氢听剧场:叶长流——燃料电池系统仿真与测试

发表时间:2019-11-01 11:35



“氢听剧场”是佛山国际氢能展极具特色的活动之一,已连续举办两届,是多位行业技术专家以演讲、论道的形式,共同分享氢能行业前沿技术理念及实战干货,并进行产品发布。
以下分享10月27日上午的精彩演讲!

演讲嘉宾

副总经理

Deputy Manager

佛山市清极能源科技有限公司

Foshan Cleanest Energy Technology Company

叶长流

Ye Changliu

演讲主题

燃料电池系统仿真与测试

Fuel cell engine simulation and testing technology

主持人:有请佛山市清极能源科技有限公司副总经理叶长流,叶总是清华大学工学硕士,高级工程师,注册公用设备(动力)工程师和注册咨询(投资)工程师。致力于质子交换膜燃料电池相关技术及其产业化应用研究,作为技术总监开发了多款燃料电池发动机,他演讲的题目是《燃料电池系统仿真与测试》。

叶长流:大家好,我今天跟大家分享的题目是燃料电池系统的仿真跟测试,这是对我们自己内部的燃料电池电池设计的经验的总结,希望可以抛砖引玉,也希望各位专家给出一些意见。

我的演讲包括以下五个部分:第一部分介绍一下我们燃料电池系统开发时候遵循的正向设计的开发流程,第二部分介绍燃料电池设计和仿真阶段做了什么工作。第三部分我们介绍燃料电池系统在测试和验证环节我们做哪些工作。最后一部分介绍我们公司的情况跟我们的产品。
跟大家分享一下,我们理解燃料电池系统基于正向开发的设计流程是遵循V型开发的流程,整体分两个阶段,在设计阶段我们会根据燃料电池的开发的深度先做系统的方案设计,然后接下来就做燃料电池各个子系统的设计,包括氢气供应系统、空气的系统、冷却水系统,还有控制系统的设计。设计阶段最后一部分对零部件的设计,包括零部件的选型和零部件的自主开发。完成了系统设计的阶段之后,到下一阶段顺序刚好是相反的,我们从零部件测试开始,然后做完零部件测试之后做到子系统的测试、分系统、包括氢气的系统、空气的系统和冷却系统,还有控制系统的测试。到最后一个阶段是系统台架阶段的标定测试工作,这个过程可以涵盖系统的设计和验证阶段,使得系统设计的阶段可以满足我们所有工况的要求。
其中在系统设计阶段,这三个阶段有不同的目标,在系统方案设计阶段我们会根据整车的需求提出对燃料电池总体的技术需求,并且在这个阶段会对燃料电池的功能要求进行分解,得出对子系统的设计的功能要求。在子系统设计过程中,我们进行大量的计算和仿真,把我们性能要求拆分到具体的每个部件,最后进行部件的设计。部件设计的过程中会有一些成熟的零部件选型的过程,还有自主研发零部件开发的过程,在整个设计的过程我们借助了很多的仿真的方法和仿真的工具。
系统方案设计过程对我们整个燃料电池发动机设计是一个非常重要的环节,在这个过程中我们会根据实际运用场景的要求分析对燃料电池系统工况的要求,包括额定功率、峰值功率、怠速功率,还有燃料电池启动响应时间和热管理的要求,其中这些需求会作为我们系统工艺分析的重要输入。在工艺分析阶段需要根据燃料电池的特点,包括我们选择电堆的形式分析燃料电池系统整个工艺流程,包括它的氢气的循环的方案,燃料电池空气加湿的方案,还有冷却的方案。从工艺流程中可以逐步拆解对子系统性能的要求。

通过对系统工艺的分析,接下来我们还会进行一个比较总体性的工艺计算跟分析,我们根据不同功率平台的需求,进行包括额定功率、峰值功率、怠速工况等不同工况下的稳态计算,我们可以得到不同工况下的主要参数。所以我们对不同的工况进行分析计算之后,我们得到一个对设备比较完备的功能需求跟运行参数的需求。
我们在内部开发了一些非常方便、而且可以快速使用的工具方法。通过EXCEL这种工具,可以分析整个工艺流程每个设备它的一个性能参数,包括空压机,循环泵和加热加湿的设备。从系统的需求到设备的需求的分析过程,是一个正向的过程。我们后面也会做一个反向的过程,反向过程我们已经选型了某些设备,可能这个设备不一定是完全按照我们的工艺参数选的,需要反向验证我们的设计过程中是不是满足这个要求。在工艺系统方案设计的时候,基于正向设计的逻辑和自己开发的程序,可以生成主要设备选型的结果,为下一个阶段的子系统的设计提供设计输入。
子系统设计和仿真阶段是我们占据了大部分工作,在这个过程中根据工艺分析得出的子系统的要求,分系统进行设计。根据不同的分析的需求,采用不同的软件。对冷却系统的分析,会建立热管理的模式进行分析。对电堆,还有其他的主要设备,会建立一个比较通用的模型来验证我们目前子系统设计是否可以满足我们的要求,辅助系统之间是否可以匹配。
基于各子系统的设计,最终会搭建一个整体的系统仿真平台,它会涵盖燃料电池全部的系统,包括氢气系统里面的设备,氢气循环泵、空压机、加湿器、水泵、散热器、节温器等,能动设备要考虑功率的特性,对一些非能动设备,用集总参数的模型来简化处理。对电堆也需要进行简化的建模,建模过程中我们会考虑电压模型和膜水合模型,还考虑氮气和空气对燃料电池膜两侧渗透的渗透模型。

