基于simulinkfluen的质子交换膜燃料电池系统协同仿真平台的研究

基于simulinkfluen的质子交换膜燃料电池系统协同仿真平台的研究

燃料系统的协同仿真与平台建模和模拟是电池和系统开发的重要组成部分。燃料电池的模型可分为集总参数模型和分布参数模型。集总参数模型描述系统状态的动态特征,只与时间有关,通常可用仿真工具SIMULINK实现。相应的仿真用时较短,操纵方便,可用于动态系统的分析和综合。分布参数模型在边界初始条件确定的情况下,可以描述系统状态在燃料电池内部的空间稳态分布。专用CFD软件FLUENT提供了三维质子交换膜燃料电池数值仿真的计算模块,是燃料电池分布参数模型仿真实现的一个常用工具。SIMULINK针对燃料电池动态系统的仿真,而FLUENT针对流体动力学的数值模拟,各有所长。燃料电池外界荷载的变化与流体动力学模拟紧密耦合且互为条件,单一边界条件下的模拟仿真难以获得真实工况下的电堆内部状态分布及动态特征。SIMULINK可以实现燃料电池系统除电堆之外的其它子系统(如空气供应子系统)的动态建模、仿真分析和综合。对空气供应子系统、氢供应子系统等的仿真研究,既是整个燃料电池系统仿真的一个组成部分,也可为辅助单元与燃料电池堆的合理匹配提供依据。FLUENT用于模拟和分析复杂几何区域内的流体流动与热交换等问题。凭借灵活的非结构化网格、基于求解精度的自适应网格和成熟的物理模型,FLUENT可以较好地模拟层流、湍流、传热、化学反应、多相流等现象。国内外有关SIMULINK和FLUENT协同仿真的研究及实现还比较少。文献针对机器人的动态行为提出了协同仿真方案并分析了技术可行性;文献的作者根据WinSock网络通信原理开发了MATLAB/FLUENT的接口,建立了分布参数模型闭环控制快速原型的仿真平台。有关燃料电池及系统的协同仿真目前尚未见有报道。本文结合SIMULINK和FLUENT各自的功能,利用SIMULINK的S-函数及FLUENT的日志(Journal)文件开发了两者的接口,通过共享数据文件实现了数据同步传递,建立基于SIMULINK和FLUENT的燃料电池系统协同仿真平台。FLUENT实施电堆的三维数值模拟,SIMULINK提供系统各辅助单元动态模型(其输出集合确定FLUENT电堆模型的边界条件)。这样的协同仿真平台从质量守恒方面保证了动态数学模型的正确性,能够更加真实、准确地模拟实际工况下燃料电池的内部动态特性,可用于燃料电池系统的控制设计。1基于simulk和fluent的合作原理和实现1.1fluen外部程序SIMULINK提供了包含大常用仿真模块的图形用户接口(GUI)和S-函数功能。S-函数由一些仿真功能模块组成,其中M文件的S-函数结构清晰,易于理解,其调用顺序通过标志来控制。本文通过编写S-函数实现参数的计算和FLUENT的调用等功能。FLUENT的日志文件是由一系列FLUENT指令组成的文本文件。外部程序可以通过调用日志文件的方式执行FLUENT,使其按照日志文件中的指令序列自动执行仿真任务。此外,FLUENT还提供了基于C语言的用户自定义函数(User-definedFunction,简称UDF)扩展功能,用以处理初始边界条件设置和个性化问题等。SIMULINK根据工况要求提供各辅助单元(如空气供应子系统)动态模型的输出,用于电堆三维动态模型的边界条件,并通过FLUENT的日志文件和UDF的方式传递给FLUENT。FLUENT作为计算引擎,实时提供电池在当前工况下的输出(如电压)或内部各物理量的值,并将计算结果通过数据文件反馈给SIMULINK。SIMULINK将FLUENT的返回值用作下一时刻各辅助单元动态模型的输入,据此计算相应控制器的控制参数,并给出各辅助单元动态模型的输出,作为边界条件再次传递给FLUENT。相应的协同仿真流程如图1所示。1.2simulain动态仿真模块的实现协同仿真实现的关键在于SIMULINK和FLUENT之间的数据传递。由两程序的运行机制可知,SIMULINK可利用M函数实现接口,而FLUENT主要通过日志文件和UDF文件,并辅助一定的数据文件实现与其它应用程序的接口。把与FLUENT接口的全部操作编制成独立的S-函数,直接嵌入到SIMULINK的动态仿真模块中,是本文实现的方式。在S-函数中,通过命令“!fluent3dd-ijournal”启动FLUENT,执行相应的仿真任务。在这种接口方式下,SIMULINK与FLUENT没有公共接口可供数据直接传递,只能通过访问共享数据文件(或共享内存)以及修改FLUENT日志文件中的相关参数实现间接的数据传递。SIMULINK和FLUENT协同仿真的实现如图2所示。图2a表示SIMULINK产生FLUENT三维模型的边界条件的流程。图2b表示两程序间数据传递的方式,其中数据文件1存放的是SIMULINK计算的下一时刻的边界条件,数据文件2存放的是由FLUENT计算的电堆输出或内部状态(如电堆电压)。