这种清洁能源将有助于推动交通运输业的未来
基于模型的设计助力应对氢燃料电池开发挑战
如果车辆燃料能源能够可靠地产生能量，并且只释放水蒸气作为废气，则似乎是天方夜谭，但这正是氢燃料电池的工作原理。然而，由于充电桩更加方便，因此，电池供电的电动汽车在道路上仍更为常见。氢燃料电池加氢基础设施尚不完备。
如今，氢燃料电池正卷土重来。国际能源署建议对氢研发进行投资。各公司纷纷在小型飞机、重型卡车、火车、船舶和其他可以集中为许多车辆加氢的场景下测试氢燃料电池。
到 2050 年，氢燃料电池的使用将大幅增加，在船舶领域尤为突出。（图片所有权：SEGULA Technologies）
燃料电池精确建模和耐用燃料电池制造伴随着诸多挑战，是阻碍其得到广泛应用的绊脚石。SEGULA Technologies 正在使用 MATLAB® 和 Simulink® 来克服这些挑战。他们将创建融入人工智能 (AI) 的模型，以减少生产时间和成本，并为交通运输业提供替代化石燃料的清洁能源。
清洁能源
氢动力聚合物电解质膜 (PEM) 燃料电池，亦称质子交换膜燃料电池，具有重量轻、燃料补给速度快且能量密度比电池大的特点。它们还可以连续工作，因此，对重型货物和运输来说，它们是比电池更实用的理想选择。
如果在使用硬件原型进行测试之前使用系统级仿真来验证设计，则可以节省时间和金钱。
当氢燃料由可再生资源制成时，氢动力燃料电池可以帮助难以用电池供电的行业实现脱碳。“这是一种非常清洁的能源，”SEGULA Technologies 公司燃料电池仿真技术主管 Dirk Rensink 说道。
但是，获取氢气的能源需求、氢气储存和运输所需的基础设施以及加氢站有限等因素，阻碍了氢燃料电池的发展。即使扫除了这些障碍，设计和开发这些能源的成本也会很高。然而，如果在使用硬件原型进行测试之前使用系统级仿真来验证设计，则可以节省时间和金钱。
燃料电池建模
SEGULA Technologies 工程园区位于德国吕塞尔斯海姆，专注于 PEM 燃料电池的开发。构建所需的模型是 SEGULA 团队的第一步。SEGULA 工程师转向使用 Simulink 和 Simscape™ 进行基于模型的设计。作为起点，他们使用了 Simscape 提供的燃料电池被控对象模型。Rensink 说道，“从 Simscape 模型入手，我们可以节省 4 到 6 周的初始开发时间。”
SEGULA 团队对 Simscape 模型进行了改进，创建了一个更复杂、更灵活的模型，以适用于任何燃料电池应用，无论是汽车、火车、航空航天还是海事应用。该模型有助于确定是否为其组件选择了最佳选型，给定的 PEM 燃料电池设计能否产生所需的功率，以及控制功能是否正常工作。
SEGULA 团队还需要考虑氮累积、水蒸气输送和水滴飞溅模式等行为因素，所有这些因素都会影响燃料电池的功能。“我们正在投入大量的时间和精力来了解水的输送现象，”Rensink 说道。“这是我们模型的特点之一。”
该模型包括发电所需的许多组件，包括压缩机、加湿器、热交换器和水蒸气交换器。Rensink 说道，“确保这些组件能够很好地协同工作，对于优化燃料电池的能效和寿命至关重要。”
该团队使用三维建模工具开发模型，以仿真电池内部的物理特性，特别是水滴和蒸汽的流动以及热传递。工程师随后将这些数据纳入 Simscape 模型，以仿真燃料电池组件与 Simscape 模型的交互方式，从而实现更快速、更灵活的系统级仿真。
“从 Simscape 模型入手，我们可以节省 4 到 6 周的初始开发时间。”
