Simulink| “双碳”背景下汽车减少碳排放建模与仿真

一、概述

二、模型

三、Simulink模型

四、matlab代码

一、概述

温室气体的过量排放会增强温室效应，造成全球极端气候的出现，严重影响人类的生存与发展，因此，控制温室气体减排已成为当前环保的重点。根据联合国政府间气候变化专门委员会（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）的统计，全球因化石燃料的使用导致的 CO2排放量约为237亿 t/a。为应对全球气候问题，2020年我国提出了“双碳”目标，即我国的 CO2排放力争于2030年前达到峰值，努力争取 2060 年前实现碳中和。“双碳”目标的确定，为工业体系，尤其是CO2排放占比达40%的能源电力行业，带来了深层次的影响，也引导着产业结构的布局与发展。

CCUS是实现碳中和目标的关键技术，该技术预计可以在2050年前提供11亿～27亿t的碳减排量。美国较早地结合碳市场开展了CCUS技术应用，目前有14个正在运行的商业化CCUS项目。CCUS技术中CO2捕集方法主要有：吸收法、吸附法、膜法、低温冷冻法等。捕集到的CO2可以选择封存与利用2种路径：一种是地质封存和固化，或强化石油、天然气等资源的开采；另一种是合成有价值化工品等，如作为饮料、食品添加剂。碳利用和封存的技术路径如图1所示。

图1 CCUS技术路径

随着汽车成为日常生活中不断增长的一部分，空气污染及其对健康的主要影响正成为人们日益关注的问题。根据世界卫生组织的数据，“据估计，全球每年有130万人死于城市室外空气污染。当经历高水平的空气污染时，婴儿，老年人和已经患有呼吸道疾病的人的生活质量会受到严重影响。除了对人类健康的不利影响外，美国环保署指出，汽车排放可能产生的臭氧“也是美国每年数十亿美元农作物产量损失的原因。为了可能挽救数百万人的生命并节省数十亿美元，本文应用过程控制技术来帮助解决汽车冷启动期间空气污染过多的问题。当汽车“冷”或环境温度下启动时，转换器需要一段时间才能达到其熄光温度，即废气中的污染物显着反应以形成较少有害物质的温度。在催化预热期间，有毒污染物以高速率随废气排出。使用加热元件更快地加热催化转换器，以减少进入大气的致命污染物。

二、模型

通过使用Simulink和MatLab 对催化转换器动力学进行了建模。在设计模型时，做了几个简化的假设。首先，假设催化转换器可以建模为CSTR，这使我们能够将转换器的温度视为均匀的，而不是考虑沿其长度的温度变化。我们还简化了反应项，假设反应是一阶的，唯一的反应是在铂催化剂存在下将主要污染物一氧化碳转化为二氧化碳。假设催化剂颗粒和转炉体之间的传导速度快，使得催化剂和转炉体的温度是等效的。从催化转换器到汽车其他部分的热传导被忽略，假设催化转换器中的总传热可以使用近似的整体传热系数UAinside和UAoutside进行建模。最后，假设发送到转换器的电能完全转换为热源Q。通过这些简化，我们确定了瞬态能量和物质平衡，描述了催化转换器温度，TC，现有废气中CO浓度，CCO和退出排气温度TE的变化。平衡显示在等式1、2和3中，其中q是排气流速，V是催化转换器的体积。

<1>（∂T_C）/∂t=1/mCp[UA_inside （T_E-T_C）+UA_outside （T_A-T_C）+Q]

<2>（∂C_CO）/∂t=q/V （C_（CO，0）-C_CO ）-k_0 e^（-E_a/（RT_C ）） C_CO

<3>（∂T_E）/∂t=1/（ρ Cp_CO V）[UA_inside （T_C-T_E ）+Δ H_rxn k_0 [e^（-E_a/（RT_C）） C]_CO V+ρ Cp_CO q（T_F-T_E）]

在 Simulink 中求解微分方程。然后，使用 Simulink 模型进行双重测试，以确定 PI 控制器常量的猜测值，然后对其进行调整以最好地跟踪设定点变化。

三、Simulink模型

运行结果：

四、matlab代码

%% “双碳”背景下电动汽车排放减少碳排放
time  = cstr(1,:);
temp_sp = cstr(3,:);%环境温度
temp_ramp = cstr(2,:);
inlet_flow  = cstr(4,:);
feed_conc = cstr(5,:);
feed_temp = cstr(6,:);
Q_dot = cstr(7,:);%加热元件
%conc = cstr(8,:);
Tcc = cstr(8,:);%催化转化器温度
Conc_CO = cstr(9,:);%一氧化碳浓度
T_exhaust = cstr(10,:);%排气温度......%===输入====
% 环境温度 (K)
Ta = u(1);  % nominal = 300
% 发动机体积流量 (m^3/sec)
q = u(2);   % nominal = 0.025
% 进料浓度 (mol/m^3)
Caf = u(3); % nominal = 0.1
%进料排气温度(K)
Tf = u(4);  % nominal = 400
% 加热元件 (W)
Q = u(5);  % nominal = 1000 W% States (3):
% 催化转化器中的温度 (CSTR) (K)
Tc = x(1);
%CSTR中A的浓度 (mol/m^3)
Ca = x(2);
%排气温度 (K)
Te = x(3);%Tc = 300;
%Ca_ss = 0.87725294608097;
%T_ss = 324.475443431599;%% 参数:
% Mass of CC (kg) *incorrect
m = 3.5;
% CC的热容量 (J/kg-K)
Cpc = 502;
% CSTR 体积 (m^3)
V = 0.0015;
% 排气密度 (kg/m^3)
rho = 1;
% 排气热容量(J/kg-K)
Cp = 29208.4/29;
% A->B 的反应热 (J/mol)
mdelH = 1.638e6;
%mdelH = 3.138e5;
% E - Arrhenius 方程中的活化能 (J/mol)
% R - 通用气体常数 = 8.31451 J/mol-K
%EoverR = 13240;
EoverR = 16240;
% Pre-exponential factor (1/sec)
k0 = 1.53e14;
% U - 总传热系数 (W/m^2-K)
% A - Area - 此值特定于 U 计算 (m^2)
UA_outside = 20;
UA_inside = 40000/60;