1.介紹

電池電動汽車（BEV）的主要限制之一，尤其是那些使用大型電池組達到可觀續航里程的電動汽車，是給電池補充電量的時間。這迫使車輛使用人員在長途旅行時需要長時間停車進行充電。如果是工程裝備，比如叉車或挖掘機，這會使設備待機，直到電池再次充電完畢。將燃料電池集成在電動汽車中，或許可以給我們的清潔出行帶來更好的解決方案。要給車輛充電，你只需要給燃料箱加滿氫燃料。對于乘用車來說，這一操作過程不超過5分鐘，對于長途卡車來說，大約不超過10到15分鐘。例如，豐田聲稱Mirai燃料箱可以在不到5分鐘的時間內加滿氫，滿足650公里的續航。

下面我們使用Simcenter Amesim來比較不同的系統架構，評估燃料電池電動汽車（FCEV）的補氫時間。該模型還可用于預測壓縮氫氣所消耗的能量，并確定用于在壓縮過程中將氣體保持在適當溫度水平的冷卻系統的選型匹配。

2.加氫站系統建模

圖1 系統模型

2.1 儲氫系統

例如使用太陽能電池板和電解槽的組合，加氫站可以在當地生產氫氣。另一種替代方案是使用更大的電解槽系統來生產氫氣，以降低成本。然后可以使用管式拖車運輸到加氫站。我們將在稍后的模型中使用以下預定參數來考慮這種情況：

• 拖車儲氫罐容積: 5 m3
• 初始壓力: 200 bar
• 初始溫度: 20°C

在以上假設條件下，拖車上的氫儲存量大約是76kg

2.2 車載儲氫罐

我們選擇乘用車作為研究對象，我們使用以下參數對儲氫瓶進行分析：

• 儲氫罐體積: 150 L
• 初始壓力: 50 bar
• 最終壓力: 700 bar
• 初始溫度: 20°C

在700bar的壓力下，儲氫罐將存有大約6kg的氫。

2.3 氫氣增壓系統

為了將氫氣從200 bar的加氫車儲氫罐填充到乘用車輛的儲氫罐中，并達到最終目標700bar的壓力。儲氫系統使用2臺容積式壓縮機，并在以下假設條件下并行運行：

• 壓縮機排量: 150 cm3/rev
• 壓縮機轉速: 120 rpm

**2.4 熱管理系統 **

為了確保系統的安全，在增加儲罐中氫氣量的同時，需要避免高溫而損壞車輛儲氫罐內襯，所以在系統中集成了幾個熱交換器。在我們的案例中，我們假設熱集成的交換器需要滿足以下條件：

• 保證壓縮機出口的氫氣經過冷卻后到達30°C
• 在-50°C溫度下，保證上游的加氫罐向乘用車儲氫罐進行氫氣供應

2.5 緩沖罐

為滿足系統需求，低壓、中壓和高壓儲氫罐都被集成在了整個系統中：

• 提高車輛加氫的速度
• 選用較小的壓縮機或降低工作轉速
• 減少加氫過程中的預熱，并降低冷卻系統功率

緩沖罐的設定如下:

• 低壓罐

1. 初始壓力: 380 bar
2. 體積: 500 L

• 中壓罐

1. 初始壓力: 580 bar
2. 體積: 300 L

• 高壓罐

1. 初始壓力: 850 bar
2. 體積: 300 L

2.6 控制

為保證集成系統的穩定運行，基于狀態機開發了專門的控制策略。各個控制狀態間的切換，主要由系統不同位置的氫氣壓力決定。

大致來說，當車輛儲氫罐連接到加氫系統時，相應的閥門打開。以平穩地平衡車輛儲氫系統和加氫系統之間的壓力。之后，可以啟動壓縮機或者使用緩沖罐。

圖5 閥門和壓縮機的控制模塊

2.7 氫氣模型

在整個系統中，使用真實的氣體模型（Peng-Robinson）預測氫氣的流量、壓力、溫度和熱力學性質。

3.方案分析

3.1 加注系統不使用緩沖罐功能

使用我們的系統模型，我們可以模擬使用來自加氫拖車儲氫罐和2臺壓縮機的氫氣來進行氫氣加注的過程。在此過程中，緩沖罐的閥門一直處于關閉狀態。一旦車輛儲氫罐壓力達到預期壓力（700 bar），仿真將停止。

