基于simulinkfluen的質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)協(xié)同仿真平臺(tái)的研究

基于simulinkfluen的質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)協(xié)同仿真平臺(tái)的研究

燃料系統(tǒng)的協(xié)同仿真與平臺(tái)建模和模擬是電池和系統(tǒng)開發(fā)的重要組成部分。燃料電池的模型可分為集總參數(shù)模型和分布參數(shù)模型。集總參數(shù)模型描述系統(tǒng)狀態(tài)的動(dòng)態(tài)特征,只與時(shí)間有關(guān),通常可用仿真工具SIMULINK實(shí)現(xiàn)。相應(yīng)的仿真用時(shí)較短,操縱方便,可用于動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的分析和綜合。分布參數(shù)模型在邊界初始條件確定的情況下,可以描述系統(tǒng)狀態(tài)在燃料電池內(nèi)部的空間穩(wěn)態(tài)分布。專用CFD軟件FLUENT提供了三維質(zhì)子交換膜燃料電池?cái)?shù)值仿真的計(jì)算模塊,是燃料電池分布參數(shù)模型仿真實(shí)現(xiàn)的一個(gè)常用工具。SIMULINK針對(duì)燃料電池動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的仿真,而FLUENT針對(duì)流體動(dòng)力學(xué)的數(shù)值模擬,各有所長(zhǎng)。燃料電池外界荷載的變化與流體動(dòng)力學(xué)模擬緊密耦合且互為條件,單一邊界條件下的模擬仿真難以獲得真實(shí)工況下的電堆內(nèi)部狀態(tài)分布及動(dòng)態(tài)特征。SIMULINK可以實(shí)現(xiàn)燃料電池系統(tǒng)除電堆之外的其它子系統(tǒng)(如空氣供應(yīng)子系統(tǒng))的動(dòng)態(tài)建模、仿真分析和綜合。對(duì)空氣供應(yīng)子系統(tǒng)、氫供應(yīng)子系統(tǒng)等的仿真研究,既是整個(gè)燃料電池系統(tǒng)仿真的一個(gè)組成部分,也可為輔助單元與燃料電池堆的合理匹配提供依據(jù)。FLUENT用于模擬和分析復(fù)雜幾何區(qū)域內(nèi)的流體流動(dòng)與熱交換等問題。憑借靈活的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格、基于求解精度的自適應(yīng)網(wǎng)格和成熟的物理模型,FLUENT可以較好地模擬層流、湍流、傳熱、化學(xué)反應(yīng)、多相流等現(xiàn)象。國(guó)內(nèi)外有關(guān)SIMULINK和FLUENT協(xié)同仿真的研究及實(shí)現(xiàn)還比較少。文獻(xiàn)針對(duì)機(jī)器人的動(dòng)態(tài)行為提出了協(xié)同仿真方案并分析了技術(shù)可行性;文獻(xiàn)的作者根據(jù)WinSock網(wǎng)絡(luò)通信原理開發(fā)了MATLAB/FLUENT的接口,建立了分布參數(shù)模型閉環(huán)控制快速原型的仿真平臺(tái)。有關(guān)燃料電池及系統(tǒng)的協(xié)同仿真目前尚未見有報(bào)道。本文結(jié)合SIMULINK和FLUENT各自的功能,利用SIMULINK的S-函數(shù)及FLUENT的日志(Journal)文件開發(fā)了兩者的接口,通過共享數(shù)據(jù)文件實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)同步傳遞,建立基于SIMULINK和FLUENT的燃料電池系統(tǒng)協(xié)同仿真平臺(tái)。