成就客户
新源动力利用Simcenter Amesim进行燃料电池系统仿真与验证
故事摘要
业务诉求:
氢燃料电池以氢气、氧气为燃料通过电化学反应把燃料中的化学能转化为电能。由于其具备运行温度低、功率密度高、响应速度快、环境污染小等特点，在固定式发电和新能源汽车领域已开始有所应用。燃料电池是一个非线性、强耦合的复杂系统，其物理模型涉及电化学、流体力学、传热学、材料力学、控制等多个学科，因此对燃料电池进行精确的行为描述具有很大难度。
解决方案:
SimcenterTM AmesimTM软件中包含了多学科的专业应用库，涵盖了大部分构建完整燃料电池系统模型所需的元件以及系统分析和优化的专用工具。新源动力股份有限公司在燃料电池系统设计初期，首先在Simcenter Amesim中依据零部件的入厂数据或实验结果进行零部件虚拟标定，建立精确的零部件模型;然后根据系统P&ID图搭建完整的燃料电池系统模型，最后通过仿真计算，对零部件选型、系统运行工况、能量管理进行评估和预测。在设计完成后，将仿真结果与实测数据进行对比校核。
实施效果：
新源动力股份有限公司采用Simcenter Amesim对燃料电池系统进行稳态建模与仿真分析，研究了系统的部分工作特性。在设计初期快速预测系统及零部件的工作状态，以电堆空气入口压力和流量随时间的变化关系为例，对比分析了实测数据与仿真结果，误差可控制在5%以内。
企业背景介绍
新源动力股份有限公司 (以下简称“新源动力”) 是中国第一家致力于燃料电池产业化的股份制企业。公司成立于2001年4月，注册于辽宁省大连市高新技术产业园区。2006年获国家发改委授牌并承建“燃料电池及气源技术国家工程研究中心”，同年获国家人事部授牌“博士后科研工作站”，2018年通过IATF16949汽车行业质量管理体系认证，是国家级高新技术企业、国家级知识产权试点单位。
新源动力始终坚持自主创新，经过多年的不懈努力，已经发展成为集科研开发、工程转化、产品生产、人才培养于一体的专业化燃料电池公司。新源动力的发展愿景是: 成为具有国际竞争力的燃料电池电堆及系统供应商。新源动力拥有自主知识产权的质子交换膜燃料电池技术，部分关键技术达到国际一流水平。截至2019年10月，公司累计拥有专利527项，其中国际专利2件，涵盖了质子交换膜燃料电池关键材料、关键部件、电堆、系统各个层面。
企业亟待解决的业务问题
车载燃料电池系统主要包含电堆，氢气储罐，加湿器，空气压缩机，气液分离器，循环泵，换热系统，管路，阀门等部件，是一个典型的非线性、强耦合的复杂系统，其物理模型涉及电化学、流体力学、传热学、材料力学、控制等多个学科，因此对燃料电池进行精确的行为描述具有很大难度。
企业应用实践与探索
企业与西门子工业软件的合作历程：
客户本身一直是西门子的终端用户，在产品交流过程中了解到西门子设计分析一体化平台Simcenter 3D，通过技术交流，并开始使用Simcenter 3D产品。
解决方案实际应用情况与探索:
新源动力首先采用Simcenter Amesim对系统关键零部件进行虚拟标定，根据系统P&ID图，将虚拟标定后的零部件模型和管路模型组合连接，搭建完整的燃料电池系统模型，对零部件选型、系统运行工况、能量管理进行评估和预测。将仿真输出结果和实测数据对比校核，为燃料电池系统仿真的研究工作提供指导建议，指导燃料电池系统开发。
1、虚拟标定
空气压缩机一般布置在空气滤清器下游用于空气增压，调节进入电堆的空气流量和压力，有助于提升燃料电池的反应速率。空气压缩机届于动力件，其虚拟标定涉及动力特性、阻力特性、换热特性、控制特性。
动力特性方面，根据空气压缩机供应商提供的气动性能图和测试数据，在软件平台建立压比、流量及转速之间的关系，以及等熵效率、流量和转速之间的关系，如下图所示。
空气压缩机MAP图
换热特性方面，根据供应商提供的空气压缩机冷却回路换热性能数据，明确空气压缩机额定散热功率和冷却液温度需求，搭建热容模块、传热模块以及带有摩擦、可压缩和热交换功能的热液压管路，模拟空气压缩机冷却回路的换热特性。
控制特性方面，空压机控制器发出转速需求信号后，由于受加减载速率的限制，空压机实际转速并不能实时的跟随需求信号输出，信号响应存在一定的延迟现象。可以将空压机的加减载速率特性以控制信号的形式添加到空压机模型中，来模拟实际的控制情况。
2、系统仿真模型搭建
燃料电池系统是由各个零部件通过一定的机械连接和电气连接相连而成，在完成每个零部件的虚拟标定后，建立相应的的零部件模型库，如下图所示。
燃料电池零部件模型库
然后对系统管路分析计算，建立合适的管路模型，基于系统P&ID图，将零部件模型和管路模型结合，搭建完整的系统仿真模型，如下图所示。
燃料电池系统仿真模型图
3、系统仿真模型验证
稳态系统仿真在设计前期完成计算和虚拟验证之后，仍需试验数据作为反馈验证.如下图所示，监测电堆空气入口压力和流量随时间的变化关系，比对结果表明模型仿真与系统测试结果误差小于5%。
电堆空气入口压力和流量的动态变化
实施成效:
新源动力采用Simcenter Amesim对燃料电池系统进行稳态建模与仿真分析的方法研究了系统的部分工作特性。稳态工况下对零部件性能、系统工况、能量管理进行了计算评估，在设计初期通过仿真能够快速预测系统及零部件的工作状态。以电堆空气入口压力和流量随时间的变化关系为例，对比分析了实测数据与仿真结果，结果表明其误差均在5%以内，说明上述仿真工作具有较高的可靠性。
实施企业反馈与点评:
Simcenter Amesim 软件具备丰富的元件库，材料库，能够覆盖氢燃料电池系统的主要零部件，帮助我们完成燃料电池系统建模、分析及验证。目前SimcenterAmesim 已广泛用于系统设计前期的零部件选型匹配、系统设计计算开发、电堆操作参数预测、部分控制策略开发等不同场景，具有非常重要的参考价值。未来希望与西门子一起探索更深层次的动态模型硬件在环及关键零部件的研发工作。
许有伟 系统仿真技术负责人
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