燃料電池專用壓氣機發展現狀及建模方法

河北農業大學機電工程學院 劉志豪 張彥濤 馮志立 王爍聞 曲艷琪

前言

目前，綠色環保已經成為汽車行業發展所圍繞的主題，應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、續駛里程長、加氫速度快等優點，而且是一種清潔、高效的終極能源利用方式[1]。故發展燃料電池對于改善環境，實施能源可持續發展具有重要意義。空氣壓縮機作為空氣供給子系統主要的控制部件，其功能主要是給電堆提供反應所需的適量空氣。作為燃料電池供給系統的核心部件，也是整個燃料電池系統運行的重要部件，其效率直接影響整個系統的效率，所以攻克燃料電池專用壓氣機技術對于推動燃料電池技術的發展至關重要[2]。

1 現有的壓氣機技術方案的分類與比較

現有的燃料電池壓氣機技術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，而且結構緊湊，工作效率相對比較高。但是螺桿式空壓機的體積和質量相對比較大，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，所以工作過程中產生的噪聲也比較大[4]。而離心式壓縮機結構非常緊湊，相較于前兩種來說體積小且重量輕，而且轉速非常高，在效率和密度層面都表現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態模型和動力學模型，本部分對壓氣機的穩態模型和動力學模型進行了敘述。

2.1 壓氣機的穩態模型

2.1.1 數據驅動法建模

數據驅動法是建立壓氣機穩態模型的一種常用方法，在應用數據驅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域內。

圖3 壓氣機的性能MAP圖

應用數據驅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量流量率Φ，無量綱參數Ψ，以及馬赫數M。

定義標準化的壓縮機質量流量率：

葉片的圓周速度為：Uc=πdcn；

其中，M為馬赫數，R為氣體常數。

應用人工神經網絡對壓氣機進行建模在近些年來也被廣泛應用，其本質也是應用壓氣機的MAP圖進行數據擬合。Zhao等人[9]建立了一個雙隱藏層神經網絡模型，應用神經網絡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，在喘振區和扼流區尤為明顯。

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進行推導建模，其優點是可以對壓氣機MAP圖中的喘振區和扼流區進行建模，但是模型中會引入許多設計常數，所以會使參數識別變復雜，因此這種建模方法并不具有普遍適用性。Kang Song等人[10]將壓氣機假設為一個縮擴噴嘴，提出了一種亞音速模型，對壓氣機的質量流量率進行了估計。Giuffrida等人[11]根據熱平衡原理提出了一種壓氣機的質量流量率模型。Chen等人[12]也應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矩和負載轉矩的關系式表示，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為壓氣機的轉速；J為壓氣機的轉動慣量；τcm是壓氣機的電機轉矩；τcp是壓氣機的負載轉矩；Kv，Kt，Rcm分別是壓氣機電機反電動勢常數、電機轉矩靈敏度常數、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是環境溫度；Patm是環境壓力；Psm是壓氣機出口壓力；Wcp是壓氣機輸出的質量流量。當給定壓氣機的電機電壓Vcm后，根據建立的模型可得到壓氣機的轉速ω，然后根據Psm與Patm的比可以確定壓氣機的質量流量。

3 結論

本文首先將渦輪式、螺桿式和離心式3種現有的壓氣機技術方案的相關性能進行了分析對比，發現燃料電池專用壓氣機技術亟需進行深入研究。所以，在最后一部分介紹了壓氣機的穩態模型和動力學模型，并對穩態模型中的數據驅動法建模進行了詳細說明。