Vehicles PEMFC Power System Mathematical Model for Integrated Design

In this paper, the mathematical dynamical model of a PEMFC （proton exchange membrane fuel cells） stack, integrated with an automotive synchronous electrical power drive, developed in Matlab environment, is shown. Lots of simulations have been executed in many load conditions. In this paper, the load conditions regarding an electrical vehicle for disabled people is reported. The innovation in this field concerns the integration, in the PEMFC stack mathematical dynamic model, of a synchronous electrical power drive for automotive purposes. Goal of the simulator design has been to create an useful tool which is able to evaluate the behaviour of the whole system so as to optimize the components choose. As regards the simulations with a synchronous electrical power drive, the complete mathematical model allows to evaluate the PEMFC stack performances and electrochemical efficiency.

A Mathematic Model of Gas-diffusion Electrodes in Contact with Liquid Electrolytes

A mathematic model is developed which is applied to analyze the main factors that affect electrode performance and to account for the process of reaction and mass transfer in gas-diffusion electrodes in contact with liquid electrolytes. Electrochemical Thiele modulus φ^2 and electrochemical effectiveness factor η are introduced to elucidate the effects of diffusion on electrochemical reaction and utilization of the gas-diffusion electrode. Profile of the reactant along axial direction is discussed, dependence of electrode potential V on current density J, are predicated by means of the newly developed mathematical model.

Mathematical modeling of fuel cells fed with an electrically rechargeable liquid fuel

Lately,utilizing a novel electrically rechargeable liquid fuel(e-fuel),a fuel cell has been designed and fabricated,which is demonstrated to achieve a much better performance than alcoholic liquid fuel cells do.However,its current performance,which thus hampers its wide application,demands further improvement to meet up with industrial requirement.Therefore,to attain a better performance for this system,an in-depth understanding of the complex physical and chemical processes within this fuel cell is essential.To this end,in this work,a two-dimensional transient model has been developed to gain an extensive knowledge of a passive e-fuel cell and analyze the major factors limiting its performance.The effects of various structural parameters and operating conditions are studied to identify the underlying performance-limiting factors,where deficient mass transport is found to be one of the major causes.The increment of anode porosity and thickness are found to be effective methods of improving the cell performance.This study therefore provides insights on achieving further per-formance advancement of the fuel cell in the future.

干法后处理熔盐电解精炼过程数学模型研究

熔盐电解精炼是乏燃料干法后处理的核心工艺单元,通过数学模型探索高温熔盐电解精炼过程的化学与电化学变化,可为电解精炼工艺优化和设备设计提供参考依据。本文基于电化学热力学及物质传递公式建立了乏燃料熔盐电解精炼过程的数学模型,以铀钚锆三元合金燃料为研究对象,计算了燃料中关键元素的电极电势、分电流及物料分布随时间的变化。采用向后差分法对物料分布变化方程进行离散,通过文献实验数据对建立的数学模型进行了准确性验证。结果表明,模拟计算所得阴极沉积铀产品与实验数据的相对误差为2.80%,所建数学模型具有较好的拟合性。同时采用所建模型模拟计算了电流强度对乏燃料电解精炼过程的影响,结果表明电解速率与电流强度呈正比,不改变钚铀锆的溶解和沉积顺序。

数字先导燃油计量滑阀无模型滑模控制研究

为提高传统电液伺服阀先导驱动燃油计量滑阀结构的可靠性与动态性能,提出一种数字阀阵列和节流孔组合先导驱动燃油计量滑阀的新构型。在深入分析燃油计量滑阀工作原理基础上,搭建其非线性数学模型,并基于滑阀位移实测数据对数字阀的流量系数进行辨识。不同占空比脉宽调制(PWM)信号下的阀芯位移仿真与实验结果基本一致,验证了模型的准确性,同时揭示了阀芯位移的振荡规律。幅频特性测试结果表明,该燃油计量滑阀在跟踪±50%全行程时的-3 dB幅频宽达到16.5 Hz。进一步地,提出一种不依赖于对象模型的无模型滑模控制算法,结果表明,在跟踪轨迹x=4.5sin(2πt)时,与PID控制相比,无模型滑模控制器的最大误差、平均误差以及误差的标差分别减少45.1%,15.4%,23.3%。

