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達索系統 | 利用多物理系統仿真設計燃料電池動力系統
達索系統 :  zaoche168.com   2023年09月12日

綠色出行的挑戰

燃料電池是綠色出行轉型的基石,可廣泛應用在汽車、公交和火車等傳統交通工具。在實現氫燃料電池的研發道路上面臨著一些挑戰。氫燃料電池動力系統的設計,除了氫罐外,還需要單獨的蓄能電池來進行回收和增壓。因此,需要考慮幾個重要問題,為降低電池老化儲能器的尺寸怎么設計?為提高效率工程師應該如何確定儲能器的尺寸?電池的冷卻需求怎么確定?將化學能轉化為電能又需要哪些能力?

 

此外,車輛的研發設計模型通常是面向信號流的控制模型,通常不能充分考慮道路、駕駛條件或懸架設計引起的動態影響。但這些往往也會影響駕駛的舒適性和安全性,如果不納入模型,可能會在后期的物理測試中發現大量問題。模擬各種道路和駕駛條件下的動態行為有助于在產品開發的早期階段識別和解決問題。

 

針對上述研發挑戰,支持多物理系統仿真的一維仿真工具Dymola為這些問題提供了答案??衫孟到y仿真制造不確定性,進行燃料電池的性能分析。

 

一維仿真助力綠色出行

燃料電池設計

 

利用多物理系統仿真設計燃料電池動力系統。

 

01 燃料電池電動汽車建模與仿真

在考慮車輛部件(電機、冷卻系統、變速器等)的情況下,評估燃料電池組在實際運行條件下的性能。為燃料電池堆的優化設計和規范提供指南。

 

應用氫能庫(Hydrogen Library)構建燃料電池模型:

 

1)提供了多種類型的質子交換膜(PEM)可供選擇;

2)適配化學燃料,提供多種氫氣燃料類型(純氫、氫氧混合等);

3)燃料電池回路定義,確認氫儲罐與氧氣供應的架構;

4)燃料電池與蓄電池聯合配置,通過控制策略定義蓄電池/燃料電池應在何時耗電。

 

 

02 仿真運行

分析電源模塊與整車的工作情況。提取氫氣與電池的消耗,分析燃料電池的能量、電壓、電流、速度和加速度等信息,優化燃料電池的設計。主要分析:

 

電池組尺寸、儲罐尺寸,協助組件設計、選型和評估

輔助用電設備對氫氣消耗的影響

氫燃料電池的邊界條件

估算氫氣進料再循環的影響

評估乘客的熱舒適性

制定減緩電池退化的控制方案

研究氫氣供應、空氣供應、電流和控制系統的相互作用,識別敏感控制參數等

 

 

03 優勢&價值

設計基于燃料電池的電動汽車模型實現真實駕駛循環(如,基于WLTP的循環測試)。充分構建氫燃料電池系統行為,包括換料、燃料儲存和運輸等。能夠通過關鍵特性分析,來優化燃料電池在耐用性、油耗、熱管理等方面的設計。

 

打破多領域物理系統集成的噩夢。電動汽車非常復雜,不同部件之間存在依賴關系。使用一維仿真的手段可以在多學科的虛擬樣機上一起作業,并在構建物理樣機之前模擬產品的工作原理,有助于提高溝通效率、降低迭代成本。

 

04 助力電動汽車研發

Dymola助力車輛系統研發,不僅提供燃料電池解決方案,還為汽車研發各個部分提供保障。支持汽車系統研發的模型庫:

 

傳動系統庫(Electrified PowerTrain Library):

氫能庫(Hydrogen Library)

電池庫(Battery Library)

冷卻庫(Cooling Library)

熱流體庫(Thermal System Library)

人體舒適度(Human Comfort Library)

懸架庫(VeSyMA Suspensions Library)

 

Dymola工具中還配備其他豐富的商業化模型庫和樣例,如Multiphysics Fuel Cell Bus(FCEV)[1]模型是結合了詳細的HAVC、燃料電池和蓄電池供電的混合傳動系統、熱管理和車輛動力學模型。

 

 

你了解Dymola嗎?

 

Dymola是基于Modelica系統建模語言的集成建模和仿真環境。

具有豐富多領域模型庫或可利用簡單易懂的Modelica語言開發專屬部件

圖形化界面對模型進行參數配置或與PLM參數對象關聯

通過連接部件快速建立多層級復雜系統模型

強大的仿真引擎以及開箱即用的后處理,可視化和三維展示

獨有的方程符號處理器及數字求解器并可輸出高質量代碼用于基于模型預測控制設計

 

參考文獻

[1] Theodor E, Alessandro P. High-Fidelity Multiphysics FCEV bus study with detailed HVAC, cabin, and Hydrogen Fuel Cell models [C] //DOI: 10.3384/ecp19353

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