[发明专利]燃料电池系统中离心式空气压缩机瞬态建模方法

说明书

本发明公开了一种燃料电池系统中离心式空气压缩机瞬态建模方法，具体为：建立空气压缩机的质量流量关系模型，包括拟合空气压缩机的质量流量特性曲线；建立驱动电机的惯性模型；以及计算控制策略下压缩机的瞬态响应三个部分，可以使空气压缩机满足燃料电池堆需求的质量流量以及工作压强。模型基于质量流量数据库识别出压缩机压强、转速与流量的函数，然后耦合驱动电机的惯性模型构建完整的空压机模型，不仅能够真实的描述变载工况下系统的实际进气状况，而且能够仿真不同的控制策略下空压机的性能。保证仿真准确性的同时提高了计算效率，能够更好的与燃料电池系统联用。对于空压机的进气控制策略优化有着重要的意义。

技术领域

本发明属于燃料电池领域，具体涉及质子交换膜燃料电池系统中包含控制策略的离心式空气压缩机瞬态建模方法。

技术背景

质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有高能量密度、高能量转化效率、零排放等优势，被认为是未来交通运输行业的清洁能源之一。充足的反应气体供给是燃料电池堆正常稳定工作的前提之一，空气供给系统包括空气滤清器、空气压缩机、中冷器、加湿器等。空气首先通过滤清器去除颗粒杂质，后经过压缩机增压、中冷器冷却以及加湿器加湿之后进入电堆。空气供给系统中，由于空气压缩机的瞬态响应迟滞，当负载电流突变时，空气供应量必定会滞后于实际需求量，这意味着电堆中可能出现氧气不足现象，造成输出电压的下降、甚至缩短电堆使用寿命。因此，空气通常会以一定的过量系数(进气量与实际消耗量的比值)来供给，增加空气过量系数有助于输出性能的提高，但是也会增加空气压缩机的能耗，从而导致系统净功率的降低，综合来看，过量空气系数并非越高越好。

适用于燃料电池的空气压缩机多种多样，如罗茨鼓风机、涡旋压缩机、螺杆压缩机等。其中涡轮式压缩机属于离心式压缩机，压缩机主要由进气室、叶轮、扩压器、弯道、回流器和蜗室组成，该压缩机比功率高，相对效率也比较高。空压机作为惯性较大的部件，其瞬态响应能力直接决定了空气的实际供给情况，从而影响了系统的瞬态响应能力。此外，压缩机的能耗也是需要密切关注的问题。若要精确描述空压机中气体流动情况，需要构建包含叶片在内的空压机几何模型，通过流体力学方法来进行仿真计算，但是这种方法参数多且模型复杂，计算效率低且无法与进气控制策略耦合在一起，因而很难应用到实际系统中。

本发明提出了一种简化的包含控制策略在内的瞬态空气压缩机模型，基于质量流量数据库识别出压缩机压强、转速与流量的函数，然后耦合驱动电机的惯性模型构建完整的空压机模型，不仅能够真实的描述变载工况下系统的实际进气状况，而且能够仿真不同的控制策略下空气压缩机的性能表现。这对于空压机的控制策略优化有着重要的意义，而且明显节省了空压机的台架实验成本。

发明内容

本发明的目的在于提出一种包含控制策略在内的瞬态空气压缩机建模方法，基于质量流量数据库识别出压缩机压强、转速与流量的函数，然后耦合驱动电机的惯性模型构建完整的空压机模型，能够计算稳态工况下空压机的性能表现以及变载工况下空压机的瞬态响应能力。

以下对本发明的内容进行介绍与说明。燃料电池系统中离心式空气压缩机瞬态建模方法，所述模型的建立包括建立空气压缩机的质量流量关系模型、驱动电机的惯性模型、以及计算控制策略下压缩机的瞬态响应，使空气压缩机满足燃料电池堆需求的质量流量以及工作压强。

空压机的升压比(出口压力与入口压力的比值)及转速决定了其质量流量，而空压机的转子通常由驱动电机带动，受到电机端电压的影响，因此，空压机模型需要构建驱动电机电压、电机转速、空压机转速、空压机升压比及质量流量的关系。具体步骤如下： (1)建立空气压缩机的质量流量关系模型，首先拟合空气压缩机的质量流量特性曲线，压缩机的转速和质量流量进行温度与压强的修正如下：

其中θ表示温度修正系数，δ表示压力修正系数，m_cp表示空压机的质量流量，m_air,cr表示修正后的空气流量数值。