燃料電池專用壓氣機發(fā)展現(xiàn)狀及建模方法

河北農(nóng)業(yè)大學機電工程學院 劉志豪 張彥濤 馮志立 王爍聞 曲艷琪

前言

目前，綠色環(huán)保已經(jīng)成為汽車行業(yè)發(fā)展所圍繞的主題，應(yīng)運而生的新能源汽車其能源主要包括燃料電池與鋰電池，而燃料電池則具備低溫性能好、續(xù)駛里程長、加氫速度快等優(yōu)點，而且是一種清潔、高效的終極能源利用方式[1]。故發(fā)展燃料電池對于改善環(huán)境，實施能源可持續(xù)發(fā)展具有重要意義?？諝鈮嚎s機作為空氣供給子系統(tǒng)主要的控制部件，其功能主要是給電堆提供反應(yīng)所需的適量空氣。作為燃料電池供給系統(tǒng)的核心部件，也是整個燃料電池系統(tǒng)運行的重要部件，其效率直接影響整個系統(tǒng)的效率，所以攻克燃料電池專用壓氣機技術(shù)對于推動燃料電池技術(shù)的發(fā)展至關(guān)重要[2]。

1 現(xiàn)有的壓氣機技術(shù)方案的分類與比較

現(xiàn)有的燃料電池壓氣機技術(shù)方案主要包括渦輪式空壓機、螺桿式空壓機和離心式壓縮機3種[3]，如圖1所示。

圖1 壓氣機的類型

渦輪式和螺桿式屬于具有內(nèi)部壓縮功能的容積式壓縮機，這類壓縮機通常有固定的壓力比，而且結(jié)構(gòu)緊湊，工作效率相對比較高。但是螺桿式空壓機的體積和質(zhì)量相對比較大，也存在較大的壓力波動。渦輪式和螺桿式兩種壓縮機在工作時它們的葉片之間都存在有摩擦，所以工作過程中產(chǎn)生的噪聲也比較大[4]。而離心式壓縮機結(jié)構(gòu)非常緊湊，相較于前兩種來說體積小且重量輕，而且轉(zhuǎn)速非常高，在效率和密度層面都表現(xiàn)出了比較理想的綜合效果[5]。但是離心式壓縮機采用的是無油磁軸承或空氣軸承和永磁電機，為了提高功率密度，需要將轉(zhuǎn)速提高到10萬r/min的級別，所以成本相對會比較高[6]。故此需要對離心式壓氣機進行深入研究，以達到提高轉(zhuǎn)速、降低成本的效果，3種壓氣機的比較如圖2所示。

圖2 不同類型壓氣機的比較

2 壓氣機模型

為了對壓氣機進行分析、仿真及控制，需要建立壓氣機的模型。壓氣機的模型分為穩(wěn)態(tài)模型和動力學模型，本部分對壓氣機的穩(wěn)態(tài)模型和動力學模型進行了敘述。

2.1 壓氣機的穩(wěn)態(tài)模型

2.1.1 數(shù)據(jù)驅(qū)動法建模

數(shù)據(jù)驅(qū)動法是建立壓氣機穩(wěn)態(tài)模型的一種常用方法，在應(yīng)用數(shù)據(jù)驅(qū)動法對壓氣機進行建模時需要用到壓氣機MAP圖。壓氣機的MAP圖如圖3所示[7]。為了使建立的模型有意義，對壓氣機的建模要在MAP圖喘振線、扼流線以及最高許用速度線所包圍的區(qū)域內(nèi)。

圖3 壓氣機的性能MAP圖

應(yīng)用數(shù)據(jù)驅(qū)動法建模的典型模型是由Jensen等人[7-8]提出的，此模型涉及標準化的壓縮機質(zhì)量流量率Φ，無量綱參數(shù)Ψ，以及馬赫數(shù)M。

定義標準化的壓縮機質(zhì)量流量率：

葉片的圓周速度為：Uc=πdcn；

其中，M為馬赫數(shù)，R為氣體常數(shù)。

應(yīng)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對壓氣機進行建模在近些年來也被廣泛應(yīng)用，其本質(zhì)也是應(yīng)用壓氣機的MAP圖進行數(shù)據(jù)擬合。Zhao等人[9]建立了一個雙隱藏層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行建模不需要壓氣機的物理特性，但是這種模型的缺點是推斷能力差，在喘振區(qū)和扼流區(qū)尤為明顯。

2.1.2 理論分析法建模

這種建模方法以熱力學和速度三角形等為理論基礎(chǔ)進行推導(dǎo)建模，其優(yōu)點是可以對壓氣機MAP圖中的喘振區(qū)和扼流區(qū)進行建模，但是模型中會引入許多設(shè)計常數(shù)，所以會使參數(shù)識別變復(fù)雜，因此這種建模方法并不具有普遍適用性。Kang Song等人[10]將壓氣機假設(shè)為一個縮擴噴嘴，提出了一種亞音速模型，對壓氣機的質(zhì)量流量率進行了估計。Giuffrida等人[11]根據(jù)熱平衡原理提出了一種壓氣機的質(zhì)量流量率模型。Chen等人[12]也應(yīng)用相似的熱平衡原理對壓氣機進行了建模。

2.2 壓氣機的動力學模型

壓氣機的動力學模型常用其角速度與壓氣機的電機轉(zhuǎn)矩和負載轉(zhuǎn)矩的關(guān)系式表示，以壓氣機角速度建立的動力學模型可以表示為[1,8]：

其中，ω為壓氣機的轉(zhuǎn)速；J為壓氣機的轉(zhuǎn)動慣量；τcm是壓氣機的電機轉(zhuǎn)矩；τcp是壓氣機的負載轉(zhuǎn)矩；Kv，Kt，Rcm分別是壓氣機電機反電動勢常數(shù)、電機轉(zhuǎn)矩靈敏度常數(shù)、電機電樞電阻；ηcm為電機效率；Vcm為電機的控制電壓；Cp是空氣的比熱容，取值為1004；r是空氣的比熱容比，取值為1.4；Tatm是環(huán)境溫度；Patm是環(huán)境壓力；Psm是壓氣機出口壓力；Wcp是壓氣機輸出的質(zhì)量流量。當給定壓氣機的電機電壓Vcm后，根據(jù)建立的模型可得到壓氣機的轉(zhuǎn)速ω，然后根據(jù)Psm與Patm的比可以確定壓氣機的質(zhì)量流量。

3 結(jié)論

本文首先將渦輪式、螺桿式和離心式3種現(xiàn)有的壓氣機技術(shù)方案的相關(guān)性能進行了分析對比，發(fā)現(xiàn)燃料電池專用壓氣機技術(shù)亟需進行深入研究。所以，在最后一部分介紹了壓氣機的穩(wěn)態(tài)模型和動力學模型，并對穩(wěn)態(tài)模型中的數(shù)據(jù)驅(qū)動法建模進行了詳細說明。