车用燃料电池发动机模型搭建及仿真研究

利用AMESim搭建质子交换膜燃料电池(PEMFC)发动机单电池和电堆瞬态仿真模型,同时利用某80 kW质子交换膜燃料电池电堆试验数据验证了该仿真模型的正确性,为燃料电池的仿真及预测分析提供了一种新的工具.通过此模型研究了燃料电池电堆的运行参数如气体压力、温度等对电堆性能的影响,同时也预测了阳极侧杂质气体含量对电堆性能的影响.     

低电导率乙二醇冷却液使用性能研究

质子交换膜燃料电池发动机正常运行时会产生大量热,其中热量的95%由冷却介质带走,而冷却液中离子含量高会导致燃料电池发动机绝缘问题,因此要求冷却液具有高散热性、低的腐蚀速率、高的密封材料兼容性,行业内通常要求电导率小于5μS/cm,传统的冷却液(电导率大于2000μS/cm)不满足质子交换膜燃料电池的使用要求,无法直接使用。本文长期跟踪氢燃料电池车辆运营2万公里左右,对其冷却系统使用的低电导率乙二醇冷却液性能进行全面的跟踪及研究,主要包括冷却液消耗、冰点值,并解释其原理。通过本文的研究为燃料电池低电导率冷却液的开发、标准的制定及车辆的运营维护保养提供了数据支撑及理论指导。     

基于单/双点线性化的质子交换膜燃料电池发动机温度预测控制研究

在已有的45 k W级质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC)发动机模型的基础上,将电堆冷却液旁通阀开度、大循环旁通阀开度、水泵转速、风扇开度设定为操控变量,电堆温度设定为输出量,分别设计了单点线性化全工况预测控制(Model Predictive Control,MPC)控制器和两点线性化双MPC控制器,对PEMFC发动机电堆温度进行控制和分析。在相同的仿真环境条件下,分别运行两种控制算法进行仿真运算,并对其结果进行对比分析。仿真试验结果表明,两点线性化双MPC控制的控制效果优于单点线性化全工况MPC控制。     

AMESim仿真软件在燃料电池系统开发中的应用

利用AMESim软件建立了质子交换膜燃料电池发动机一维仿真模型,包括电堆、空气系统、氢气系统和冷却系统。从空压机选型、电堆运行条件匹配、冷启动和整车经济性四个方面介绍了AMESim仿真软件的应用。仿真结果表明,电堆运行条件对系统零部件选型尤其是空压机影响较大,适当降低进气计量比和进气压力可降低部件功率消耗,提升系统整体效率,PTC水加热器可以大幅缩短燃料电池发动机冷启动时间,减小系统怠速功率可提升整车经济性。应用AMESim软件进行仿真分析对于燃料电池发动机设计开发具体一定的指导意义。     

车用质子交换膜燃料电池性能仿真与试验研究

总结了燃料电池极化曲线的半经验公式,利用某80kW质子交换膜燃料电池试验数据来拟合公式中的相关系数,同时利用Matlab/Simulink软件建立了质子交换膜燃料电池堆的仿真模型,为燃料电池发动机系统的仿真和分析提供了一个重要工具。通过此模型可以研究燃料电池电堆的运行参数如气体压力、温度、当量比等对电堆性能的影响,从而有助于研究整个燃料电池发动机系统的性能。     

过量空气系数对燃料电池发动机输出特性的影响

以一个2kW氢一空质子交换膜燃料电池堆以及由此组成的发动机台架为研究对象，探讨了过量空气系数λ改变所导致的燃料电池堆和发动机输出特性的变化。结果表明，增大λ可提高电堆性能，当λ增大到2，0附近，电堆性能随λ增加速度明显减小，当λ＞3．0时，电堆性能基本上与λ无关。λ=2．0时能够得到最佳发动机净输出功率。     

潍柴20000台氢燃料电池发动机工厂投产

正3月31日下午2点,潍柴集团董事长谭旭光宣布:潍柴20000台氢燃料电池发动机工厂正式投产。这是潍柴氢燃料电池业务迈向全球一流商业化的关键一步,为山东省打造"绿色动力氢能城市"夯实了产业基础。2018年,潍柴全面启动燃料电池产业园建设项目,建成了两万套级产能的燃料电池发动机及电堆生产线,是目前全球最大的氢燃料电池发动机制造基地。同时,潍柴在山东先后建设了3座撬装式加氢站、1座1000kg固定     

