基于Matlab/Simulink的氢气充注动态仿真
正文共： 1179字 14图 预计阅读时间： 3分钟
1 前言
作为新能源电池汽车的重要组成部分， 氢燃料电池汽车得到了空前发展， 这对氢气储存提出了更高的要求。当前的车用储氢气瓶分为4个类型，包括Ⅰ型( 全金属气瓶) 、Ⅱ型( 金属内胆纤维环向缠绕气瓶) 、Ⅲ型( 金属内胆纤维全缠绕气瓶) 及Ⅳ型( 非金属内胆纤维全缠绕气瓶)。其中， 在燃料电池汽车中最常见的是利用 III 型和 IV 型气瓶进行高压气态储氢[1]。
高压储氢罐充注过程中的热量传递分析是储氢罐研究的关键之一，初始状态，充注速率，传热系数等都会影响充注性能表现[2]。今天，我们基于参考文献[2]在matlab/Simulink平台搭建氢气充注的动态仿真模型，获得充注过程中的温度、压力、质量变化规律。
2 模型搭建
下图为氢气充注过程中的换热示意，氢气由入口充注到罐内，引起罐内温度上升，质量增加，罐内氢气与罐本体进行热交换，罐体外表面与环境进行热交换。
充注过程可以用以下数学模型来描述
罐内氢气质量平衡方程：罐内氢气的质量变化速率等于充注速率。
罐内氢气能量平衡方程：罐内氢气的内能变化与充注的氢气内能以及氢气与罐体热交换之和平衡
罐体能量平衡方程：罐体内能的变化与氢气的热交换及环境的热交换之和平衡。
气体状态方程：Redlich-Kwong真实气体状态方程，注意方程中下标c表示临界值。
本文研究的储氢罐为40L碳纤维缠绕罐，内表面积0.638m2，外表面0.737m2，罐内表面传热系数αin=100W/(m2K)，外表面传热系数αout=6W/(m2K)，环境温度290K，充注温度294K，初始温度274K，初始压力2MPa（初始氢气质量0.0657kg），罐体比热Cw=900(J/kg/K)，罐体质量41.5kg。充注速率0.0057kg/s。需要注意的是本案例的氢气比热假定为定值，实际上温度和压力决定了比热，读者可以根据相关的模型进行修正就可以。
根据上述方程在Matlab/simulink搭建仿真模型。
质量平衡模型：
罐内氢气能量平衡模型：
罐体能量平衡模型：
气体状态模型：
该动态仿真模型在使用时只需输入以上已知条件、初始条件即可启动仿真。本次仿真，氢气充注时间250s。
3 仿真结果
罐内氢气质量变化曲线如下图
罐内氢气温度变化曲线如下图（图2的黑点线为实际测量曲线）
罐内氢气压力变化曲线如下图（图2的黑点线为实际测量曲线）
参考文献
[1] 龚嶷, 等. 基于氢气充放试验及数值模拟的储氢气瓶安全评价[J],2021.
[2] Li Wang, et al. Heat transfer analysis for fast filling of on-board hydrogen tank[J], 2019.
模型文件和参考文献下载地址如下：注意需要在64位matlab2014Rb以上的平台才可以打开。