FLUENT實(shí)施電堆的三維數(shù)值模擬,SIMULINK提供系統(tǒng)各輔助單元?jiǎng)討B(tài)模型(其輸出集合確定FLUENT電堆模型的邊界條件)。這樣的協(xié)同仿真平臺(tái)從質(zhì)量守恒方面保證了動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型的正確性,能夠更加真實(shí)、準(zhǔn)確地模擬實(shí)際工況下燃料電池的內(nèi)部動(dòng)態(tài)特性,可用于燃料電池系統(tǒng)的控制設(shè)計(jì)。1基于simulk和fluent的合作原理和實(shí)現(xiàn)1.1fluen外部程序SIMULINK提供了包含大常用仿真模塊的圖形用戶接口(GUI)和S-函數(shù)功能。S-函數(shù)由一些仿真功能模塊組成,其中M文件的S-函數(shù)結(jié)構(gòu)清晰,易于理解,其調(diào)用順序通過標(biāo)志來控制。本文通過編寫S-函數(shù)實(shí)現(xiàn)參數(shù)的計(jì)算和FLUENT的調(diào)用等功能。FLUENT的日志文件是由一系列FLUENT指令組成的文本文件。外部程序可以通過調(diào)用日志文件的方式執(zhí)行FLUENT,使其按照日志文件中的指令序列自動(dòng)執(zhí)行仿真任務(wù)。此外,FLUENT還提供了基于C語(yǔ)言的用戶自定義函數(shù)(User-definedFunction,簡(jiǎn)稱UDF)擴(kuò)展功能,用以處理初始邊界條件設(shè)置和個(gè)性化問題等。SIMULINK根據(jù)工況要求提供各輔助單元(如空氣供應(yīng)子系統(tǒng))動(dòng)態(tài)模型的輸出,用于電堆三維動(dòng)態(tài)模型的邊界條件,并通過FLUENT的日志文件和UDF的方式傳遞給FLUENT。FLUENT作為計(jì)算引擎,實(shí)時(shí)提供電池在當(dāng)前工況下的輸出(如電壓)或內(nèi)部各物理量的值,并將計(jì)算結(jié)果通過數(shù)據(jù)文件反饋給SIMULINK。SIMULINK將FLUENT的返回值用作下一時(shí)刻各輔助單元?jiǎng)討B(tài)模型的輸入,據(jù)此計(jì)算相應(yīng)控制器的控制參數(shù),并給出各輔助單元?jiǎng)討B(tài)模型的輸出,作為邊界條件再次傳遞給FLUENT。相應(yīng)的協(xié)同仿真流程如圖1所示。1.2simulain動(dòng)態(tài)仿真模塊的實(shí)現(xiàn)協(xié)同仿真實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵在于SIMULINK和FLUENT之間的數(shù)據(jù)傳遞。由兩程序的運(yùn)行機(jī)制可知,SIMULINK可利用M函數(shù)實(shí)現(xiàn)接口,而FLUENT主要通過日志文件和UDF文件,并輔助一定的數(shù)據(jù)文件實(shí)現(xiàn)與其它應(yīng)用程序的接口。把與FLUENT接口的全部操作編制成獨(dú)立的S-函數(shù),直接嵌入到SIMULINK的動(dòng)態(tài)仿真模塊中,是本文實(shí)現(xiàn)的方式。在S-函數(shù)中,通過命令“!fluent3dd-ijournal”啟動(dòng)FLUENT,執(zhí)行相應(yīng)的仿真任務(wù)。在這種接口方式下,SIMULINK與FLUENT沒有公共接口可供數(shù)據(jù)直接傳遞,只能通過訪問共享數(shù)據(jù)文件(或共享內(nèi)存)以及修改FLUENT日志文件中的相關(guān)參數(shù)實(shí)現(xiàn)間接的數(shù)據(jù)傳遞。