我們首先使用Simcenter Amesim的草圖動態展示功能來對整個過程進行分析。草圖動畫可以在模型草圖上，可視化整個工況中系統不同部分壓力或溫度的動態演變（圖6和圖7）。

圖6 系統溫度動態展示

圖7 系統壓力動態展示

深入分析模擬結果，我們還可以發現：

• 車輛的加注所用時間是8分鐘40秒 (圖8)

圖8 儲氫罐的壓力和氫氣質量變化

• 兩臺壓縮機消耗的最大功率大約17.3kW，這些壓縮機消耗的能量接近1.1kW.h (圖9).

圖9 壓縮機功率和能量消耗

當集成在車輛儲氫罐上游的熱交換器必須具備26 kW的散熱能力，集成在壓縮機下游的2個熱交換器必須具備相當于6.4 kW散熱能力（圖10）。

圖10 熱交換器換熱功率

通過以上的結果，我們可以知道FCEV在8分鐘左右可以完成氫氣加注。這已經比純電動汽車的電池充電快得多。然而，這并不是真正令人滿意的。因為其目的是能夠在不到5分鐘的時間內完成氫氣的加注。

為實現以上目標，可能的方案有：

• 例如，我們可以修改我們的模型，并分析帶有4臺壓縮機和自己的熱交換器的系統是否能夠滿足要求。但這種方案意味著一個更復雜、更昂貴的系統。
• 通過該模型的分析，得到將壓縮機排量增加到320 cm3/rev也可以在不到5分鐘的時間內完成氫氣加注。但是，我們仍然需要使用更大的熱交換器（14kW）來帶走更多的熱量，而更大的壓縮機和熱交換器將更昂貴，并且肯定會產生更多的噪音。
• 另外一種方案就是使用緩沖罐。這將是我們下面將要研究的方案。

3.2 加注系統使用緩沖罐功能

使用與之前相同的系統模型，我將通過電磁閥的控制來實現緩沖罐的集成使用。

一旦車輛儲氫罐壓力接近加氫車系統壓力（200 bar），控制策略將打開連接到低壓緩沖罐（380 bar）的閥。一旦車輛儲氫罐壓力與該緩沖罐中的一個緩沖罐壓力平衡，閥再次關閉，并且切換到中壓緩沖罐（580bar）的閥打開。最后，當車輛儲氫罐的壓力與中壓緩沖罐的壓力平衡時，閥再次關閉，高壓罐（850bar）的閥打開。

當車輛儲氫罐在700bar下充滿時，壓縮機氣動。最終將緩沖罐壓力重新建立在其初始水平。

圖11 系統溫度動態變化

再次，我們可以使用草圖動畫來可視化整個工況中系統不同部分壓力或溫度的動態變化（圖11）。

我們還可以確定，使用緩沖罐，該系統現在能夠以低于五分鐘的速度完成車輛的氫氣加注。因此，目標實現了：FCEV像傳統汽油車一樣在短時間內進行高效的燃料加注！然后，該系統使用另外三分鐘將緩沖罐中的氫氣重新補充至其初始狀態。

圖12: 系統溫度變化

然而，我們可以注意到，作為這種情況的缺點，壓縮機現在需要更多的功率（高達20kW）和能量（1.5kWh）。這主要可以解釋為需要在高壓緩沖罐中將氫氣壓縮至830 bar（圖13）。

圖13 使用緩沖罐壓縮功率和能耗

另一方面，幾乎不會對冷卻系統的選型產生影響，因為需要傳遞的最大熱功率非常相似（圖14）。

圖14 使用緩沖罐的熱交換器功率

4. 結論

Simcenter Amesim的系統仿真有助加氫站的系統設計。通過快速的模擬時間（使用標準筆記本電腦，上述模擬的CPU時間小于1秒），可以輕松快速地評估關于系統架構、子系統匹配或控制策略等不同技術解決方案。使用先進的后處理工具，還可以很容易地分析模擬結果和加油站的物理行為，特別是關于不同位置氫氣流量、壓力和溫度的動態演變。因此，這確實有助于系統的優化設計，使其能夠盡快重新填充車輛油箱，同時也可以控制氫氣溫度、氣體壓縮和熱管理所消耗的功率。