车用燃料电池热管理性能仿真与试验研究

热管理是影响燃料电池性能与寿命的重要因素之一,其中燃料电池热管理系统设计与建模是研究的难点。首先用理论推导方法建立燃料电池的热模型,并通过台架试验验证该模型的准确性。其次建立整车燃料电池热管理系统一维仿真模型,对影响电堆出水温度的风速和风温两个因素进行灵敏度分析。最后通过仿真计算,分析3种典型工况下电堆的出水温度,并开展整车环模试验进行验证。结果表明,所建立的燃料电池热管理系统模型可以准确分析电堆在不同工况下的出水温度,为整车开发过程中燃料电池热管理性能的分析与优化提供参考,对提高燃料电池汽车热管理水平具有实际的工程意义。     

节温器布置形式对质子交换膜燃料电池电堆冷却性能的影响

运用一维仿真软件建立质子交换膜燃料电池液冷系统模型,研究了不同节温器布置形式对系统的性能影响。对某额定功率30 kW的燃料电池发动机在4个不同工况点进行液冷系统散热特性仿真:在节温器一进两出的布置形式下仿真结果与试验数据基本一致,电堆出口温度仿真值与实测值相对误差分别为0.5%、1.5%、2.4%、4.9%;节温器两进一出的布置形式下液冷系统中冷却液温度变化平缓而均匀,前10 s和第10~50 s之间的温度变化率之差较一进两出形式低36.85%,更有利于电堆的长期高效运行。     

车用质子交换膜燃料电池发动机的水管理和热管理方法

水和热管理是燃料电池发动机的关键技术之一。文章从一个新的角度对水管理和热管理加以区分，介绍了水管理和热管理包含的内容，以及现有的方法。分析了反应气体流量、压力及冷却液参数等对电池堆性能的影响，为燃料电池发动机系统的水管理和热管理研究提供了一个良好的基础。     

车用燃料电池发动机热管理系统研究

建立了车用燃料电池发动机热管理系统模型,该模型能考虑系统内各部件间及部件与电池堆间的相互影响;应用该模型计算分析了某65 kW车用燃料电池热管理系统对燃料电池堆性能的影响、热管理系统运行参数的控制依据和散热器布置形式的影响等。结果表明,应主要通过调节冷却风扇转速来调整电池堆温度,通过调节冷却水泵来保持电池堆进出口水温温差;散热器并联要优于散热器串联。     

Active coolant control strategies in automotive engines

The coolant flow rate in conventional cooling systems in automotive engines is subject to the mechanical water pump speed, and high efficiency in terms of fuel economy and exhaust emission is not possible given this limitation. A new technology must be developed for engine cooling systems. The electronic water pump is used as a substitute for the mechanical water pump in new engine cooling systems. The new cooling system provides more flexible control of the coolant flow rate and engine temperature, which previously relied strongly on engine driving conditions such as load and speed. In this study, the feasibility of two new cooling strategies was investigated using a simulation model that was validated with temperatures measured in a diesel engine. Results revealed that active coolant control using an electronic water pump and valves substantially contributed to a reduction of coolant warm-up time during cold engine starts. Harmful emissions and fuel consumption are expected to decrease as a result of a reduction in warm-up time.     

水冷PEMFC热管理系统建模和控制

为了维持质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC)工作在合理的温度区间,文章首先建立了PEMFC热管理系统的电堆温度模型和电堆冷却回路模型,然后建立了PEMFC本体模型,并进行了本体模型的验证,采用基于Bang-Bang控制的热管理控制策略,并进行了离线仿真和快速控制原型试验。结果表明:在不同的电流负载变化的情况下,电堆能够很好地保持在目标温度(70±1)℃,散热器冷却水温度保持在目标温度(70±2)℃,达到了预期的控制效果。     

