[发明专利]燃料电池系统中氢气循环泵瞬态建模方法有效

专利信息
申请号: 202110514510.0 申请日: 2021-05-08
公开(公告)号: CN113314739B 公开(公告)日: 2021-12-24
发明(设计)人: 焦魁;杨子俊;杨子荣;王博文 申请(专利权)人: 天津大学
主分类号: H01M8/04298 分类号: H01M8/04298
代理公司: 天津盈佳知识产权代理事务所(特殊普通合伙) 12224 代理人: 孙宝芸
地址: 300350 *** 国省代码: 天津;12
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摘要:
搜索关键词: 燃料电池 系统 氢气 循环 瞬态 建模 方法
【权利要求书】:

1.燃料电池系统中氢气循环泵瞬态建模方法,其特征是:建立包括氢气循环泵体积流量、转速和出口压强的关系模型、驱动电机的惯性环节模型、以及驱动电机控制电压的PID控制模型,三种模型耦合计算得到氢气循环泵的瞬态响应,并控制氢气循环泵满足燃料电池堆的尾气回收需求,每个模型建立的具体步骤如下:

(1)构建氢气循环泵体积流量、转速和出口压强的关系模型

首先拟合氢气循环泵的特性曲线,对氢气循环泵入口气体的体积流量和转子的角速度与转速,进行温度和压强的修正如下:

其中,Wbc、ωbc和Nbc分别表示修正后的体积流量、角速度和转速,Wbl、ωbl和Nbl表示实际的体积流量、角速度和转速,Tin和Pin表示入口气体的温度和压强,Tref和Pref表示参考温度和压强,

为了提高数据拟合的精度,对已公开的氢气循环泵特性曲线中的样本点进行数据标准化处理,如下:

其中,x和y表示经过数据标准化处理后的转速和体积流量,μN和μW表示样本点的转速和体积流量的平均值,σN和σW表示样本点的转速和体积流量的标准差,

基于氢气循环泵特性曲线中的样本点,利用二元二次多项式对氢气循环泵体积流量、转速和出口压强的关系进行拟合,关系式如下:

Pout=a0+a1x+a2y+a3x2+a4xy+a5y2 (1-3)

其中,Pout表示氢气循环泵的出口压强,a0,a1,a2,a3,a4,a5分别表示多项式拟合系数;

(2)构建驱动电机的惯性环节模型

氢气循环泵的惯性环节计算表达式如下:

其中,ωbl表示转子的角速度,t表示时间,Jbl表示氢气循环泵转子部分的转动惯量,τbm表示驱动电机的驱动力矩,τbl表示氢气循环泵的负载力矩,

驱动电机的驱动力矩计算表达式如下:

其中,ηbm表示驱动电机效率,Rbm表示驱动电机电阻,κt表示驱动电机的力矩常数,κv表示驱动电机的电压常数,vbm表示驱动电机的控制电压,ωbl表示转子的角速度,

氢气循环泵的负载力矩计算表达式如下:

其中,pbl表示氢气循环泵的功率,cp,in表示入口气体的定压比热容,Tin表示进气的温度,ηbl表示氢气循环泵的效率,Pout、Pin分别表示氢气循环泵出口与入口的压强,γg,in表示入口气体的比热比系数,min表示入口气体的质量流量,

入口气体的定压比热容和比热比系数计算表达式如下:

其中,cp,v和分别表示氢气、水蒸气和氮气的定压比热容,γv和分别表示氢气、水蒸气和氮气的比热比系数,yv,in和分别表示入口气体内氢气、水蒸气和氮气的质量分数,

经过氢气循环泵压缩后的出口气体温度计算表达式如下:

其中,Tout表示出口气体的温度,

(3)构建驱动电机控制电压的PID控制模型

当氢气循环泵的转速达到稳定后,驱动力矩等于氢气循环泵的负载力矩,然后求解驱动电机的稳定控制电压,计算表达式如下:

将计算得到的实际出口压强和目标出口压强进行对比,然后两者的差值作为PID控制的偏差量,从而计算出控制电压的变化量:

e(t)=Ptar-Pout (3-2)

vbm,new=vbm+u(t) (3-4)

其中,Ptar和Pout分别表示目标出口压强和实际出口压强,e(t)表示偏差量,Kp、KI、KD分别表示比例、积分、微分系数,u(t)表示控制电压的变化量,vbm,new表示经过PID控制后的驱动电机控制电压;

将氢气循环泵入口的体积流量和当前时刻的转速进行修正后,配合氢气循环泵特性曲线,得到当前的出口压强,与目标出口压强进行对比,两者的差值作为PID控制的偏差量,从而计算出控制电压的变化量,再根据惯性环节模型,得到新的转速,最后结合入口的体积流量重新计算,如此往复循环,使实际的出口压强逐渐逼近乃至等于目标出口压强。

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