【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及氢燃料电池，具体为一种氢燃料电池温度动态变化的能量管理系统及方法。
技术介绍
1、氢燃料电池系统因其高效的功率输出、零排放和低温运行等优势被广泛应用于交通运输领域。目前，国内外汽车巨头已向燃料电池汽车领域进军。燃料电池汽车(fuel cellvehicle,fcv)的主要动力源采用质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuelcell，pemfc)，燃料电池汽车在运行pemfc的寿命衰减及能量管理问题影响着pemfc大规模商业化的发展。
2、质子交换膜燃料电池能量管理是指燃料电池汽车在运行过程中，将整车的需求功率合理地分配到动力电池和质子交换膜燃料电池，从而使fcv稳定运行。由于fcv运行过程中，质子交换膜燃料电池的频繁变载会导致燃料电池缺气、水淹、膜干等，从而影响燃料电池使用寿命。此外，燃料电池运行需要适宜的温度环境，而燃料电池的运行温度也会随着燃料电池的运行工况的变化不断改变，不同的运行温度对燃料电池的散热会造成不同地影响。因此，如何在分配燃料电池汽车功率需求的同时，保证适宜的温度以及延长燃料电池使用寿命问题是影响燃料电池汽车推广的主要因素。
技术实现思路
1、(一)解决的技术问题
2、针对现有技术的不足，本专利技术提供了一种氢燃料电池温度动态变化的能量管理系统及方法，具备保证燃料电池汽车稳定的运行温度及减少频繁变载对燃料电池内部的损害等优点，解决了上述技术问题。
3、(二)技术方案
5、所述整车需求功率模型用于预测车辆在不同条件下的能量需求，实现优化的能量管理和控制；
6、所述动力电池模型用于对动力电池的行为进行建模和预测，帮助实现有效的能量管理和控制；
7、所述燃料电池模型用于对燃料电池的行为进行建模和预测，帮助实现有效的能量管理和控制；
8、所述燃料电池热模型用于对燃料电池的热行为进行建模和预测，帮助实现有效的热管理和能量控制；
9、所述燃料电池寿命衰减模型用于衡量能量管理策略的延寿性能，帮助评估燃料电池系统的寿命和制定优化的能量管理。
10、优选的，所述整车需求功率模型中，车辆驱动系统产生的驱动力能够克服坡度阻力、加速阻力、空气阻力和滚动阻力，其动力学方程表达如下：
11、
12、其中，ft代表驱动力，m代表整车质量，g代表重力加速度，α代表道路坡度，δ代表汽车旋转换算系数，代表汽车加速度，cd代表空气阻力系数，a代表迎风面积，ρ代表空气密度，v代表行驶速度，f代表滚动阻力系数；
13、根据车辆动力学方程和行驶过程中的运行速度，可以计算出行驶过程中的车轮需求功率，其表达式如下：
14、pwheel＝ft·v
15、由此推出总线功率为：
16、
17、其中，ηdc/ac代表dc/ac转化器的效率，ηmotar代表电机的效率，ηtrans代表传动系统的效率，由于燃料电池和锂电池与总线相连，总线上的需求功率表示为：
18、preq＝pfcηdc/ac+pbat
19、其中，pfc代表燃料电池系统的净输出功率，pbat代表锂电池的输出功率，ηdc/ac代表dc/dc转换器的效率。
20、优选的，所述动力电池模型中采用内阻模型对锂离子电池进行数学建模，所述内阻模型中锂电池的输出功率和输出电压可表示为：
21、
22、其中，pb代表输出功率，ub代表输出电压，ib代表锂电池电流，e代表开路电压，rb代表内阻，锂电池的电流根据输出功率计算，其表达式如下：
23、
24、锂电池的荷电状态soc是能量管理中的控制参数，采用安时积分法来计算soc，其表达式如下：
25、
26、其中，soc(t)代表锂电池当前的soc值，soc0代表锂电池的初始soc值，ηb代表电池效率，qb代表锂电池的额定容量。
27、优选的，所述燃料电池模型中电极在能量转化过程中产生的不可逆损失由过电势造成，所述过电势包括活化过电势vact、欧姆过电势vohm以及浓差过电势vcon，电池的输出电压v的表达式为：
28、v＝emernst-vact-vohm-vcon
29、其中，emernst为能斯特电势，其表达式如下：
30、
31、其中，t为电堆运行温度，f为法拉第常数，代表阳极氢气的分压，代表阴极氧气的分压。
32、优选的，所述活化过电势vact表达式如下：
33、
34、式中，t为电堆运行温度，为电池堆中气液界面溶解的氧气浓度。
35、优选的，所述欧姆过电势vohm表达式如下：
