汽车|燃料电池系统仿真平台的搭建方案
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目前 ， 以燃料电池和动力电池为能量源的电电混动方案已成为FCV的一种主要动力架构 。 燃料电池电混方案既要保证燃料电池堆高稳定性和可靠输出 ， 又要高效分配燃料电池和动力电池输出功率 。 开发初期 ， 在实验室建立燃料电池系统仿真平台 ， 对于快速研究和验证动力系统可靠性、能量分配策略和算法作用重大 。 本文分享ITECH的FCS3000专用燃料电池系统模拟软件 。
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相比较动力电池 ， 燃料电池在轻量化、长航时及低温特性等方面具备明显的优势 ， 同时可解决充电(加氢)慢的问题 。 目前 ， 以燃料电池-锂电池为动力源的电电混动推进方案逐渐引起关注并得到应用 ， 以燃料电池-锂电池为推进系统的构造模型已从原先的理论研究过渡到实证阶段 。 尽管新能源纯电动汽车近年来得到飞速发展 ， 但依然局限在乘用车领域 ， 无法广泛应用于重型卡车、长途客车、船舶及有轨电车等对续航里程和载荷重量有更高需求的领域 。
燃料电池作为一种特殊类型的电池 ， 其放电特性与锂电池大为不同 。 加快普及燃料电池应用 ， 除了需解决氢气存储、运输和加注等方面的问题 ， 工程师还需要在实验室建立以燃料电池为主要动力源的系统模型 ， 通过研究和仿真燃料电池的特性 ， 验证燃料电池动力系统的稳定性和可靠性 。 ITECH的FCS3000专用燃料电池模拟软件正是为协助工程师建立燃料电池系统模型而推出的产品 。
燃料电池输出极化特性
一言以蔽之 ， 燃料电池的工作原理是电解水的逆反应 。 具体过程：氢气和氧气分别供给阳极和阴极 ， 氢气在Pt催化剂作用下生成氢离子和电子 ， 电子通过外电路到达阴极 ， 产生电能；阳极侧氢离子通过质子交换膜到达阴极 ， 并与氧气反应生成水 。 看似简单的原理 ， 实现整个燃料电池系统的高效稳定工作却绝非易事 ， 需要储氢瓶、空压机、加湿器和水泵等零部件协同配合 ， 这也增加了工程师在实验室搭建氢燃料电池动力系统的复杂度 。
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实际情况下 ， 燃料电池的输出电压受外部行驶工况影响 。 当工况电流发生变化时 ， 燃料电池堆输出电压跟随波动 。 燃料电池极化特性曲线包含三段 ， 分别是电化学极化区 ， 欧姆极化区及浓差极化区 。 电化学极化区是由于燃料电池内部活化反应导致的电压损耗；当实际拉载时 ， 随着拉载电流的不同 ， 电压趋近于线性规律减少；而当拉载电流大到一定值时 ， 氢气和氧气供给不足表现明显 ， 引起内部浓差变化 ， 电压急剧跌落 。 电压的跌落有可能会引起后端DC-DC升压模块的工作异常 。
综上所述 ， 利用燃料电池仿真平台替代真实的燃料电池系统 ， 对工程师研究燃料电池动力系统具备重要的意义 。
何为燃料电池动力系统
典型的燃料电池动力系统 ， 主要由燃料电池堆 ， 氢气罐 ， 燃料电池DC-DC升压模块 ， 锂电池包以及能源分配控制单元构成 。 在船舶或车辆启动阶段 ， 燃料电池处于热机准备状态 ， 由锂电池包提供能量驱动电机；正常行驶中燃料电池为电机提供能量以及给电池包充电；加速过程中 ， 燃料电池和锂电池包共同为电机提供能量；制动过程中 ， 回收的能量存储于动力电池中 。
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看似简单的工作逻辑 ， 对于研究能源管理分配的工程师却尤为复杂 ， 算法工程师需要研究多种工况下的能量分配算法 。 例如在车辆加速行驶情况下 ， 假设电机需要80kW总功率 ， 当锂电池包处于满电量或低电量状态时 ， 如何分配锂电池和燃料电池系统之间的输出功率才能达到最佳的性能？其次当加速前进时 ， 通过燃料电池极化特性曲线可知 ， 随着拉载电流的增大 ， 燃料电池堆的输出电压会发生明显跌落 ， 进而影响到后级DC-DC升压模块的正常工作 。
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