SIMULINK和FLUENT協(xié)同仿真的實(shí)現(xiàn)如圖2所示。圖2a表示SIMULINK產(chǎn)生FLUENT三維模型的邊界條件的流程。圖2b表示兩程序間數(shù)據(jù)傳遞的方式,其中數(shù)據(jù)文件1存放的是SIMULINK計(jì)算的下一時(shí)刻的邊界條件,數(shù)據(jù)文件2存放的是由FLUENT計(jì)算的電堆輸出或內(nèi)部狀態(tài)(如電堆電壓)。圖2c表示FLUENT根據(jù)日志文件中指令實(shí)現(xiàn)燃料電池模塊三維數(shù)值模擬的流程。循環(huán)仿真流程如圖3所示。2pemfc的計(jì)算模塊在實(shí)際應(yīng)用中,外界環(huán)境變化或工況不同,燃料電池的狀態(tài)會(huì)隨時(shí)間而變化。例如,燃料電池汽車在加速或減速時(shí),燃料電池的輸出功率改變,相應(yīng)的內(nèi)部狀態(tài)也發(fā)生變化。所以,必須建立包括動(dòng)態(tài)邊界條件的三維數(shù)學(xué)模型,才能更加真實(shí)地描述電池在實(shí)際工況下的內(nèi)部狀態(tài)。FLUENT的PEMFC計(jì)算模塊同時(shí)考慮了電池的流體流動(dòng)、熱量傳遞、電荷傳遞、電化學(xué)動(dòng)力學(xué)和多組分傳遞等現(xiàn)象,其所描述的三維非穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型為質(zhì)量守恒方程(1)、動(dòng)量守恒方程(2)、物料守恒方程(3)、電位控制方程(4)和溫度控制方程(5):其中,各源項(xiàng)的含義見文獻(xiàn)。方程中的各狀態(tài)變量通過源項(xiàng)相互耦合,不同的源項(xiàng)及物性參數(shù)描述不同的物理層,符號(hào)及字母說明見附錄1。質(zhì)子交換膜陰陽(yáng)兩極催化層中氧氣或氫氣在催化劑顆粒的表面發(fā)生電化學(xué)反應(yīng),相應(yīng)的交換電流密度可由Bulter-Volmer方程來描述。3電池放電時(shí)負(fù)載變化根據(jù)SIMULINK/FLUENT協(xié)同仿真原理,本文以單電池單流道為例對(duì)燃料電池進(jìn)行協(xié)同模擬仿真。燃料電池汽車的緊急減速或加速引起的功率需求變化可抽象為外負(fù)載變化。假定外負(fù)載變化為:t=0.5s前,電流負(fù)載0.12A,此時(shí)單電池電壓0.77564V(電池輸出穩(wěn)定功率0.0931W);t=0.5s時(shí),電阻發(fā)生階躍變化:r→r/2;t=1.5s時(shí),電阻發(fā)生二次階躍變化:r/2→r/4。本節(jié)算例的計(jì)算過程是在DELLPrecisionWorkStation470(Intel(R)Xeon(TM)CPU3GHz(2CPUs),3326MB的內(nèi)存)計(jì)算機(jī)上進(jìn)行的,費(fèi)時(shí)約12小時(shí)。3.1參數(shù)設(shè)置方法燃料電池的幾何模型如圖4所示,結(jié)構(gòu)尺寸如表1所示。相關(guān)物性參數(shù)如擴(kuò)散系數(shù)、電導(dǎo)率根據(jù)FLUENT的PEMFC模塊默認(rèn)設(shè)置;電壓、溫度、孔隙率等參考了文獻(xiàn)中的數(shù)據(jù);操作參數(shù)(化學(xué)計(jì)量比、質(zhì)量分?jǐn)?shù)等)根據(jù)實(shí)際燃料電池系統(tǒng)的選取(見附錄2)。3.2結(jié)果分析3.2.1材料的后處理模塊為了保證計(jì)算結(jié)果可靠,需要驗(yàn)證FLUENT模塊所描述的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型計(jì)算及參數(shù)設(shè)置的正確性。