[发明专利]燃料电池系统中氢气循环泵瞬态建模方法有效
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 | ||
本发明公开了燃料电池系统中氢气循环泵瞬态建模方法,模型基于多项式回归的方法拟合得到氢气循环泵流量、转速和出口压强的关系函数,然后耦合驱动电机的惯性环节,构建出完整的瞬态离心式氢气循环泵模型,最后对驱动电机的控制电压进行PID控制,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,以此达到控制氢气循环泵的目的。该模型在保证了仿真准确性的前提下,显著提高了计算速率,其既可用于计算稳态下的燃料电池堆工况,又能仿真计算实际道路工况下,电堆变载时的实时瞬态响应,能够更好的与燃料电池系统进行联动仿真,对于优化燃料电池系统控制策略有着重要的意义。
技术领域
本发明属于燃料电池领域,具体涉及一种质子交换膜燃料电池中的氢气循环泵瞬态建模方法。
背景技术
近几十年来,空气质量的负面影响一直是国际急需解决的问题,其中机动车排气污染占有很大比例。为改善城市的空气质量,质子交换膜燃料电池吸引了许多国家的关注,其显著特点是温室气体排放量为零、负载响应快、能量转换效率高、静音和工作温度低等,因此燃料电池汽车成为了新能源汽车发展的重要方向。
燃料电池汽车使用的燃料是来自于高压氢气罐内存储的氢气。如果车用燃料电池提供的氢气量减小、甚至短缺都会对电池堆造成不可逆的损伤和性能下降。因此,必须保证一定存量的氢气来维持电池堆的运行,但是如果没有设置氢气回收子系统,未反应的氢气会直接排放到环境中。燃料的浪费除了会提高使用成本、缩减续航里程外,关键是会出现安全问题。此外,为了得到更好的性能,电池堆阳极入口的氢气往往需要加湿,而加湿器会增加系统的体积和成本,并且加湿器内残留的液态水会在零度以下冻结,影响燃料电池的冷启动速度。若在燃料电池系统内使用氢气循环泵,便能有效的解决上述两个问题。氢气循环泵会将阳极出口未反应的氢气和水蒸气送回供应系统的歧管,与氢气罐供应的氢气混合,再次进入电池堆,既提高了燃料的利用率,又起到对氢气加湿的作用。
使用氢气循环泵必然会提高燃料电池的性能和使用寿命,但在具体的使用过程中将出现多种复杂的问题,如果采用数学建模的方法来获得实验研究的成果,无疑是本行业之所求,它能够大幅降低研发成本,也能够对出现的实际问题进行预判。
发明内容
本发明的目的是,提出一种质子交换膜燃料电池系统中离心式氢气循环泵的瞬态建模方法。通过采用多项式回归的方法拟合离心式氢气循环泵的流量、转速和出口压强的关系,然后耦合驱动电机的惯性环节,构建瞬态的离心式氢气循环泵模型,最后对驱动电机的控制电压进行比例积分微分控制(PID)控制,以此达到控制氢气循环泵的目的。
本发明方法的技术方案是: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(文献)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:
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