[發(fā)明專利]基于三對角矩陣算法的燃料電池高維模型實(shí)時仿真技術(shù)

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• 申請?zhí)枺?/td>: 201811025846.5
• 申請日: 2018-09-04
• 公開（公告）號: CN109145483A
• 公開（公告）日: 2019-01-04
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 周大明;呂梅柏;周保宇;王飛;杜聰斌
• 申請（專利權(quán)）人: 寧夏冰核科技有限公司
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 重慶百潤洪知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 50219
• 代理人: 王龍生

本發(fā)明涉及一種基于三對角矩陣算法的燃料電池高維模型實(shí)時仿真技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對質(zhì)子交換膜燃料電池的高維模型的實(shí)時仿真，該仿真技術(shù)通過建立燃料電池蛇形管道中氣體對流運(yùn)動的三對角矩陣系統(tǒng)；根據(jù)燃料電池蛇形流道幾何特征，建立流體擴(kuò)散運(yùn)動的三對角矩陣系統(tǒng)；推導(dǎo)三對角矩陣數(shù)值算法，將推導(dǎo)算法建立的流體對流運(yùn)動、擴(kuò)散現(xiàn)象數(shù)學(xué)模型以及三對角矩陣系統(tǒng)以C語言的形式寫入實(shí)時仿真器之中，對模型進(jìn)行實(shí)時仿真，得到模型輸出結(jié)果。本發(fā)明通過合理的模型假設(shè)以及先進(jìn)的數(shù)值算法，同時實(shí)現(xiàn)燃料電池物理多維物理模型的高保真度和模型計(jì)算效率。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及實(shí)現(xiàn)對質(zhì)子交換膜燃料電池的高維模型的實(shí)時仿真技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種基于三對角矩陣算法的燃料電池高維模型實(shí)時仿真技術(shù)。

背景技術(shù)

作為氫能轉(zhuǎn)換裝置，燃料電池直接將氫氣中的電化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能。在實(shí)際應(yīng)用中，如何設(shè)計(jì)空氣壓縮機(jī)等外圍輔助控制設(shè)備，使得燃料電池系統(tǒng)性能最佳，成為燃料電池商業(yè)大規(guī)模應(yīng)用的研究重點(diǎn)。在這樣的研究背景下，構(gòu)建一個精確、實(shí)時的質(zhì)子交換膜燃料電池高維物理模型，可以對燃料電池充放電動態(tài)特性進(jìn)行較為準(zhǔn)確的描述，同時對其內(nèi)部高維電化學(xué)域、流體域、熱力學(xué)域的狀態(tài)變量進(jìn)行精確地觀測，進(jìn)而為控制器的設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

與一維模型相比，燃料電池高維物理模型能夠?qū)刂破鞯脑O(shè)計(jì)提供更多的空間量參考信息。然而構(gòu)建燃料電池高維模型需要構(gòu)建更為復(fù)雜的燃料電池幾何結(jié)構(gòu)，同時考慮更多的物理量。目前較為通用的商業(yè)計(jì)算軟件是基于Computational Fluid Dynamics(CFD)軟件的燃料電池模型，該軟件通過求解復(fù)雜的偏微分方程來描述燃料電池內(nèi)部復(fù)雜的多維物理動態(tài)過程，實(shí)現(xiàn)了燃料電池內(nèi)部物理量的高精確觀測。文獻(xiàn)“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”公開了一種基于CFD軟件的質(zhì)子交換膜燃料電池三維模型仿真方法，該模型在考慮了燃料電池流道的層式結(jié)構(gòu)幾何特征情況下，對燃料電池內(nèi)氣體、液體運(yùn)動的二相流模型進(jìn)行了精確模擬，通過該模型可以實(shí)現(xiàn)燃料電池良好的水熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)。但是該燃料電池三維模型的計(jì)算過程需要極大的CPU占用率以及消耗大量的時間。在燃料電池系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)中，控制器的一般要求模型的反饋輸出時間是微秒或毫秒級，而該基于CFD的燃料電池模型的反饋輸出時間為分鐘或小時級。所以該非實(shí)時的燃料電池高維模型無法應(yīng)用在燃料電池系統(tǒng)控制器的設(shè)計(jì)中。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供基于三對角矩陣算法的燃料電池高維模型實(shí)時仿真技術(shù)，以解決上述背景技術(shù)中提出的問題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：基于三對角矩陣算法的燃料電池高維模型實(shí)時仿真技術(shù)，其特征在于，所述方法包括下述步驟：

步驟(1)建立燃料電池蛇形管道中氣體對流運(yùn)動的三對角矩陣系統(tǒng)；

步驟(2)根據(jù)燃料電池蛇形流道幾何特征，建立流體擴(kuò)散運(yùn)動的三對角矩陣系統(tǒng)；

步驟(3)推導(dǎo)三對角矩陣數(shù)值算法，將推導(dǎo)算法建立的流體對流運(yùn)動、擴(kuò)散現(xiàn)象數(shù)學(xué)模型以及三對角矩陣系統(tǒng)以C語言的形式寫入實(shí)時仿真器之中，對模型進(jìn)行實(shí)時仿真，得到模型輸出結(jié)果。

優(yōu)選的是，所述步驟(1)中，在質(zhì)子交換膜燃料電池的蛇形管道內(nèi)，采用Darcy-Weisbach定律對氣體的對流運(yùn)動進(jìn)行描述，那么反應(yīng)氣體的壓力降可以通過Darcy-Weisbach公式(1)來計(jì)算：