit总摩尔前[:iJkmolJs温度K压力Pa始流W摘流W/K吉布斯能量率W热容最率W/K所有化合物〈载体)11101/11101所有化合物的摩尔分数(栽mol/mol体)一mdo\OG(32~53阳崎晴-_...-蛐-‘._-ndol1.5仙。11:唱11.啊榈.-.唰嘀响--明~_.…_.......刚阳T3001叫11_....._...…_.……-唰.-.帽嗣-队雪1$'21[W网11-,,'V-!mml|T以F恤阳口þ­_Oþ‘阳口þ-阳回001[-111剧--.回--H阳coω1-111四H2001[-[11剧由_H0:__由p!lN206H11p,020.2H余需叩Mi.)!W'噩噩13..8精信号x和1psl;iii相|百j氏度的向盘.长度与所选化合物的使用数量和l同。您可以在模型设置模块中边择化合物。对于所有这些化合物，用于计m!.\容茧，始和l娟的系数在Excel文件(ChemicalMediaData.xls)中给出。用户可以轻.fi扩!在该文件或生!茸的12ChemicalMediaData.mat，以便与其他化合物进行仿真。有完整流体总线(FB)和不完整流体总线([FB)的概念。元整的流体}:i!，线的特性是热力学一致的，例如，计算来自T的蒸汽分数.p和H简单地产生已经存在于FB中的蒸汽分数x.一条不完整的且线或多或少是价值的载体•J1且不能保证它们在上述iE义上是一致的。相反，在大多数情况下，它们不是。简而言之，输出FB的块可确保结果是一致的流体总线.;11'且所有属性都是有效的。如果改变FB上的信号属性，则该热力学状态变得不一放，所以FB变成IFB.然后根据缸，要使用‘才马力学状态和属性部分的块来更新总线上的其他信号。下图显示了这是如何工作的。τund;npulndol.T.p.p'~;..•.••(~S~lVelT.p.SI~I~γs;1[b.'J左侧的源模块创建一个一致的流体且线。且线分配仅改变且线上的温度并使状态不一致，如1温度现在不再与始相对应。现在，使用T-p-State块来更新FB并使用IFB的nd时.T.p,p