质子交换膜燃料电池空压机建模

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研究背景

     质子交换膜燃料电池（PEMFC）是一种启动快，运行温度低，零排放，无污染，能量转换率高且可持续性强的发电装置，因其一系列优点而在新能源汽车领域受到广泛关注。PEMFC发动机是燃料电池汽车的核心动力装置。在PEMFC系统工作过程中，空压机是燃料电池阴极空气供应的关键部件，影响了阴极氧气流量，其工作性能也对燃料电池性能有很大的影响。因建立合理的数学模型能使得研究事半功倍，国内外许多学者对燃料电池空压机建模进行过研究。

创新点及解决的问题

     本研究选用离心式空压机进行数学建模，应用空压机等效电路结构构建空压机静态模型的非线性函数，并在拟合过程中根据拟合效果依次采用基于最大流量偏差和基于出口压力加权的两种方法改进了拟合方法。通过对该模型的研究，不仅可以用于燃料电池系统的匹配和优化，同时也可以用于系统控制策略仿真与分析。

重点内容导读

     空压机性能图是由测试人员根据空压机的实验或仿真数据得出的稳态工况点拟合得到的，是一种静态模型，该空压机的工作性能表现见图1，空压机性能图描述了测试条件下空气流量、效率与空压机转速和上下游压力比值（简称压比）的关系。

图1 20 kW燃料电池用离心式空压机性能图

     空压机在空气回路中担任动力源的角色，可将其等效为电源。依据空压机的输出流量和压力的关系构建如图2所示的电路结构：

图2 空压机等效电路结构

      其中，可控电压源S1对应空压机喘振时的出口压力，可控电流源S2对应空压机喘振时的输出质量流量，电容C1对应进气管路腔体，C1电压对应空压机出口压力。二极管D1的作用是保证当C1电压高于S1电压时，切断电源供电。可变电阻R0的作用是模拟流阻，使用此结构拟合空压机性能图的关键即是合理地计算R0的值以确保此电源结构的输出电压电流关系和空压机的输出压力流量关系一致。

3.1  拟合效果

     未作优化的拟合为方法1，拟合结果如图3所示：

图3 拟合效果图

      由图可以看出电路模型函数拟合曲线的形状和参考工作点相符合，全范围比较接近，但是在特定转速下对于压比不高的区域，拟合曲线和参考工作点有一定的偏差，其标准差为0.2。需进一步优化拟合方法。

3.2  最大流量偏差修正

     基于最大流量偏差修正的拟合为方法2，拟合结果如图4所示，标准差为0.13。粉色的线段为加入最大流量偏差修正后的拟合曲线，可以看出方法2相比方法1，拟合曲线对参考点的趋近比较明显。

图4 基于最大流量偏差修正拟合效果图

     分析图4，方法2对于方法1拟合曲线的“拉扯效果”在某些压比区域程度不够，因此考虑针对这些特定的区域进行加权处理，以实现更为精确的修正效果。

3.3  出口压力加权修正

     基于出口压力加权修正的拟合为方法3，拟合效果如图5所示，标准差为0.05。

图5 基于出口压力加权修正拟合效果图

     图中绿色的线段表示使用方法3得到的拟合曲线，可以看出拟合精度相比较方法2有明显的提升，修正强度的区域化分布得以实现。虽然仍有个别拟合点和参考数据点有偏差，但考虑到空压机坐标轨迹在整个高效率区域移动，个别工作点的误差可以接受。

结论

      本文应用等效电路结构构建了空压机静态模型的非线性函数，静态模型为关于流量、转速、压力三者之间的函数关系。将模型参数与实际性能参数进行拟合，并在拟合过程中根据拟合效果依次采用了基于最大流量偏差和基于出口压力加权的两种方法改进了拟合方法，结果表明采用这两种方法可以实现对静态模型较高精度的拟合。空压机的匹配情况和系统的控制优化对整个燃料电池系统的工作效率和寿命十分重要，通过本研究，可以对燃料电池系统的匹配和优化以及系统控制策略仿真与分析起到一定的参考作用。

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