燃料电池专用压气机发展现状及建模方法

河北农业大学机电工程学院 刘志豪 张彦涛 冯志立 王烁闻 曲艳琪

前言

目前，绿色环保已经成为汽车行业发展所围绕的主题，应运而生的新能源汽车其能源主要包括燃料电池与锂电池，而燃料电池则具备低温性能好、续驶里程长、加氢速度快等优点，而且是一种清洁、高效的终极能源利用方式[1]。故发展燃料电池对于改善环境，实施能源可持续发展具有重要意义。空气压缩机作为空气供给子系统主要的控制部件，其功能主要是给电堆提供反应所需的适量空气。作为燃料电池供给系统的核心部件，也是整个燃料电池系统运行的重要部件，其效率直接影响整个系统的效率，所以攻克燃料电池专用压气机技术对于推动燃料电池技术的发展至关重要[2]。

1 现有的压气机技术方案的分类与比较

现有的燃料电池压气机技术方案主要包括涡轮式空压机、螺杆式空压机和离心式压缩机3种[3]，如图1所示。

图1 压气机的类型

涡轮式和螺杆式属于具有内部压缩功能的容积式压缩机，这类压缩机通常有固定的压力比，而且结构紧凑，工作效率相对比较高。但是螺杆式空压机的体积和质量相对比较大，也存在较大的压力波动。涡轮式和螺杆式两种压缩机在工作时它们的叶片之间都存在有摩擦，所以工作过程中产生的噪声也比较大[4]。而离心式压缩机结构非常紧凑，相较于前两种来说体积小且重量轻，而且转速非常高，在效率和密度层面都表现出了比较理想的综合效果[5]。但是离心式压缩机采用的是无油磁轴承或空气轴承和永磁电机，为了提高功率密度，需要将转速提高到10万r/min的级别，所以成本相对会比较高[6]。故此需要对离心式压气机进行深入研究，以达到提高转速、降低成本的效果，3种压气机的比较如图2所示。

图2 不同类型压气机的比较

2 压气机模型

为了对压气机进行分析、仿真及控制，需要建立压气机的模型。压气机的模型分为稳态模型和动力学模型，本部分对压气机的稳态模型和动力学模型进行了叙述。

2.1 压气机的稳态模型

2.1.1 数据驱动法建模

数据驱动法是建立压气机稳态模型的一种常用方法，在应用数据驱动法对压气机进行建模时需要用到压气机MAP图。压气机的MAP图如图3所示[7]。为了使建立的模型有意义，对压气机的建模要在MAP图喘振线、扼流线以及最高许用速度线所包围的区域内。

图3 压气机的性能MAP图

应用数据驱动法建模的典型模型是由Jensen等人[7-8]提出的，此模型涉及标准化的压缩机质量流量率Φ，无量纲参数Ψ，以及马赫数M。

定义标准化的压缩机质量流量率：

叶片的圆周速度为：Uc=πdcn；

其中，M为马赫数，R为气体常数。

应用人工神经网络对压气机进行建模在近些年来也被广泛应用，其本质也是应用压气机的MAP图进行数据拟合。Zhao等人[9]建立了一个双隐藏层神经网络模型，应用神经网络进行建模不需要压气机的物理特性，但是这种模型的缺点是推断能力差，在喘振区和扼流区尤为明显。

2.1.2 理论分析法建模

这种建模方法以热力学和速度三角形等为理论基础进行推导建模，其优点是可以对压气机MAP图中的喘振区和扼流区进行建模，但是模型中会引入许多设计常数，所以会使参数识别变复杂，因此这种建模方法并不具有普遍适用性。Kang Song等人[10]将压气机假设为一个缩扩喷嘴，提出了一种亚音速模型，对压气机的质量流量率进行了估计。Giuffrida等人[11]根据热平衡原理提出了一种压气机的质量流量率模型。Chen等人[12]也应用相似的热平衡原理对压气机进行了建模。

2.2 压气机的动力学模型

压气机的动力学模型常用其角速度与压气机的电机转矩和负载转矩的关系式表示，以压气机角速度建立的动力学模型可以表示为[1,8]：

其中，ω为压气机的转速；J为压气机的转动惯量；τcm是压气机的电机转矩；τcp是压气机的负载转矩；Kv，Kt，Rcm分别是压气机电机反电动势常数、电机转矩灵敏度常数、电机电枢电阻；ηcm为电机效率；Vcm为电机的控制电压；Cp是空气的比热容，取值为1004；r是空气的比热容比，取值为1.4；Tatm是环境温度；Patm是环境压力；Psm是压气机出口压力；Wcp是压气机输出的质量流量。当给定压气机的电机电压Vcm后，根据建立的模型可得到压气机的转速ω，然后根据Psm与Patm的比可以确定压气机的质量流量。

3 结论

本文首先将涡轮式、螺杆式和离心式3种现有的压气机技术方案的相关性能进行了分析对比，发现燃料电池专用压气机技术亟需进行深入研究。所以，在最后一部分介绍了压气机的稳态模型和动力学模型，并对稳态模型中的数据驱动法建模进行了详细说明。