[发明专利]空压机的防喘振控制方法及系统

说明书

本申请实施例中提供了一种空压机的防喘振控制方法及系统。采用本申请实施例的空压机的防喘振控制方法及系统，通过根据燃料电池堆的需求功率指令以及理想发电性能计算得到燃料电池堆的期望流量值q^ref和期望压力值p^ref；对期望流量值q^ref和期望压力值p^ref进行非喘振限幅得到限幅流量值q^*和限幅压力值p^*；输入限幅流量值q^*以及限幅压力值p^*至PI控制器分别得到空压机的角速度以及蝶阀的角度θ^*；空压机控制器根据角速度数值ω^*控制空压机转速控制空压机气体流量；管道蝶阀控制器根据角度θ^*控制蝶阀角度控制空压机气体压力。实现了空压机出口流量、压力的双环控制，提高了防喘振效果，解决了现有技术中氢燃料电池空压机防喘振方法中仅对空压机流量控制无法保证燃料电池稳定运行的问题。

技术领域

本申请属于燃料电池技术领域，具体地，涉及一种空压机的防喘振控制方法及系统。

背景技术

燃料电池技术是一种高效清洁的能量转换技术系统能耗是由供气系统产生的，燃料电池在工作时，需要供气系统将空气压缩后送入到电池阴极参与反应。高速离心式空压机由于结构紧凑、高效率、高压比的特点，已成为燃料电池空气管理系统的关键部件，空压机工作点越靠近喘振线，空压机的效率越高，但越容易发生喘振现象，导致电堆阴极参与反应的氧气量剧烈波动，影响燃料电池性能，降低堆体寿命，并带来较严重的气动噪声。

空压机喘振是由于离心式空压机工况发生突变，出口流量迅速减小而出口压力变化滞后于流量变化，在空压机与空气管道之间发生周期性的气流振荡，使空压机工作在不稳定的流动状态。

空压机出厂时，会附上标准状态下空压机的压比、流量和转速的特性曲线，当空压机工作在该特性曲线的喘振线附近时为近喘振工况区。

现有的氢燃料电池空压机防喘振方法有主动控制和被动控制两种。主动控制是通过对空压机性能的改进来扩大空压机的安全工作范围，但由于氢燃料电池时常工作在高压比、低流量工况，使得空压机适配性较差，实际运行过程中常有气流不稳定状况发生。而目前国内外关于氢燃料电池离心式空压机的气动特性研究尚不充分，特别没有全面系统的分析离心式空压机在不同车用工况环境下的性能匹配，使得现有离心式空压机在结构尺寸改进、压比效率提高方面都存在瓶颈，实际运行过程中常有气流不稳定状况发生，仅靠改进空压机性能无法满足氢燃料电池堆阴极的稳定供氧。

被动控制通常是通过对空压机入口流量或出口压力进行调节，使空压机工作在喘振区域以外，实际应用中，常通过防喘阀实现流量调节。中国专利CN103727074“燃料电池机车低功率运行空压机防喘振方法”中使用了旁路系统，通过PID控制单元控制旁路阀实现流量调节。但燃料电池空压机系统具有流量、压力复杂耦合的特点，现有PID控制方案不能实现流量、压力的稳定控制，极大限制了空压机的防喘振效果。同时，目前常用的防喘振阀以及CN103727074方案中的旁路阀，都只是对空压机流量进行控制，但氢燃料电池空压机系统具有流量、压力、电机转速复杂耦合的特点，进入电堆的气体流量、压力均会影响燃料电池的运行性能，仅对空压机流量控制无法保证燃料电池稳定运行在高效率工况点，同时车用燃料电池运行工况复杂，负载需求变化快，传统PID控制算法往往不能精确快速满足电堆需求的空气流量，也会极大降低空压机的防喘振效果。

发明内容

本发明提出了一种空压机的防喘振控制方法及系统，旨在解决现有技术中氢燃料电池空压机防喘振方法中仅对空压机流量控制无法保证燃料电池稳定运行的问题。

根据本申请实施例的第一个方面，提供了一种空压机的防喘振控制方法，包括以下步骤：

根据燃料电池堆的需求功率指令以及理想发电性能计算得到燃料电池堆的期望流量值q^ref和期望压力值p^ref；