收斂殘差是檢驗(yàn)所用算法收斂性的一個(gè)指標(biāo),除此之外,還需驗(yàn)證仿真結(jié)果是否滿足質(zhì)量守恒。文介紹了相關(guān)的方法。在電堆三維區(qū)域上對(duì)物料守恒方程(3)等式兩邊積分得:把ρYi=CiMi代入式(6)并移項(xiàng):再利用高斯公式可得:即由于在進(jìn)口邊界上,Yi=常數(shù),其余邊界上,故把(11)帶入(10)得即物料方程的源項(xiàng)經(jīng)FLUENT后處理后,可以得到:Cidxdydz的值可直接由FLUENT的后處理模塊得到,其中每個(gè)區(qū)域的孔隙率ε是不同的(如附錄2所示)。因此,仿真結(jié)果的質(zhì)量守恒相對(duì)估計(jì)誤差(errorofmassbalance)可以表述為:其中Δt=tn+1-tn,(tn)(14)表達(dá)式(14)是本文介紹的SIMULINK/FLUENT協(xié)同仿真過程中用于燃料電池動(dòng)態(tài)仿真判斷質(zhì)量守恒的一個(gè)重要指標(biāo)。例如,由表達(dá)式(14)可計(jì)算電池從0.5s到0.6s時(shí)間段的氫氣和氧氣的質(zhì)量守恒的相對(duì)估計(jì)誤差:電池從0.5s到2.5s時(shí)間段的氫氣和氧氣的質(zhì)量守恒的相對(duì)估計(jì)誤差:可見,計(jì)算結(jié)果的相對(duì)估計(jì)誤差較小,所建立的模型在質(zhì)量守恒的意義下是合理的。3.2.2電壓響應(yīng)分析圖5表明,電阻發(fā)生階躍變化時(shí),電流迅速上升,電壓迅速下降,隨后發(fā)生微小震動(dòng),大約經(jīng)過1s電壓基本穩(wěn)定。3.2.3在選定外部電路電阻時(shí)，電流密度變化圖6表明,電阻階躍變化(減小)時(shí),電流密度增大,尤其是在0.6s和1.6s時(shí)更加明顯,這是由于電阻的瞬時(shí)減小,電流密度出現(xiàn)大的跳躍。3.2.4外負(fù)載變化時(shí),內(nèi)由于燃料電池的質(zhì)子膜承受壓力的能力有限,當(dāng)兩側(cè)壓力差過大或壓力分布不均勻時(shí)都有可能使膜嚴(yán)重變形甚至損壞。了解電池內(nèi)部的壓力分布可以給控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。下面給出外負(fù)載發(fā)生變化時(shí),膜兩側(cè)的壓力變化情況。圖7為變化過程中陽(yáng)極催化層與質(zhì)子交換膜交界處沿流道方向壓力的變化,圖8為變化過程中陰極催化層與質(zhì)子交換膜交界處的壓力的變化?？梢钥闯?當(dāng)電流密度增加時(shí),質(zhì)子膜兩側(cè)的壓力逐漸增大,陰極更加明顯些。原因是電流密度的增大,化學(xué)反應(yīng)更加劇烈,膜兩端的壓力增大。3.2.5陽(yáng)極催化層與陽(yáng)離子交換膜間的水含量變化圖9為變化過程中陽(yáng)極催化層與質(zhì)子交換膜交界處沿流道方向氫氣的變化,圖10為變化過程中陰極催化層與質(zhì)子交換膜交界處的氧氣的變化。兩圖顯示,氫氣和氧氣的濃度均逐漸在減小,原因是,電流密度的增大,化學(xué)反應(yīng)更加劇烈,消耗的氫氣和氧氣增加。圖11為變化過程中陽(yáng)極催化層與質(zhì)子交換膜交界處的水含量的變化,圖12為變化過程中陰極催化層與質(zhì)子交換膜交界處的水含量的變化。總體上,陽(yáng)極的水含量逐漸減少,陰極的水含量逐漸增多,原因是,隨著反應(yīng)的加劇,質(zhì)子遷移從陽(yáng)極帶走的水分子增多,陰極反應(yīng)生成更多的水。4基于simulain和fluet的協(xié)同仿真平臺(tái)本文結(jié)合SIMULINK和FLUENT各自的功能,利用SIMULINK的S-函數(shù)及FL