基于上述系统和电堆的模型,我们会搭建基于simulink的燃料电池系统整体仿真平台,这个平台里面涵盖了包括电堆,空气系统、氢气系统和冷却系统,还有我们控制的系统。再细分下来根据燃料电池的反应机理又有细分到不同的模型,包括化学反应的模块、气体渗透的模块等。对各级系统的每个设备都建进行模,考虑了一些物理的方程,包括涵盖热力学的方程、流体力学的方程。
那么这个完备的建模平台用来做什么呢?在整个系统还没有完成之前做大量的仿真跟模拟的功能,我们通过该模型可以实时显示电堆运行的参数,和设备运行的状态参数实时显示出来。这张图是离心空压机在启动过程中,空压机的流量跟压比的运行图。还可以模拟系统的运行状态,从系统的启动、系统的吹扫,排水、排气和事故的状态,在仿真平台还可以获取压力、温度、湿度等参数。
在完成子系统的设计之后就会提出部件的性能参数要求,还有它的边界条件。这里面主要有两部分,一方面会用一些软件平台对电堆的性能做一些分析,主要集中在电堆里面的性能参数,如IV曲线,燃料电池内部水热管理,包括结构方面的优化等等。
另一方面需要对部件进行分析,包括一些比较特殊的阀门,像电子节温器,还有换热器,预热器、加湿器,我们也通过理论仿真可以得到。还有气体分离器分水的效率也可以进行仿真计算。通过这些分析计算,我们可以对自主设备的研发提供设计的支持,并且把仿真的结果跟后续的实验结果进行对比,
在完成系统设计阶段的工作后,需要把设计阶段产生的数据传递到验证阶段进行对比和分析。另外还可以把仿真的模型也可以传递到测试阶段使用。下面介绍我们现在做的关于测试阶段的工作,主要分三部分,首先对部件的测试,然后对子系统的测试,最后对台架进行标定的测试。我们自己搭建了对空压机和氢气循环泵的测试台架,还有氢气的引射器,还有冷却水泵。我们也有电堆的测试台架,可以分析电堆的参数,对电堆运行的参数进行敏感的分析,再来分析运行控制的策略,最后做电堆方面耐久性的测试。
接下来我们会做系统级的测试,包括一些子系统的测试,例如将氢气系统里面的氢泵,和比例调节阀,先验证它的压力控制,流量控制。对空压机来讲,可以先搭建子系统对空压机和调节阀控制进行测试,测试空气的控制功能。最后阶段是对燃料电池进行发动机层级的测试,在台架阶段对发动机进行标定,需要将在仿真跟设计阶段的数据跟台架测试阶段进行对比分析。

以上是我们做的一些仿真和测试的工作下面简单介绍一下我们公司的情况。我们公司在佛山市南海区,是佛山市新能源汽车产业引进的创新创业团队,核心成员来自清华大学核能与新能源技术研究院燃料电池课题组。我们公司定位是以开发燃料电池电堆和动力系统为核心业务,为新能源汽车厂家提供燃料电池动力系统解决方案,现在有38人,有2000多平方米的发动机研发、组装和测试车间,公司累计申请专利17项,已授权专利2项。我们现在主要的产品是燃料电池发动机,有两个系列,一个是45千瓦的燃料电池发动机,可以满足现有的燃料电池物流车的需求。一个是60千瓦燃料电池发动机,可以满足燃料电池大巴车的需求。我们参与了清华大学国家科技部重点研发计划里面的一个子课题,我们客户还包括广汽研究院,国电投,中船重工712所,我们还跟一些整车企业,包括九龙、福田汽车做样车的开发。
最后欢迎我们各位同仁到我们的展位去参观一下。我的讲演到此结束,谢谢。


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