什么是燃料电池模型?

燃料电池是一种利用反应物产生电力的电化学系统。聚合物电解质膜 (PEM) 燃料电池是一种流行的技术，它利用氢氧的化学反应来产生电力以及副产物水。PEM 燃料电池使用了一种半透膜。这种膜允许质子通过，但阻止电子流过。基于这种特性，此类燃料电池也称为质子交换膜燃料电池。如下所示，氢气由阳极进入燃料电池，分解成质子和电子。质子穿过半透膜，而电子流经外部电路，形成电流。氧气则由阴极进入燃料电池，与质子和电子结合，产生水和热。

PEM 燃料电池的价值在于其工作温度和压力低于其他种类的燃料电池。由于上述原因，该技术在电动汽车中作为电池系统的替代或补充广受欢迎。PEM 燃料电池用于固定式发电。当它与电解器和可再生能源结合使用时，可视为绿色能源储存输送系统的一部分。

为了使用仿真来开发使用燃料电池的应用，工程师需要不同保真度的模型。这些场景包括：

• 使用描述电化学反应的燃料电池模型评估燃料电池堆的温度和电性能。
• 使用细节较少的系统级燃料电池模型优化燃料电池电动汽车的续航里程、性能和热效应。
• 使用适合硬件在环测试的燃料电池模型开发和优化燃料电池控制系统。
• 使用燃料电池模型设计和仿真发电系统，包括组件和辅助设备选型的功能细节。
• 使用燃料电池和电解器模型对氢的生成和电力输出进行经济可行性分析。

Simscape™ 和 Simscape Electrical™ 提供了用于仿真燃料电池的模型库。工程师可以使用这些模型来开发燃料电池控制系统，并将燃料电池作为电气系统中的电力源来分析。与 Simulink^® 结合使用，这些模型可支持包括闭环设计和控制逻辑在内的电动汽车燃料电池控制系统开发。工程师可以从这些燃料电池模型中生成代码，用于验证和生产，同时支持 AUTOSAR 和认证工作流，以实现电流、电压和功率监控以及热管理等功能。

Simscape Electrical 燃料电池模型为想要构建燃料电池堆模型的工程师提供了两种级别的保真度。简化的燃料电池模型提供了标称温度和压力条件下的能斯特电压。更详细的燃料电池模型基于燃油和空气的压力和流速的输入信号输出能斯特电压。这两种模型都能让工程师评估电压-电流特性和热生成。

借助 Simscape，工程师可以量身定制完整的 PEM 燃料电池模型。模型中包括了燃料电池堆和辅助设备组件，如空气压缩机、加湿器、氢气再循环路径、冷却系统和水管理。这种利用电化学反应的燃料电池模型基于第一性原理，可以帮助在组件和系统级别开发 PEM 燃料电池。利用这种级别的燃料电池模型细节，工程师可以对电流、电压、电源监控和热管理等功能进行建模。

作为电气系统的一部分，燃料电池模型提供了个框架，用于通过执行权衡研究提高燃料电池堆效率，改进氢氧利用率，并减少燃油和空气消耗。

如 Powertrain Blockset™ 中所示，PEM 燃料电池模型具有电化学反应、氢气和空气处理以及热管理系统。通过将该燃料电池模型与电池系统和电机相结合，可以对燃料电池虚拟车辆的动力总成进行建模。