36、vohm＝i×rohm
37、
38、式中，i为电堆电流，rohm为质子交换膜的阻抗，l为质子交换膜厚度，a质子交换膜的有效活化表面积，ρm为质子交换膜的电阻率。
39、优选的，所述浓差过电势vcon表达式如下：
40、
41、式中，b是一个常数，取决于燃料电池及其工作状态，i代表电堆实际电流密度，imax代表燃料电池电堆中的极限电流密度；
42、燃料电池的氢耗表示如下：
43、
44、式中，ncell代表燃料电池的电池单元数目，代表氢气的摩尔质量，f为法拉第常数，i为燃料电池输出电流；
45、所述燃料电池净输出功率及系统效率表示如下：
46、
47、其中，表示氢气的低热值，paux表示系统的寄生功率。
48、优选的，所述燃料电池热模型中燃料电池工作产热表达式如下：
49、
50、其中，qgen为电堆工作时的产热量，单位为kw；ε0为单片电池的理论电压，单位为v；εcell为单片电池电压，单位为v；i为pemfc电堆电流，单位为a；n为电池数量；
51、燃料电池工作时产生的热量通过循环水、反应气体以及热辐射进行散热，其表达式如下：
52、qgen＝qcl+qq+qatm
53、其中，qcl为循环水带走的热量，占总热量的90％；qatm为反应气体带走的热量；qq为产生的热辐射；
54、根据水的比热容公式，可以得出水温变化量，其表达式如下：
55、
56、式中，mcl为循环水的质量，单位为kg；ch2o为循环水的比热容，4.2×103j/(kg·℃)；δt为水温的变化量。
57、优选的，所述燃料电池寿命衰减模型的表达式本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种氢燃料电池温度动态变化的能量管理系统，其特征在于：包括整车需求功率模型、动力电池模型、燃料电池模型、燃料电池热模型和燃料电池寿命衰减模型；
2.根据权利要求1所述的一种氢燃料电池温度动态变化的能量管理系统，其特征在于：所述整车需求功率模型中，车辆驱动系统产生的驱动力能够克服坡度阻力、加速阻力、空气阻力和滚动阻力，其动力学方程表达如下：
3.根据权利要求2所述的一种氢燃料电池温度动态变化的能量管理系统，其特征在于：所述动力电池模型中采用内阻模型对锂离子电池进行数学建模，所述内阻模型中锂电池的输出功率和输出电压可表示为：
4.根据权利要求3所述的一种氢燃料电池温度动态变化的能量管理系统，其特征在于：所述燃料电池模型中电极在能量转化过程中产生的不可逆损失由过电势造成，所述过电势包括活化过电势Vact、欧姆过电势Vohm以及浓差过电势Vcon，电池的输出电压V的表达式为：
5.根据权利要求4所述的一种氢燃料电池温度动态变化的能量管理系统，其特征在于：所述活化过电势Vact表达式如下：
6.根据权利要求5所述的一种氢燃料电
7.根据权利要求6所述的一种氢燃料电池温度动态变化的能量管理系统，其特征在于：所述浓差过电势Vcon表达式如下：
8.根据权利要求7所述的一种氢燃料电池温度动态变化的能量管理系统，其特征在于：所述燃料电池热模型中燃料电池工作产热表达式如下：
9.根据权利要求8所述的一种氢燃料电池温度动态变化的能量管理系统，其特征在于：所述燃料电池寿命衰减模型的表达式如下：
10.一种氢燃料电池温度动态变化的能量管理方法，其特征在于，包括如下步骤：
...【技术特征摘要】
1.一种氢燃料电池温度动态变化的能量管理系统，其特征在于：包括整车需求功率模型、动力电池模型、燃料电池模型、燃料电池热模型和燃料电池寿命衰减模型；
2.根据权利要求1所述的一种氢燃料电池温度动态变化的能量管理系统，其特征在于：所述整车需求功率模型中，车辆驱动系统产生的驱动力能够克服坡度阻力、加速阻力、空气阻力和滚动阻力，其动力学方程表达如下：
3.根据权利要求2所述的一种氢燃料电池温度动态变化的能量管理系统，其特征在于：所述动力电池模型中采用内阻模型对锂离子电池进行数学建模，所述内阻模型中锂电池的输出功率和输出电压可表示为：
4.根据权利要求3所述的一种氢燃料电池温度动态变化的能量管理系统，其特征在于：所述燃料电池模型中电极在能量转化过程中产生的不可逆损失由过电势造成，所述过电势包括活化过电势vact、欧姆过电势vohm以及浓差过电...
【专利技术属性】
技术研发人员：华青松，江震雄，帅麒麟，王一恒，
申请(专利权)人：北京师范大学，
类型：发明
国别省市：
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