超磁致伸缩驱动高压共轨式喷油器的结构设计及喷油特性分析

针对现有喷油器存在的喷油速率低、喷油脉宽大、响应速率慢的问题,提出了一种超磁致伸缩驱动高压共轨式喷油器的设计方案。简述了该高压共轨式喷油器的整体设计及工作原理,并且在Jiles-Atherton磁滞模型和液压传动理论基础上建立数学模型;采用COMSOL建立了驱动部分仿真模型,并进行输出位移和应力特性分析,采用AMESim建立了喷油器整体模型,并进行喷油速率分析;搭建试验平台,验证了超磁致伸缩驱动高压共轨式喷油器设计方案的有效性。结果显示:当线圈电流为3.6 A时,超磁致伸缩棒的最大输出位移可达52μm;在160 MPa的压力下喷油最低脉宽从1 ms降低到0.15 ms,并且无论脉宽长短,其脉宽-喷油量均具有良好的线性度。结果表明,提出的设计方案可行,为研制出一种高性能的高压共轨式喷油器奠定了理论和技术基础。

Efficiency Improvement of PEM Fuel Cells via Humidity Control

PEM （Proton Exchange Membrane） fuel cell is a promising renewable energy source to a wide range of applications for its clean products and high power density. However, controlling its humidity is a challenging problem due to the interdependence of several phenomena contributing in membrane＇s water content. This work deals with efficiency improvement of PEM fuel cells via humidity control. An innovative strategy of control based on the model of Ref. [1] is proposed. It consists on regulating gas humidification rates according to the power demand so that to minimize power losses. The proposed control takes into consideration constraints related to humidification in order to avoid dry out or flooding of the membrane. Simulations results show that time-phasing between hydrogen and oxygen humidification rates plays an important role in minimizing power losses. The proposed control shows significant improvement in the fuel cell＇s efficiency up to 20%.

Economic Dispatch with Multiple Fuel Options Using CCF

This paper presents an efficient analytical approach using Composite Cost Function (CCF) for solving the Economic Dispatch problem with Multiple Fuel Options (EDMFO). The solution methodology comprises two stages. Firstly, the CCF of the plant is developed and the most economical fuel of each set can be easily identified for any load demand. In the next stage, for the selected fuels, CCF is evaluated and the optimal scheduling is obtained. The Proposed Method (PM) has been tested on the standard ten-generation set system;each set consists of two or three fuel options. The total fuel cost obtained by the PM is compared with earlier reports in order to validate its effectiveness. The comparison clears that this approach is a promising alterna-tive for solving EDMFO problems in practical power system.

考虑温度和燃油稀释的柴油机润滑油黏度模型研究

随着柴油机高喷油压力和燃油后喷技术的应用,润滑油受燃油稀释的问题愈发严重,同时温度对燃油黏度有显著影响,建立考虑温度和燃油稀释的黏度模型,对润滑油性能研究和柴油机摩擦副模拟计算具有重要意义。以柴油机用美孚15W-40润滑油为例,通过试验分别测定了未混入燃油的原15W-40润滑油和混入燃油体积分数为3%,6%,9%,12%,15%的15W-40润滑油在20~180℃之间的黏度变化。构建了考虑燃油体积分数的Vogel方程、Andrade方程及Reynolds方程,并比较了其拟合效果。构建了量纲一的稀释黏度比-温度方程,反映了燃油稀释在不同温度下对黏度的影响程度和规律。构建了基于润滑油温度和混合燃料体积分数的反向传播神经网络黏度模型。结果表明:Vogel方程对15W-40润滑油被稀释前后黏温曲线拟合效果最好;所构建的反向传播神经网络黏度模型对15W-40润滑油黏度预测值中90%的误差小于2%,整体误差不超过6%。