高原环境下柴油机冷却系统性能仿真

利用GT-suite软件建立了柴油机工作过程模型和冷却系统模型并进行直接耦合,通过高原模拟台架试验验证了模型的正确性,进而研究了不同海拔外特性工况下柴油机及其冷却系统性能的变化规律。结果表明:海拔每升高1 000m,柴油机出口水温平均升高5.01%,散热量平均减小6.25%,风扇质量流量平均减小11.20%,柴油机功率平均减小3.55%,燃油消耗率平均增加4.67%;该装甲车辆在海拔1 000~2 600 m低转速区和海拔2 600m以上必须降负荷或者提高冷却系统散热能力后使用。最后以柴油机出口水温不超过报警值为目标,计算得到了柴油机最大允许负荷和风扇最小体积流量增幅MAP图,为高原环境下柴油机及其冷却系统匹配和改进提供了参考。     

燃料电池电动汽车能量管理系统研究

提出多能源燃料电池加镍氢电池及超级电容燃料电池电动汽车混合动力系统的方案,并设计了动力系统结构。通过比较车载3种能源,给出了动力总成控制系统结构,重点对能量管理系统进行优化,采取燃料电池发动机输出功率预测控制策略,减少了其输出功率的频繁波动。仿真结果证明能量管理策略可行。     

Effects of coolant channels on large-scale Polymer Electrolyte Fuel Cells (PEFCS)

Fully coupled simulations of two-phase transport in Polymer Electrolyte Fuel Cells (PEFCs) and heat transfer in coolant channels are performed in order to investigate the effects of cooling channel configuration on the distributions of temperature and water within PEFCs. When a practical coolant flow rate is applied to large-scale cells for automotive applications, a significant coolant temperature rise is expected from the coolant inlet to the outlet, particularly under high current density operations, creating a significant cell temperature gradient along the flow direction as well. Consequently, a two-phase water profile resulting from evaporation-condensation processes inside PEFCs is also strongly influenced by the cell temperature gradient from the hot coolant inlet toward the cold coolant outlet regions, demonstrating that both temperature and liquid saturation strongly depend on the thermal gradient along the coolant flow path.     

基于冷却液温度的内燃机能量流试验研究

内燃机能量流试验是评估不同控制策略下内燃机能耗和指明其改善方向的重要方法。通过试验对1台涡轮增压缸内直喷汽油机进行了基于冷却液温度的能量平衡分析,基于热力学定律,将能量平衡项分为有效功、冷却液损失、排气损失和通过辐射传热产生的未计入热损失。结果表明:小负荷时,随着冷却液温度的升高,燃油消耗率略有下降,NO_x排放量增加;全工况下,HC排放量随着冷却液温度的升高而减少,CO和CO_2排放量变化不大;有效功占比和排气损失占比随负荷的增大而增大,几乎不受冷却液温度的影响;冷却液损失占比随冷却液温度的升高而减小。     

Thermal anaysis of an electric water pump for internal combustion engine vehicles

An electric water pump for engine cooling system has an advantage which particularly in the cold start, the use of the electric water pump saves fuel and leads to a corresponding reduction in emissions. However, the electric water pump for internal combustion engine generates much more heat loss than that for hybrid electric vehicle or electric vehicle since it is operated by electric power of high current and low voltage. In this study, the fluid flow and thermal characteristics of the canned type electric water pump with an inverter integrated has been investigated under the effects of heat generation. The analysis conditions such as outdoor air temperature of 125°C, water pump speed of 6000 rpm, coolant temperature of 106°C and coolant flow rate of 120 L/min were used as a standard condition. Therefore, the thermal performance of the canned type electric water pump’s motor and inverter was evaluated by comparison with that of mechanical seal type. In the motor, the temperature reduced by over 10°C, and in the inverter, the amount of temperature decrease equaled to the maximum temperature difference, about 18.7°C. Also, canned type electric water pumps of variable materials were compared for the evaluation of thermal transfer performance for variable thermal conductivity of a can. The motor and inverter were cooled lower to 42°C at motor and about 40°C at inverter for reasonable selection of can’s thermal conductivity.     

电喷汽油机爆燃控制的策略及试验研究

介绍了BOSCH汽油机电喷系统爆燃识别及爆燃控制的策略,分析讨论了带有爆燃控制的发动机管理系统在协调发动机动力性、经济性与爆燃安全性等方面的优势,试验研究了不同爆燃情况下的发动机性能及排放的差异,以及系统过量空气系数和进气温度与爆燃边界点火提前角的关系。