一維仿真助力綠色出行｜氫燃料電池

發(fā)布時間：

2023-09-12

燃料電池是綠色出行轉型的基石，可廣泛應用在汽車、公交和火車等傳統(tǒng)交通工具。在實現(xiàn)氫燃料電池的研發(fā)道路上面臨著一些挑戰(zhàn)。

綠色出行的挑戰(zhàn)

燃料電池是綠色出行轉型的基石，可廣泛應用在汽車、公交和火車等傳統(tǒng)交通工具。在實現(xiàn)氫燃料電池的研發(fā)道路上面臨著一些挑戰(zhàn)。氫燃料電池動力系統(tǒng)的設計，除了氫罐外，還需要單獨的蓄能電池來進行回收和增壓。因此，需要考慮幾個重要問題，為降低電池老化儲能器的尺寸怎么設計？為提高效率工程師應該如何確定儲能器的尺寸？電池的冷卻需求怎么確定？將化學能轉化為電能又需要哪些能力？

此外，車輛的研發(fā)設計模型通常是面向信號流的控制模型，通常不能充分考慮道路、駕駛條件或懸架設計引起的動態(tài)影響。但這些往往也會影響駕駛的舒適性和安全性，如果不納入模型，可能會在后期的物理測試中發(fā)現(xiàn)大量問題。模擬各種道路和駕駛條件下的動態(tài)行為有助于在產(chǎn)品開發(fā)的早期階段識別和解決問題。

針對上述研發(fā)挑戰(zhàn)，支持多物理系統(tǒng)仿真的一維仿真工具Dymola為這些問題提供了答案。可利用系統(tǒng)仿真制造不確定性，進行燃料電池的性能分析。

一維仿真助力綠色出行-燃料電池設計

利用多物理系統(tǒng)仿真設計燃料電池動力系統(tǒng)

01
燃料電池電動汽車建模與仿真

在考慮車輛部件（電機、冷卻系統(tǒng)、變速器等）的情況下，評估燃料電池組在實際運行條件下的性能。為燃料電池堆的優(yōu)化設計和規(guī)范提供指南。

應用氫能庫（Hydrogen Library）構建燃料電池模型：

1）提供了多種類型的質子交換膜（PEM）可供選擇；

2）適配化學燃料，提供多種氫氣燃料類型（純氫、氫氧混合等）；

3）燃料電池回路定義，確認氫儲罐與氧氣供應的架構；

4）燃料電池與蓄電池聯(lián)合配置，通過控制策略定義蓄電池/燃料電池應在何時耗電。

02
仿真運行

分析電源模塊與整車的工作情況。提取氫氣與電池的消耗，分析燃料電池的能量、電壓、電流、速度和加速度等信息，優(yōu)化燃料電池的設計。主要分析：

電池組尺寸、儲罐尺寸，協(xié)助組件設計、選型和評估

輔助用電設備對氫氣消耗的影響

氫燃料電池的邊界條件

估算氫氣進料再循環(huán)的影響

評估乘客的熱舒適性

制定減緩電池退化的控制方案

研究氫氣供應、空氣供應、電流和控制系統(tǒng)的相互作用，識別敏感控制參數(shù)等

03
優(yōu)勢&價值

設計基于燃料電池的電動汽車模型實現(xiàn)真實駕駛循環(huán)（如，基于WLTP的循環(huán)測試）。充分構建氫燃料電池系統(tǒng)行為，包括換料、燃料儲存和運輸?shù)取Ｄ軌蛲ㄟ^關鍵特性分析，來優(yōu)化燃料電池在耐用性、油耗、熱管理等方面的設計。

打破多領域物理系統(tǒng)集成的噩夢。電動汽車非常復雜，不同部件之間存在依賴關系。使用一維仿真的手段可以在多學科的虛擬樣機上一起作業(yè)，并在構建物理樣機之前模擬產(chǎn)品的工作原理，有助于提高溝通效率、降低迭代成本。

04
助力電動汽車研發(fā)

Dymola助力車輛系統(tǒng)研發(fā)，不僅提供燃料電池解決方案，還為汽車研發(fā)各個部分提供保障。支持汽車系統(tǒng)研發(fā)的模型庫：

傳動系統(tǒng)庫（Electrified PowerTrain Library）：

氫能庫（Hydrogen Library）

電池庫（Battery Library）

冷卻庫（Cooling Library）

熱流體庫（Thermal System Library）

人體舒適度（Human Comfort Library）

懸架庫（VeSyMA Suspensions Library）

Dymola工具中還配備其他豐富的商業(yè)化模型庫和樣例，如Multiphysics Fuel Cell Bus（FCEV）[1]模型是結合了詳細的HAVC、燃料電池和蓄電池供電的混合傳動系統(tǒng)、熱管理和車輛動力學模型。

你了解Dymola嗎？

Dymola是基于Modelica系統(tǒng)建模語言的集成建模和仿真環(huán)境。

具有豐富多領域模型庫或可利用簡單易懂的Modelica語言開發(fā)專屬部件

圖形化界面對模型進行參數(shù)配置或與PLM參數(shù)對象關聯(lián)

通過連接部件快速建立多層級復雜系統(tǒng)模型

強大的仿真引擎以及開箱即用的后處理，可視化和三維展示

獨有的方程符號處理器及數(shù)字求解器并可輸出高質量代碼用于基于模型預測控制設計

參考文獻
[1] Theodor E, Alessandro P. High-Fidelity Multiphysics FCEV bus study with detailed HVAC, cabin, and Hydrogen Fuel Cell models [C] //DOI: 10.3384/ecp19353