[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

摘要

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。

主权项

1.燃料电池系统中离心式空气压缩机瞬态建模方法，其特征是：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，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，对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，mcp表示空压机的质量流量，mair,cr表示修正后的空气流量数值，基于公开的离心式压缩机的质量流量曲线中的样本点，利用二元五次多项式拟合构建出升压比、转速与质量流量的关系式如下：式中x是经过中心正则化处理的转速，y是经过中心正则化处理的升压比，p00,p10…p14,p05分别表示多项式拟合系数，在多项式拟合中，除去了压缩机的喘振工作区及超过最大流量的工作区，喘振线与最大流量线也采取多项式拟合方法；(2)驱动电机的惯性模型2.1空气压缩机的惯性环节计算表达式如下：式中Jcp表示空压机转子部分的转动惯量，ωcp表示转子的角速度，t表示时间，τcm表示驱动电机的驱动力矩，τcp表示压缩机的负载力矩，2.2驱动电机的驱动力矩计算表达式如下：式中κt表示驱动电机的力矩常数，κv表示驱动电机的电压常数，ηcm表示驱动电机效率，Rcm表示电机电枢电阻，ωcm表示电机的角速度，vcm表示驱动电机端电压，2.3压缩机角速度与驱动电机的角速度关系如下：ωcp＝rωcm              (2‑3)式中r表示压缩机的驱动比，2.4压缩机的负载力矩计算表达式如下：式中Pcp表示空压机的功率，cp表示空气的比热容，Tcp,in表示进气温度，ηcp表示空压机的效率，pcp,out、pcp,in分别表示空气压缩机出口与入口压强，γ表示空气的比热比系数，经过空压机压缩后气体的出口温度为：基于步骤(1)和(2)可以构建出完整的空气压缩机模型，(3)计算控制策略下压缩机的瞬态响应当空压缩转速一定时，驱动力矩等于空压机负载力矩，以此求解驱动电机的稳定电压：式中Pcp表示空压机的功率，ηcm表示空压机的效率，将实时监测得到的空压机质量流量，与电堆需要的质量流量进行对比，两者的差值作为比例积分微分控制的偏差量，从而计算出控制量：式中表示燃料电池堆需要的空气质量流量，表示空气压缩机的实际质量流量，e(t)表示偏差量，K_p，K_I，K_D分别表示比例、积分、微分系数，u(t)表示控制量，表示PID控制后的驱动电机电压，根据电堆的供气需求确定空气压缩机的工况点，如果工况点位于喘振区或超过最大流量区，则调整提高空压机的出口压力与入口压力的比值优先满足质量流量的需求，确定该比值之后，根据压缩机当前转速计算当前的实际质量流量，从而与需求值进行比较计算偏差量以及控制量，得出新的空压机转速以及质量流量，如此往复循环，直到空气压缩机的实际质量流量与需求值达到设定的误差，能够计算和控制稳态工况下空压机的性能，以及变载工况下空压机的瞬态响应能力。