汽车应用中的燃料电池系统的模型。有关 MathWorks FCEV 参考应用的文档，请访问 FCEV 参考应用。（图片所有权：SEGULA Technologies）
氢燃料电池。（图片所有权：SEGULA Technologies）
测试平台上的燃料电池堆。（图片所有权：SEGULA Technologies）
除了确认设计的有效性之外，仿真还有助于限制燃料电池的能耗，从而确保它不会消耗太多生成的能量来运行自己的压缩机或泵。
由于真实数据有限，无法获得足够的信息并完善这种方法，SEGULA 团队遂求助于专业系统。“该系统与生成参数的 ChatGPT 不太一样，”Rensink 说道，“但它是一个智能系统，可以分析我们以前做过的仿真，并提取类似的参数。然后，根据以前的经验，它会针对新模型中缺失的任何参数提出建议。”使用这种方法，该团队不需要从零开始设计每个新燃料电池系统，也不需要估计插入模型的最佳值。
SEGULA Technologies 的燃料电池团队主管 Stephan Schnorpfeil 说道，“模型会随着我们输入过去的数据而扩展。在专业系统的帮助下，我们取得了长足的进展。”
这些模型为 SEGULA 团队提供了在组合原型之前测试其设计的机会。他们通过硬件在环 (HIL) 测试来验证和测试燃料电池控制器，同时模拟燃料电池在一周的正常运行中甚至 30,000 小时的使用寿命内的可能表现。他们使用 Simulink Real-Time™ 测试控制器的功能。这些控制器用于控制燃料电池中的主要部件，如压缩机和加湿器。
Schnorpfeil 说道，“通常情况下，您需要在测试平台上构建系统原型，然后标定您的软件。而此模型为现场使用的燃料电池软件提供了测试环境。”“通过这种预先测试，您可以标定正确的值，这使我们的工作更接近现实。”
“如果我们不需要在测试平台上完成所有事情，而只需将系统放在测试平台上，使用我们预先仿真的标定模型，则可大大缩短我们的开发时间。”
该模型帮助节省了时间和金钱，为 SEGULA 的客户带来了更顺畅的流程。例如，SEGULA 工程师在深度构建原型之前已能够调整燃料电池系统，从而避免了代价高昂的错误。“如果我们不需要在测试平台上完成所有事情，而只需将系统放在测试平台上，使用我们预先仿真的标定模型，则可大大缩短了我们的开发时间，”Schnorpfeil 说道。Rensink 表示，AI 辅助参数数据库进一步帮助客户缩短了上市时间。
SEGULA 的建模工作还为客户提供了只有复杂仿真才能解决特定问题的专业化解决方案。这种灵活性使他们能够根据各种应用和电力需求仿真和开发 PEM 燃料电池，例如改造客户的船用燃料电池系统，使其适用于汽车应用。其他客户使用 SEGULA 的资源快速提取了组件选型的理想参数，以优化其 PEM 燃料电池系统。
培养下一代工程师
用 SEGULA 的建模方法开发的一些燃料电池已投入使用。SEGULA 团队正努力进一步完善其设计，将不断增长的真实数据仓库馈送到模型中。
教育领域是另一个关注的重点。在开发和优化模型时，SEGULA 团队与宾根应用科技理工大学和莱茵应用理工大学的本科生和研究生合作，对每个组件在燃料电池系统中的适配和工作情况进行了数学建模。
“学生可以看到，他们在大学学习期间所做的研究确实会对这个行业产生影响。SEGULA 在燃料电池方面的使命还包括培养下一代工程师，带领他们进入可再生能源和燃料电池领域。”
“学生可以看到，他们在大学学习期间所做的研究确实会对这个行业产生影响，”Rensink 说道。该团队为在校学生提供了学以致用的实践经验。“SEGULA 在燃料电池方面的使命还包括培养下一代工程师，带领他们进入可再生能源和燃料电池领域。”
