前言

近兩年隨著燃料電池研究的不斷深入，以燃料電池－鋰電池為推進系統的構造模型，逐漸從原先的理論研究過渡到實證階段。相比較動力電池，燃料電池在輕量化，長航時及低溫特性等方面具備明顯的優勢，同時可解決動力電池充電慢的問題。因此近兩年來，盡管新能源純電動車得到了飛速的發展，但依然局限在乘用車領域，而無法廣泛地應用于重型卡車，長途客車，船舶及有軌電車等對續航里程和載荷重量有更高需求的領域。

燃料電池作為一種特殊類型的電池，其放電特性與鋰電池也大為不同。因此要加快普及燃料電池的應用，除了解決氫氣存儲及運輸等方面的問題，工程師還需要在實驗室建立以燃料電池為主要動力源的系統模型，通過研究和仿真燃料電池的特性，驗證燃料電池動力系統的穩定性和可靠性。ITECH的FCS3000專用燃料電池模擬軟件正是為協助工程師建立燃料電池系統模型而推出的產品。

測試設備：FCS3000專用燃料電池模擬軟件

應用案例：燃料電池推進系統的能源分配策略

一

燃料電池工作原理及輸出極化特性

01

燃料電池的工作原理

燃料電池的基本原理，簡單來說就是電解水的逆反應。把氫氣和氧氣分別供給陽極和陰極，氫通過Pt催化劑生成氫離子，失去的電子通過外電路到達陰極，產生電能；與此同時，陽極側的氫離子通過質子交換膜到達陰極與氧氣反應生成水。看似簡單的原理，實現整個燃料電池系統的工作卻并不是那么簡單，需要配套氫氣罐、空壓機，加濕器和水泵裝置，這也意味著增加了工程師在實驗室搭建氫燃料電池動力系統的復雜度。

02

燃料電池極化特性

真實的燃料電池堆在實際工作中，其輸出電壓受到外部行駛工況的影響，當工況電流發生變化時，燃料電池堆的輸出電壓會逐漸減小，而非保持恒定的輸出。燃料電池極化特性曲 線包含三段，分別是電化學極化區，歐姆極化區及濃度差極化區。電化學極化區是由于燃料電池內部活化反應導致的電壓損耗；當實際拉載時，隨著拉載電流的不同，電壓會趨近與線性規律的減小；而當拉載電流大到一定值時，氫氣和氧氣供應不及時，引起內部濃度差的變化，電壓急劇跌落。電壓的跌落有可能會引起后級DC－DC升壓模塊的工作異常。

綜上，利用燃料電池仿真平臺替代真實的燃料電池，對工程師研究燃料電池動力系統具備重要的意義。

二

何為燃料電池動力系統？

典型的燃料電池動力系統，主要由燃料電池堆，氫氣罐，燃料電池DC－DC升壓模塊，鋰電池包以及能源分配控制單元構成。在船舶或車輛啟動階段，燃料電池處于熱機準備狀態，由鋰電池包提供能量驅動電機；正常行駛中燃料電池為電機提供能量以及給電池包充電；加速過程中，燃料電池和鋰電池包共同為電機提供能量；制動過程中，回收的能量存儲于動力電池中。

看似簡單的工作邏輯，對于研究能源管理分配的工程師卻尤為復雜，算法工程師需要研究多種工況下的能量分配算法。例如在車輛加速行駛的情況下，假設電機需要80kW的總功率，那么當鋰電池包分別處于滿電量或低電量狀態時，如何分配鋰電池和燃料電池系統之間的輸出功率才能達到最佳的性能？其次當加速前進時，通過燃料電池極化特性曲線可知，隨著拉載電流的增大，燃料電池堆的輸出電壓會發生明顯跌落，進而影響到后級DC－DC升壓模塊的正常工作。

對于如此復雜的研究，使用真實的燃料電池或鋰電池包測試，不僅存在測試效率低、可控性差等問題，同時工程師還需要準備儲氫罐以及空壓機等額外的裝置，才能讓燃料電池正常工作。不斷消耗的氫氣也增加了測試成本，并降低了燃料電池的壽命。

三

利用FCS3000建立燃料電池系統模擬方案，簡化工程師的測試

FCS3000是ITECH為解決燃料電池動力系統研究而專門開發的一款專用燃料電池仿真軟件。FCS3000搭載IT6000C／IT6000B系列電源，功率最高可達1152kW。用戶可通過．csv文件導入方式仿真燃料電池極化曲線，最多可導入4096點。

實驗中，FCS3000燃料電池模擬軟件將控制硬件單元按照外部拉載電流自動調整輸出電壓，并實時記錄燃料電池系統電壓，電流及功率等參數，為工程師研究燃料電池動力系統平臺提供可靠的實驗數據。與FCS3000同系列的BSS2000 Pro電池模擬軟件，可以仿真多種類型電池的特性曲線（磷酸鐵鋰，三元鋰，鋰電池，鉛酸電池…），工程師可以設定不同的初始容量，對燃料電池－鋰電池混合動力系統的能源管理策略的研究起到重要作用。