基于Matlab/Simulink燃料电池系统数字孪生模型开发
张依民梁满志
摘要：文章主要用了Matlab/Simulink软件对PEM燃料电池系统进行数字孪生模型开发，并且采用半机理半经验的模型搭建方法，将PEM燃料电池系统中的重要辅助子系统：电堆、空气供给系统与冷却系统等模型的搭建过程详尽的讲解。
关键词：PEM燃料电池系统数字孪生模型电堆模型空气子系统模型冷却系统模型系统建模
TheDevelopmentofDigitalTwinBasedontheMatlab/SimulinkFuelCellSystem
ZhangYiminLiangManzhi
Abstract：ThispapermainlyusesMatlab/SimulinksoftwaretodevelopadigitaltwinmodelofPEMfuelcellsystem，andadoptsthesemi-mechanismandsemi-empiricalmodelconstructionmethodtoexplainindetailtheconstructionprocessoftheimportantauxiliarysubsystemsofthePEMfuelcellsystem：stack，airsupplysystemandcoolingsystem.
Keywords：PEMfuelcellsystem，digitaltwinmodelm，stackmodel，airsubsystemmodel，coolingsystemmodel，systemmodeling
PEM燃料电池具有许多可圈可点的优点，例如：运行时电池温度低、能效高、启动快、无污染，但是对中型和大型的燃料电池系统来说，它们的内部组成、系统的内部结构和所需的运行条件也都还较为复杂，这样使其维修拆卸与故障寻找相对困难，所以对于PEM燃料电池还有着非常大的发展前景。那么想要实现对PEM燃料电池系统的优化控制、实时的可视化监控、故障诊断以及综合管理，就不得不提到近年来在各个领域大方光彩的数字孪生技术。
数字孪生是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程[1]。通俗来说就是：数字孪生就是在一台设备上或者一个系统的基础上，创建一个与现实对象一样的数字版的对象，这样现实对象与数字世界对象就好比为亲生的“孪生兄弟”一样，并且他们一模一样并且实时同步，甚至数字世界里面的对象比现实中的对象可以更快的预测未来发生什么并提前告诉你将要怎么样去应对。所以数字孪生连接起了物理与信息数字世界，并且它有着可视化、高校分析、数据实时跟踪以及预测未来的众多应用价值。本文就是采用半机理半经验的方法对PEM燃料电池系统进行详细数字孪生模型开发建模。
2电堆的模型建立
2.1电堆电压模型建模
燃料电池系统的核心是电堆，而电堆的核心是电压。所以结合燃料电池电堆的欧姆极性损失、浓差极化损失、活化极性损失，并且根据现在已有的PEMFC输出特性经验公式，可以获得燃料电池单个的输出电压：
式中，—能斯特开路电压，可以用下列公式表示：
式中，为燃料电池温度（K）；为氢气分压和氧气分压。
能斯特开路电压模型模型搭建方法正如上面1.1中的（1-2）公式表達
欧姆极化损失是因为电解质中的质子与导电元件中电子的阻抗而诱发的，其公式可表达为：
式中，为内部电阻，单位为为质子交换膜的厚度；为传导率；为质子交换膜含水量；，为经验常数分别为：0.005139、0.00326、1268。
浓差损失是由于燃料在发生反应时消耗导致了浓度发生了变化而产生的。这些损耗也是高电流密度下电压下降迅速的原因。
浓差极化损失电压（）表达如下：
式中，B为经验常数；是燃料电池运作时电流密度最大值（mA/cm2）；为燃料电池运作时的电流密度（mA/cm2），参数是导致电压急剧下降时的电流密度。
活化极性损失是克服催化表面上电化学反应所需的活化能而产生的过电势，它在低电流密度的电损失里起到了主导作用，可由Butler-Volmer方程推导得到[2]：
式中，其中为电流密度为零时的压力损失，和为常数。活化极性损失与电堆温度及氧气分压有关。
将上述所以电压损失集合起来，所以电池工作电压表示为：
而电堆通常时由多个或几十个电池串联而成，为此燃料电池电堆电压表示为：
根据（1-6）（1-7）公式以及上述的模型，可以搭建出电堆电压模型。
2.2阴极流量建模
阴极模型可以描述出燃料电