[发明专利]基于三对角矩阵算法的燃料电池高维模型实时仿真技术

说明书

本发明涉及一种基于三对角矩阵算法的燃料电池高维模型实时仿真技术，实现对质子交换膜燃料电池的高维模型的实时仿真，该仿真技术通过建立燃料电池蛇形管道中气体对流运动的三对角矩阵系统；根据燃料电池蛇形流道几何特征，建立流体扩散运动的三对角矩阵系统；推导三对角矩阵数值算法，将推导算法建立的流体对流运动、扩散现象数学模型以及三对角矩阵系统以C语言的形式写入实时仿真器之中，对模型进行实时仿真，得到模型输出结果。本发明通过合理的模型假设以及先进的数值算法，同时实现燃料电池物理多维物理模型的高保真度和模型计算效率。

技术领域

本发明涉及实现对质子交换膜燃料电池的高维模型的实时仿真技术领域，具体为一种基于三对角矩阵算法的燃料电池高维模型实时仿真技术。

背景技术

作为氢能转换装置，燃料电池直接将氢气中的电化学能转换成电能。在实际应用中，如何设计空气压缩机等外围辅助控制设备，使得燃料电池系统性能最佳，成为燃料电池商业大规模应用的研究重点。在这样的研究背景下，构建一个精确、实时的质子交换膜燃料电池高维物理模型，可以对燃料电池充放电动态特性进行较为准确的描述，同时对其内部高维电化学域、流体域、热力学域的状态变量进行精确地观测，进而为控制器的设计提供参考依据。

与一维模型相比，燃料电池高维物理模型能够对控制器的设计提供更多的空间量参考信息。然而构建燃料电池高维模型需要构建更为复杂的燃料电池几何结构，同时考虑更多的物理量。目前较为通用的商业计算软件是基于Computational Fluid Dynamics(CFD)软件的燃料电池模型，该软件通过求解复杂的偏微分方程来描述燃料电池内部复杂的多维物理动态过程，实现了燃料电池内部物理量的高精确观测。文献“Modeling two-phase flow in three-dimensional complex flow-fields of proton exchangemembrane fuel cells，Journal of Power Source,vol.365,pp.419-429,2017”公开了一种基于CFD软件的质子交换膜燃料电池三维模型仿真方法，该模型在考虑了燃料电池流道的层式结构几何特征情况下，对燃料电池内气体、液体运动的二相流模型进行了精确模拟，通过该模型可以实现燃料电池良好的水热管理系统设计。但是该燃料电池三维模型的计算过程需要极大的CPU占用率以及消耗大量的时间。在燃料电池系统控制器设计中，控制器的一般要求模型的反馈输出时间是微秒或毫秒级，而该基于CFD的燃料电池模型的反馈输出时间为分钟或小时级。所以该非实时的燃料电池高维模型无法应用在燃料电池系统控制器的设计中。

发明内容

本发明的目的在于提供基于三对角矩阵算法的燃料电池高维模型实时仿真技术，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：基于三对角矩阵算法的燃料电池高维模型实时仿真技术，其特征在于，所述方法包括下述步骤：

步骤(1)建立燃料电池蛇形管道中气体对流运动的三对角矩阵系统；

步骤(2)根据燃料电池蛇形流道几何特征，建立流体扩散运动的三对角矩阵系统；

步骤(3)推导三对角矩阵数值算法，将推导算法建立的流体对流运动、扩散现象数学模型以及三对角矩阵系统以C语言的形式写入实时仿真器之中，对模型进行实时仿真，得到模型输出结果。

优选的是，所述步骤(1)中，在质子交换膜燃料电池的蛇形管道内，采用Darcy-Weisbach定律对气体的对流运动进行描述，那么反应气体的压力降可以通过Darcy-Weisbach公式(1)来计算：