(19)中华 人民共和国 国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111627091.8 (22)申请日 2021.12.28 (71)申请人 新源动力股份有限公司 地址 116000 辽宁省大连市高新园区黄浦 路907号 (72)发明人 赵洋洋　许有伟　吕平　徐家慧　 陈敏　安勇攀　 (74)专利代理 机构 大连东方专利代理有限责任 公司 21212 代理人 姜玉蓉　李洪福 (51)Int.Cl. H01M 8/04298(2016.01) H01M 8/04992(2016.01) G06F 30/20(2020.01) G06F 119/08(2020.01)G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 采用虚拟电堆模型集成的燃料电池氢气系 统的建模方法 (57)摘要 本发明提供一种采用虚拟电堆模型集成的 燃料电池氢气系统的建模方法， 包括： 提供高压 氢气的氢气源模型、 虚拟电堆模型、 氢气引射器 模型、 气液分离器模型、 PID压力调节器1模型、 PID温度调节器2模型， 以及连接模型的管路模 型。 虚拟电堆模型设置有消耗氢气模块、 生成水 模块以及反应腔室， 分别调节虚拟电堆对氢气的 消耗量以及水的生成量。 氢气引射器模型设置在 高压入口、 低压入口及低压出口分别设置有 连接 氢气源模型的接口1、 连接气液分离器模型的接 口2以及连接虚拟电堆模 型的接口3。 本发明对采 用虚拟电堆模型集成的燃料电池氢气系统进行 建模， 充分考虑了电堆对氢气 的消耗、 对水的生 成， 可以提高仿真效率， 缩短产品开发周期， 规避 试验的安全性问题。 权利要求书2页 说明书6页 附图4页 CN 114388853 A 2022.04.22 CN 114388853 A 1.采用虚拟电堆模型集成的燃料电池氢气系统 的建模方法， 其特征在于， 包括： 提供高 压氢气的氢气源模型、 虚拟电堆模型、 氢气引射器模型、 气液分离器模型、 PID压力调节器1 模型、 PID温度调节器2模型， 以及连接上述模型的管路模型； 所述氢气引射器模型设置在高压入口、 低压入口及低压出口分别设置有连接所述氢气 源模型的接口1、 连接所述气液分离器模型的接口2以及连接所述虚拟电堆模型的接口3 。 2.根据权利要求1所述的采用虚拟电堆模型集成的燃料电池氢气系统的建模方法， 其 特征在于， 通过调节所述PID 压力调节器1模 型进而调节所述氢气引射器模型出口的氢气 压 力。 3.根据权利要求1所述的采用虚拟电堆模型集成的燃料电池氢气系统的建模方法， 其 特征在于， 通过调节所述PID温度调节器2模型进而调节所述虚拟电堆模型的进堆氢气温 度。 4.根据权利要求1所述的采用虚拟电堆模型集成的燃料电池氢气系统的建模方法， 其 特征在于， 所述气液分离器模型通过 液位判断装置控制排液阀的开闭。 5.根据权利要求1所述的采用虚拟电堆模型集成的燃料电池氢气系统的建模方法， 其 特征在于， 所述氢气源模型还包含： 气瓶子模型、 一级减压阀子模型、 二级减压阀子模型以 及用于快速调节阀口压力的电磁阀子模型； 所述一级减压阀模型与所述二级减压阀串联连 接， 氢气流过所述一级减压阀子模型及所述二级减压阀子模型， 经 由所述电磁阀模型通向 所述氢气引射器。 6.根据权利要求5所述的采用虚拟电堆模型集成的燃料电池氢气系统的建模方法， 其 特征在于， 所述气瓶子模型包括： 氢气源压力、 氢气源温度以及氢气源体积； 所述一级减压阀子模型及所述二级减压阀子模型作为压力调节 组件， 模型特征满足进 出口压力降以下关系式： Δp＝pset‑p1； area＝xv·Amax； 其中， xv表示开度； pset表示减压阀最小开度时的阀后压力； pmax表示减压阀最大开度时 的阀后压力； area表示减压阀流 通面积； p1表示减压阀实际工作时的阀后压力。 7.根据权利要求5所述的采用虚拟电堆模型集成的燃料电池氢气系统的建模方法， 其 特征在于， 所述电磁阀子模型通过以下 特征方程进行描述： dmp＝g(xv·area)； dhp＝f(xv·area)； 所述氢气引射器模型包含： 高压入口、 低压入口以及一个出口； 所述氢气引射器模型表 示为： dm1＝‑dm2‑dm3； dm1h1＝‑dm2h2‑dm3h3； 权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 114388853 A 2其中， m1、 m2、 m3分别表示引射器出口流量、 高压入口流量、 低压入口流量； h1、 h2、 h3分别 表示引射器出口焓值、 高压入口焓值、 低压入口焓值； μ、 N是 无量纲系数； η是引射器效率。 8.根据权利要求1或3任意一项所述的采用虚拟电堆模型集成的燃料电池氢气系统的 建模方法， 其特 征在于， 所述虚拟电堆模型还具有： 消耗氢气模块、 生成水模块以及 反应腔室； 所述消耗氢气模 块、 生成水模块分别调节 虚拟电堆对氢气的消耗 量以及水的生成量； 所述消耗氢气模块与所述 生成水模块， 均是质量的增减， 满足以下关系式： 其中， 表示单位腔体内物质质量的生成量； 表示单位 腔体内物质流进流出的净流出量； R(t)表示单位腔体内物质 质量随时间的变化。 9.根据权利要求2或3任意一项所述的采用虚拟电堆模型集成的燃料电池氢气系统的 建模方法， 其特 征在于， 所述PID调节器子模型为： 其中， v表示调节器输入量； u表示调节器输出量； K表示增益 量； p、 i、 d均表示调节因子 。 10.根据权利要求1或4任意一项所述的采用虚拟电堆模型集成的燃料电池氢气系统的 建模方法， 其特 征在于， 所述气液分离器模型还包含： 将氢气中的水蒸气按照指定的工况进行冷凝的湿气冷凝 子模型以及根据实际工况设置排液规则判断液位高低以及对排液进行开关操作的排液判 断子模型； 所述湿气冷凝子模型包含从汽态水到液态水的质量转换以及向外界的热量传递， 满足 以下关系式： q＝hlg+cp·(Tsat‑Twall)； 其中， V表示腔室容积； Rwv表示水蒸气 理想气体常数； T表示湿空气温度； pwv表示水蒸气 分压； psat表示湿空气温度下的饱和压力； t 表示均质冷凝时间常数； 其中， hlg表示潜热； cp表示热容； 所述排液判断子模型通过 是非模块与热力开关阀门模块的协调作用实现判断功能： 其中， k表示 排液开或关； x表示实际液位； y表示设置液位。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 114388853 A 3