基于LIEF的喷雾数值仿真模型验证

为了进一步探索发动机内部的空气燃料混合特性,基于Converge软件的O Rourke湍流扩散模型与Frossling蒸发模型建立了喷雾蒸发的数值仿真模型,并使用复合激光诱导荧光(LIEF)技术对相同工况下定容弹内喷雾的液气两相浓度进行了同步测量,以对仿真进行验证。验证结果表明,仿真中的液相贯穿距与试验吻合较好,证明了仿真模型的正确性。仿真结果在气相部分出现了较明显的偏差,通过对模型方程进行分析得知,这是由于仿真模型所使用的Frossling单液滴蒸发模型无法考虑多组分与多相流情况的传质与传热,并针对如何提高模型精度给出了修正建议。

1~5 kW高温聚合物电解质膜燃料电池堆的理论模拟与组装测试

以大尺寸单电池(有效工作面积为165 cm2)和多片单电池组装而成的电堆为研究对象,通过数值模拟和实验测试相结合的方法探究了单电池数量对高温聚合物电解质膜燃料电池堆输出性能、单池一致性和热管理的影响。模拟结果显示,当电堆的单池数量从10片增加至60片时,平均单池电压从0.6414 V略微降低至0.6404 V,且单池之间电压极差从1.8 mV增加至6.5 mV;单池间的平均工作温度从431.01 K升高至433.90 K,且每单池自身工作温度的极差从6.95 K增加至10.22 K。表明随着电堆单池数量的增加,电堆的平均单池电压呈轻微下降趋势,且单池间电压极差变大,单池电压一致性有所下降,单池间的温差变大,其单池自身的均温一致性也有所降低,电堆热管理难度增加。在模拟结果的指导下分别组装了30、60和120片单池的高温膜燃料电池堆,在氢/空干气、33 A的恒流放电条件下,测得30、60和120片单池电堆的平均单池电压分别为0.6566、0.6548和0.6552 V,单池极差从24 mV增加到59 mV,与模拟结果显示出良好的一致性,验证了模拟结果的有效性。在氢/空干气计量系数为1.5/2.5的操作条件下,展示出了优异的输出性能,三个电堆在80 A电流放电时的输出功率分别达到1.35、2.64和5.28 kW。研究结果可为千瓦级高温聚合物电解质膜燃料电池堆的设计和组装测试提供理论和实践指导。

基于数学模型的燃油加油机容量示值误差校正

燃油加油机是成品油贸易流通过程中的重要计量器具,为保证油品的计量准确,对燃油加油机的检查工作尤为重要。现有的检测方式基本以静态定容技术显示燃油加油机的容量,受检测环境影响会存在一定的显示误差,因此,研究了基于数学模型的燃油加油机容量示值误差校正方法。基于数学模型构建燃油加油机调平模型,选择ARM处理器和传感器以及执行机构进行连接,在数学模型中连接数据传感器和摄像头以及上位机等检测装置,在多个装置的共同作用下完成燃油加油机的容量数据传输和嵌入。以超文本形式校正燃油加油机容量示值,实现方法设计。实验结果表明:以不同的地面坡度和标尺作为测试变量进行燃油加油机容量示值采集,该方法应用后能够保证在2.0 s内实现误差校正,且校正准确率较高,具有应用效果。

基于Aspen Plus建立喷流床煤气化炉模型

Two models that can predict and simulate the performance of entrained bed coal gasifier were established by using the process simulator--Aspen Plus The models are characterized by handling solid materials directly rather than converting them into equivalent conventional components One model uses Aspen built in RGibbs model, and the other uses a user self defined model Both models were verified by the industrial data of three typical entrained bed gasifiers--Texaco, Shell and Destec Finally, the optimal equilibrium temperature ranges of different gasifiers were analyzed and discussed The analysis showed that the optimal equilibrium temperature of slurry feed gasifiers was lower than that of dry coal feed Shell gasifier, and the results of the slurry feed type gasifiers were more sensitive to equilibrium

