新源动力股份有限公司研究成果：燃料电池系统仿真分析及测试验证
《汽车工程》2023年第9期发表了新源动力股份有限公司研究成果"燃料电池系统仿真分析及测试验证"一文。燃料电池系统是非线性、多物理场耦合的复杂集成系统，论文通过系统仿真的手段建立燃料电池系统模型，对系统关键输出性能参数进行评估和预测，对比校核模型仿真结果和系统测试数据，结果表明系统仿真模型平均绝对百分比误差最大为4.33%，证明此仿真模型精度较高，可用于燃料电池系统性能研究，为燃料电池系统开发与应用提供依据。
一、研究背景
燃料电池系统包含电堆、空气子系统、氢气子系统、冷却子系统，涉及零部件众多。在研发初期，通过系统仿真手段建立燃料电池系统模型，对系统开发具有指导作用。但目前相关研究主要局限于子系统级别的建模研究，缺少针对完整燃料电池系统的模型搭建及仿真分析，且未对完整燃料电池系统模型进行仿真与测试的对比验证。
二、研究内容
1. 燃料电池电堆模型：通过机理驱动的方式建立单电池电压和电流密度的输出特性公式，结合法拉第定律建立电化学反应物质的产销过程，根据单电池特性定义电堆发热量计算公式，建立系统级燃料电池电堆模型。
2. 燃料电池零部件模型：依据零部件的试验结果及特性参数进行零部件虚拟标定，通过仿真平台表征零部件动力、换热、阻力等不同特性，建立精确的零部件模型。
图(a) 空压机MAP图
图(b) 引射器调节特性MAP图
图(c) 过滤器流阻特性模拟结果图
图(d) 中冷器虚拟标定结果对比图
图1 燃料电池零部件模型虚拟标定
3. 燃料电池系统仿真模型：燃料电池系统是由零部件通过一定的机械连接和电气连接相连而成，结合系统管路和部件换热水套进行回路链接，依据系统流程图搭建完整燃料电池系统仿真模型。
图2燃料电池系统架构示意图
图3燃料电池系统仿真模型图
4. 仿真模型的实测验证：为保证仿真结果的可靠性需对模型可信度进行验证，对燃料电池系统进行实际变载工况测试，实际测试工况为60A-150A-240A-360A-270A-120A的变载工况，每个电流运行时间为120s，并考虑实际的电流加减载速度为15A/s。
图4测试工况
三、研究结果
1. 燃料电池系统输出性能验证：以电堆输出电压和电堆输出功率为观察项，将仿真值与测试值分别进行对比分析，结果表明模型平均绝对百分比误差（MAPE）均在 2.5% 以内，证明所搭建的燃料电池系统仿真模型具有较高的可信度。
图5电堆输出电压仿真与测试对比结果
图6电堆输出功率仿真与测试对比结果
2. 燃料电池系统关键参数验证：采集系统关键参数的实测数据，并将系统实测数据和仿真模型的仿真数据进行对比，结果表明仿真值与测试值趋势基本一致，其中电堆空气入口压力MAPE为1.47%，电堆氢气入口压力MAPE为1.35%，电堆空气入口流量MAPE为3.33%，电堆进水温度MAPE为2.97%，电堆出水温度MAPE为4.33%。
图7电堆空气入口压力仿真与测试对比结果
图8电堆氢气入口压力仿真与测试对比结果
图9 电堆空气入口流量仿真与测试对比结果
图10 电堆进水温度仿真与测试对比结果
图11 电堆出水温度仿真与测试对比结果
四、创新点与意义
针对燃料电池系统结构复杂零部件众多且具有较强耦合性，建立精确燃料电池系统模型具有一定难度的问题，论文提出一种基于Amesim平台搭建燃料电池系统仿真模型的方法。该仿真模型精度较高，能真实反映燃料电池系统的工作状态，可用于燃料电池系统性能分析及特性研究，对未来燃料电池系统、测试台架的设计开发都具有重要的参考价值和指导意义。
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