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优化建模方法基于 Surrogate 优化建模方法的预装式氢储能电站结构布局优化，为探索预装式氢储能电站的散热布局问题，提出一种基于 Surrogate 算法的设计方法。

一、案例简介

以功率密度最大为目标，结合 COMSOL Multiphysical 有限元仿真软件与 Surrogate 算法对质子交换膜燃料电池（PEMFC）进行结构优化，明晰了 PEMFC 功率密度范围及其热负荷。基于此，在预装式氢储能电站箱体可行通风散热方案中筛选出最佳方案，以氢储能电站功率最大为目标，以通风散热效果为限制条件，以出风口几何尺寸与 PEMFC 功率密度为变量，结合 Ansys CFX 软件与 Surrogate 算法求解氢储能电站在最佳散热方案下的布局问题，并通过某公司氢储能电站进行了算例验证。验证结果表明：该设计方法解决了有限元模拟搜索法的算力高消耗与结果低通用性的问题，为工业界在多物理量变尺度设计问题上提供了一种有效的解决方案。

二、技术要点

本项目提出一种基于 Surrogate 建模优化算法的结构优化方法，通过对模拟结果的数据建模，将有限元计算的结果拟合为数值模型，使其可以应用传统的数学计算软件进行优化计算。在保留部分有限元结果精度的前提下，大幅度降低算力需求，为多物理量变尺度的工业设计优化问题提供了一种新思路。

三、应用场景

质子交换膜燃料电池

四、应用成效

1）本项目探讨了预装式氢储能电站主要热源 PEMFC 的功率密度问题，通过对 PEMFC 的结构设计优化，可以将氢储能电站的功率密度提升至 4kW/m2，相对于原系统采用的锂电池 5kW/m2 的功率密度相差不大。 2）在考虑 PEMFC 功率密度及工作效率的前提下，本项目针对预装式储能电站的通风散热问题，分别测试了回风口在上，进风口在三种方案下储能电池架的温度。结果表明，进风口双侧进风对流的散热效果最好，温度分布最均匀。进而选择 Surrogate 方法对预装式储能电站的具体散热设置进行了优化测试，有限元测试结果显示：通过采取扁平矩形的低位进风口，可以在原设计的基础上，以温度上升3.8%的代价，提升原设计 81.5%的功率。 3）针对传统有限元搜索优化算法运算时间长，算力需求高的问题，本项目通过 Surrogate 优化算法对有限元模型进行了简化，将原本数百小时的优化过程缩短至 1~2h，同时将误差成功控制在 10%以下。通过数值模型的构建，此方法克服了现有研究有限元软件与优化计算软件不通用的问题，为此类多物理量变尺度的工业设计问题提供了有效的参考方案。