汽车传动系参数优化设计系统的研究

汽车传动系参数是决定汽车动力性和经济性的关键．以功率损失率和六工况循环使用油耗作为衡量动力性和燃油经济性的两个分目标，建立了汽车动力性和经济性双目标函数下的传动系参数优化模型，并开发了一套优化设计系统．ＳＹ６４０８样车传动系参数优化实例表明，在降低功率损失率的同时，还可以降低六工况试验条件下的累计使用油耗，实现了汽车设计中“确保经济性，提高动力性”的优化目标．

液体冲压发动机控制系统半实物仿真

运用小偏离线性化理论和Willoh方法 ,建立了液体冲压发动机和弹体动态数学模型。动态数学模型在微型计算机上一体化运行 ,形成液体冲压发动机 弹体一体化实时数字仿真器。实时数字仿真器通过输入输出接口与液体冲压发动机的实际控制系统进行联接 ,组成液体冲压发动机、弹体和发动机控制系统半实物仿真系统。对冲压发动机飞行马赫数和控制系统供油量的半实物仿真结果表明 ,系统能满足研制工作的需要。

柴油引燃天然气发动机燃烧过程的研究

对柴油引燃天然气发动机的着火过程、燃烧过程进行研究,提出了相应的数学模型,并进行了试验验证。着火模型的基本框架仍然采用Shell模型,但考虑到CH4 对柴油着火过程的影响,修正了Shell模型。对CH4 的均质燃烧过程,以简单的一步表观反应动力学概念的阿伦纽斯(Arrhenius)公式为基础,综合湍流脉动对化学动力学的影响,提出了一个新的燃烧模型。模拟计算借助了KIVA-3软件,修正的Shell模型和燃烧模型作为独立子程序与KIVA-3进行了耦合。研究表明。

质子交换膜燃料电池的水热管理

对质子交换膜(PEM)燃料电池数学模型分别以一维、两维和三维的形式讨论,得出数学模型应向三维、非等温、两相流动的方向发展,逐步发展电堆模型;将现有的加湿方法分为外部加湿法、内部加湿法、自加湿法、直接加湿膜法和其他加湿法5类,论述了各种加湿方法的原理,并对其优缺点加以评述;介绍了质子交换膜燃料电池冷却系统的一般结构和原理。

质子交换膜燃料电池的数学模型及其仿真研究

燃料电池在分布式发电系统中的作用日益增大,而为弥补单独采用燃料电池所带来的系统动态响应不足等缺点,引入了超级电容这一重要的储能元件。介绍了质子交换膜燃料电池和超级电容的原理,分析了燃料电池的经验和机理两种数学模型,利用MATLAB分别建立了燃料电池两种仿真模型,研究了燃料电池在不同输入条件下的输出特性,并与实际情况作比较分析。仿真结果表明:燃料电池仿真模型与实际情况相吻合,模型输出特性能够快速响应输入的变化且稳定运行,燃料电池输出特性的研究能够合理有效地设计控制器并使其工作在最优状态,作为微电源的一种为微网进一步研究提供了一定的参考价值。

电控喷油器开启过程影响因素分析

以一种电控喷油器的结构为基础 ,分析了喷油器的工作过程 ,并建立了喷油器开启动态过程的数学模型 ,通过数值计算分析了影响喷油器开启过程的主要因素 。

利用燃烧模拟对柴油机燃烧室的优化设计

利用CFD模拟软件FIRE及发动机热力循环模拟软件BOOST对六缸柴油机的工作循环过程及缸内的喷雾与燃烧过程进行了模拟分析,在原型机的仿真计算结果与实验值符合较好的前提下,通过对缸内燃油分布的分析,提出了综合考虑燃烧室形状、涡流比及喷孔配置等多因素的最优配置方法.结果表明,将热力循环模拟和三维燃烧模拟结合起来,既有利于实验验证,又便于对柴油机的缸内工作过程进行深入的分析.