(19)国家知识产权局 (12)发明 专利 (10)授权公告 号 (45)授权公告日 (21)申请 号 202210632284.0 (22)申请日 2022.06.07 (65)同一申请的已公布的文献号 申请公布号 CN 114707369 A (43)申请公布日 2022.07.05 (73)专利权人 武汉雄韬氢雄燃料电池科技有限 公司 地址 430000 湖北省武汉市经济技 术开发 区通用航空及卫星产业园特1号 (72)发明人 刘骞　黄易元　唐廷江　陈宏　 杨海沦　 (74)专利代理 机构 北京汇信合知识产权代理有 限公司 1 1335 专利代理师 袁凯(51)Int.Cl. G06F 30/20(2020.01) H01M 8/04298(2016.01) G01R 31/367(2019.01) G01R 31/378(2019.01) (56)对比文件 CN 110224155 A,2019.09.10 CN 113422089 A,2021.09.21 US 2020342150 A1,2020.10.2 9 CN 113097542 A,2021.07.09 审查员 许雅婷 (54)发明名称 一种基于空压机的燃料电池空路子系统建 模仿真方法 (57)摘要 本发明公开了一种基于空压机的燃料电池 空路子系统建模仿真方法， 包括： 根据燃料电池 的输出特性及工作原理建立极化曲线模型， 根据 额定输出功率确定单电池数量； 连接燃料电池空 路子系统零部件， 搭建燃料电池空路子系统仿真 模型， 并采集燃料电池系统实际运行参数； 考虑 整个空路零部件， 模拟真实工 况， 针对不同功率、 结构的燃 料电池系统进行仿真， 并对零部件进行 评估； 考虑空压机流量、 转速、 功率之间的关系， 使空压机及燃料电池电堆在不同电流点下处于 最佳运行条件， 对燃料电池电堆空路子系统进行 整体性评估。 本发明整体提高了燃料电池系统的 模型仿真精度， 精确反应燃料电池系统内部气体 的动态变化过程， 提升模型的实用价 值。 权利要求书2页 说明书6页 附图2页 CN 114707369 B 2022.09.02 CN 114707369 B 1.一种基于空压 机的燃料电池空路子系统建模仿真方法， 其特 征在于， 包括以下步骤： S1、 根据燃料电池的输出特性及工作原理建立极化曲线模型， 根据额定输出功率确定 单电池数量； S2、 连接燃料电池空路子系统零部件， 搭建燃料电池空路子系统仿真模型， 并采集燃料 电池系统实际运行参数， 用以结合 实验数据进行对比验证， 并对模型进 行修正， 进而提高模 型精度； S3、 燃料电池空气子系统考虑整个空路零部件， 模拟真实工况， 针对不同功率、 结构的 燃料电池系统进行仿真， 并对零部件进行评估； S4、 考虑空压机流量、 转速、 功率之间的关系， 使空压机及燃料电池电堆在不同电流点 下处于最佳运行 条件， 对燃料电池电堆空路子系统进行整体性评估； 空压机模型包括： 1)输出流 量 根据以下公式(2)计算： 式中， 为空压机输出流量， 单位为kg/s； Pin为压力传感器所得压力， 单位为kPa； Tin为 温度传感器测得温度， 单位为K； N为空压机转速， 单位为rpm； αi， i＝0， 1， 2， 3， 4， 5， 6为空压 机的拟合系数； γ为 修正系数； ε为空压 机的出口压力与进口压力的比； 2)空压机的压缩效率 ηcom、 电效率 ηele根据以下公式(3)计算： 式中， β1， β2， β3为关于转速的二次函数； L1， L2， L3为空压机电效率经验参数； Iin为空压 机输入电流， 单位 为A； 3)空压机的转速N、 功率Pcom根据以下公式(4)计算： 式中， c， b经验参数； Pcom为空压机功率， 单位为kW； cp为空气比热容， 单位为J ·kg‑1·K ‑1。 2.根据权利要求1所述的一种基于空压机的燃料电池空路子系统建模仿真方法， 其特 征在于， 步骤S1具体为： 采用开路电压减去欧姆过电势、 浓差过电势及活化过电势建立燃料 电池极化曲线； 基于 燃料电池极化曲线及实际系统所需额定功率确定单电池数量。 3.根据权利要求2所述的一种基于空压机的燃料电池空路子系统建模仿真方法， 其特 征在于， 步骤S1中燃料电池电堆的电压Vstack计算公式为：权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 114707369 B 2Vstack＝(Enernst‑Vohm‑Vact‑Vcon)·Ncell         (1) 式中， Enernst为开路电势； Vohm为欧姆过电势； Vact为活化过电势； Vcon为浓差过电势； Ncell 为电堆片数； 燃料电池的开路电势、 活化过电势、 欧姆过电势和浓差过电势均由实验数据获 取。 4.根据权利要求1所述的一种基于空压机的燃料电池空路子系统建模仿真方法， 其特 征在于， 步骤S2中燃料电池空路子系统零部件包括： 通过管路相连接的空压机、 中冷器、 增 湿器、 电堆、 节气门及设置在管路上的压力传感器、 温度传感器、 流 量计。 5.根据权利要求4所述的一种基于空压机的燃料电池空路子系统建模仿真方法， 其特 征在于， 步骤S2中燃料电池系统实际运行参数包括： 空压机进出口压力、 温度， 空压机入口 流量， 空压机运行功率， 中冷器进出口压力、 温度， 中冷器水入流量， 增 湿器进出口压力、 温 度及湿度， 燃料电池电堆进出口温度、 电流及电压 。 6.根据权利要求4所述的一种基于空压机的燃料电池空路子系统建模仿真方法， 其特 征在于， 节气门采用比例阀模型， 其 开度取决不同空压 机转速下电堆 运行压力， 公式为： mout＝kout(Pstack‑Pca)                (5) 式中， mout为质量流量， 单位为kg/s； kout为不同节气门开度下的流量系数； Pstack为入堆 压力， 单位 为kPa； Pca为电堆压力降， 单位 为kPa。 7.根据权利要求4所述的一种基于空压机的燃料电池空路子系统建模仿真方法， 其特 征在于， 中冷器采用逆流式换热器模型， 流阻为沿程阻力损失， 其水入温度基于电堆运行电 流和运行时间设定 。 8.根据权利要求4所述的一种基于空压机的燃料电池空路子系统建模仿真方法， 其特 征在于， 增湿器模型为达西定律， 其流阻为孔隙域压力降， 即粘度阻力项和惯性阻力项的 和， 水传输 速率 压力降Phum公式为： 式中， 为水传输速率； D为扩散系数， 单位为cm/s； ET为扩散活化能； ΔP为水压差， 单位 为kPa； R为理想气体常数； Thum为增湿器入口温度， 单位为K； k1为粘度阻力系 数； μ为流体粘 度， 单位为pa ·s‑1； v为流体速度， 单位为m/s； k2为惯性阻力系数； ρ 为流体密度， 单位为kg/ m3。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 114707369 B 3