图2c表示FLUENT根据日志文件中指令实现燃料电池模块三维数值模拟的流程。循环仿真流程如图3所示。2pemfc的计算模块在实际应用中,外界环境变化或工况不同,燃料电池的状态会随时间而变化。例如,燃料电池汽车在加速或减速时,燃料电池的输出功率改变,相应的内部状态也发生变化。所以,必须建立包括动态边界条件的三维数学模型,才能更加真实地描述电池在实际工况下的内部状态。FLUENT的PEMFC计算模块同时考虑了电池的流体流动、热量传递、电荷传递、电化学动力学和多组分传递等现象,其所描述的三维非稳态数学模型为质量守恒方程(1)、动量守恒方程(2)、物料守恒方程(3)、电位控制方程(4)和温度控制方程(5):其中,各源项的含义见文献。方程中的各状态变量通过源项相互耦合,不同的源项及物性参数描述不同的物理层,符号及字母说明见附录1。质子交换膜阴阳两极催化层中氧气或氢气在催化剂颗粒的表面发生电化学反应,相应的交换电流密度可由Bulter-Volmer方程来描述。3电池放电时负载变化根据SIMULINK/FLUENT协同仿真原理,本文以单电池单流道为例对燃料电池进行协同模拟仿真。燃料电池汽车的紧急减速或加速引起的功率需求变化可抽象为外负载变化。假定外负载变化为:t=0.5s前,电流负载0.12A,此时单电池电压0.77564V(电池输出稳定功率0.0931W);t=0.5s时,电阻发生阶跃变化:r→r/2;t=1.5s时,电阻发生二次阶跃变化:r/2→r/4。本节算例的计算过程是在DELLPrecisionWorkStation470(Intel(R)Xeon(TM)CPU3GHz(2CPUs),3326MB的内存)计算机上进行的,费时约12小时。3.1参数设置方法燃料电池的几何模型如图4所示,结构尺寸如表1所示。相关物性参数如扩散系数、电导率根据FLUENT的PEMFC模块默认设置;电压、温度、孔隙率等参考了文献中的数据;操作参数(化学计量比、质量分数等)根据实际燃料电池系统的选取(见附录2)。3.2结果分析3.2.1材料的后处理模块为了保证计算结果可靠,需要验证FLUENT模块所描述的动态数学模型计算及参数设置的正确性。收敛残差是检验所用算法收敛性的一个指标,除此之外,还需验证仿真结果是否满足质量守恒。文介绍了相关的方法。在电堆三维区域上对物料守恒方程(3)等式两边积分得:把ρYi=CiMi代入式(6)并移项:再利用高斯公式可得:即由于在进口边界上,Yi=常数,其余边界上,故把(11)带入(10)得即物料方程的源项经FLUENT后处理后,可以得到:Cidxdydz的值可直接由FLUENT的后处理模块得到,其中每个区域的孔隙率ε是不同的(如附录2所示)。因此,仿真结果的质量守恒相对估计误差(errorofmassbalance)可以表述为:其中Δt=tn+1-tn,(tn)(14)表达式(14)是本文介绍的SIMULINK/FLUENT协同仿真过程中用于燃料电池动态仿真判断质量守恒的一个重要指标。例如,由表达式(14)可计算电池从0.5s到0.6s时间段的氢气和氧气的质量守恒的相对估计误差:电池从0.5s到2.5s时间段的氢气和氧气的质量守恒的相对估计误差:可见,计算结果的相对估计误差较小,所建立的模型在质量守恒的意义下是合理的。3.2.2电压响应分析图5表明,电阻发生阶跃变化时,电流迅速上升,电压迅速下降,随后发生微小震动,大约经过1s电压基本稳定。3.2.3在选定外部电路电阻时，电流密度变化图6表明,电阻阶跃变化(减小)时,电流密度增大,尤其是在0.6s和1.6s时更加明显,这是由于电阻的瞬时减小,电流密度出现大的跳跃。3.2.4外负载变化时,内由于燃料电池的质子膜承受压力的能力有限,当两侧压力差过大或压力分布不均匀时都有可能使膜严重变形甚至损坏。了解电池内部的压力分布可以给控制系统的设计提供依据。下面给出外负载发生变化时,膜两侧的压力变化情况。图7为变化过程中阳极催化层与质子交换膜交界处沿流道方向压力的变化,图8为变化过程中阴极催化层与质子交换膜交界处的压力的变化。可以看出,当电流密度增加时,质子膜两侧的压力逐渐增大,阴极更加明显些。原因是电流密度的增大,化学反应更加剧烈,膜两端的压力增大。3.2.5阳极催化层与阳离子交换膜间的水含量变化图9为变化过程中阳极催化层与质子交换膜交界处沿流道方向氢气的变化,图10为变化过程中阴极催化层与质子交换膜交界处的氧气的变化。两图显示,氢气和氧气的浓度均逐渐在减小,原因是,电流密度的增大,化学反应更加剧烈,消耗的氢气和氧气增加。图11为变化过程中阳极催化层与质子交换膜交界处的水含量的变化,图12为变化过程中阴极催化层与质子交换膜交界处的水含量的变化。总体上,阳极的水含量逐渐减少,阴极的水含量逐渐增多,原因是,随着反应的加剧,质子迁移从阳极带走的水分子增多,阴极反应生成更多的水。4基于simulain和fluet的协同仿真平台本文结合SIMULINK和FLUENT各自的功能,利用SIMULINK的S-函数及FL