燃料电池系统建模与仿真研究

众所周知,传统燃油汽车短期内无法在节能减排上实现突破性的进展;同时,纯电动汽车又在续航里程、充电速度、电池废后污染等方面很难得到较好的解决,这使得各国科研工作者及相关企业,将车用能源的理想目标转向质子交换膜燃料电池,从而开展了大量的科学研究与实车试验。为了提高燃料电池的使用寿命以及运行的高效性、稳定性和安全性,本文对燃料电池系统建模及温度控制进行了研究,并讨论了燃料电池与整车的功率匹配。基于电化学反应理论,建立了考虑双电荷层效应的、包含反应气体相对湿度、流量、工作负载、温度的燃料电池多因素稳态模型,分析了反应气体相对湿度、空气流量和工作负载对燃料电池性能的影响,输出结果与燃料电池工作特性相符,验证了建立模型的正确性。并在此基础上根据传质传热、质量守恒和能量守恒定律,建立了燃料电池温度模型及负载变化时燃料电池瞬态温度模型,分析了空气流量对燃料电池温度的影响以及工作负载变化时系统温度的变化,结果表明适当提高空气流量可以降低燃料电池的温度,负载大小与系统温度成正相关性,对燃料电池的温度控制具有一定的意义。针对燃料电池系统与整车的功率匹配问题,本文基于MATLAB/Simulink建立了以整车动力性为基础、以整车系统功率合理分配为准则的燃料电池汽车功率匹配模型,只需输入整备质量、迎风面积、最高车速、最大爬坡度、车辆辅助电器系统功率,便可以得到燃料电池系统所需的输出功率以及动力电池组所需输出的最大放电功率,对于燃料电池汽车的动力系统参数匹配具有一定的参考价值。