新能源汽车
电动汽车燃料电池增程器应用
———小功率空气压缩机建模与仿真
陈海蓉 (同济大学中德学院,上海200092)
周 苏 ()
【摘要】 。针对适
,利用相关测试数据和热力学校正的方法,建立空气压缩机模型仿真结果表明,该空气压缩机模型能够反映环境因素、出口背压和空压机转速对出口空气流量的影响,能为整个燃料电池增程器系统的设计和优化提供有用的信息。
【Abstract】 Usingasmallpowerfuelcellsystemasarangeextenderisausefulmethodforthe
rangeextendingofelectricvehicle.Withthehelpofexperimentdataandthermodynamiccorrection,anaircompressormodelforafuelcellrangeextendersystemisestablishedandsomerelatedsimula2tionsarecarriedout.Thesimulationresultsshowthattheaircompressormodelcanreflecttheinflu2enceofenvironmentfactors,backpressureandcompressorspeedonthecompressoroutletflow.Thismodelcanprovideusefulinformationforthedesignandoptimizationoffuelcellrangeextendersystem.
【主题词】 燃料电池 电动汽车 增程器
0 引言
节能和环保是汽车技术发展的主要方向之一。自20世纪90年代初起,世界各主要汽车制造商都在电动汽车研发方面投入了大量资金,并推出了各种电动汽车。国内随着“863”电动汽车重大科技专项的正式启动,各地也掀起了一股研发电动汽车的热潮。目前,初始成本高和续驶里程不理想是电动汽车发展的主要障碍。为解决续驶里程问题,可采用5～10kW的小功率燃料电池作为电动汽车增程器,配合车载动力电池在不同工况下工作,增加电动汽车的续驶里程数。图1为带燃料电池增程器的电动汽车动力结构示意图
。
图1 带燃料电池增程器的电动车动力结构示意图
作为电动汽车增程器的燃料电池功率一般为5～10kW。一方面因燃料电池工作压力的缘故,要求燃料电池空气供应部件压缩机空气压缩比较大,输出的空气流量相对较小。另一方面整车集成要求空压机体积小,重量轻。满足上述MAP特性和系统集成要求的空压机很少,对这类压缩机的仿真研究也较少。研究表明,对于现有的燃料电池系统,压缩机的功率消耗占总功率的20%,空压机工作条件的选择和功耗对整个系统效率影响
收稿日期:2009-09-04
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很大。因此,针对这种燃料电池用空气压缩机的建模和仿真相当重要,仿真计算能够为燃料电池增程器性能的优化、操作条件和控制策略的选择提供重要参考。
本文针对5kW燃料电池用VairexVV1020型空气压缩机,利用其MAP图以及相关热力学原理,建立了空气压缩机模型,并进行相关仿真研究。建模对象VV1020型空气压缩机是美国Vairex公司专门为一种容积式空气压缩机,,高,可长时间运转3～10kW,其外形与内部结构如图2
所示。
[1]
拖动压缩机转动,空气压缩机将机械能转换为气体所具备的能量,即焓值的增量。在空气压缩机工作过程中,气体的能量增量完全转换为气体的静压是最理想的情况。然而在实际压缩过程中,电机提供的电能除了转换为气体静压外,还有一部分转化为气体的热能和动能,这是一个比较复杂的过程。为了简化整个空气压缩机模型的建立,可采用目前工程应用中普遍使用的查表法来构造空压机模型。
为了避免文献[4]所述的模型精度不高的问题,建模时增加空压机MAP图数据量,同时利用热力学关系校正出口气体状态,从而保证模型有足够的精度。
本文建立的空气压缩机模型包括以下4个部分,如图4所示。
(1)实时转速模块。根据电堆要求提供的电流确定所需空气量。将目标空气量与由传感器得到的当前空气流量的差值输入PID控制器,从而确定压缩机实时转速。
(2)空气压缩机流量模块。根据实时转速和压缩比,利用空气压缩机MAP图数据,插值计算空气压缩机出口流量和压力。
(3)功率计算模块。根据空压机转速、压缩比等计算空气压缩机效率。
(4)温度模块。根据压缩机效率,温度模块计算空气离开压缩机时的温度。
压缩机进气为环境空气,可假定进气温度、压力和相对湿度保持不变。模型中输入和输出变量为电堆目标电流、空压机转速、空气流量、出口压力等。1.1 转速模块
图2 VV1020外形(左)与内部结构(右)
1 燃料电池压缩机仿真模型
在数学模型上所进行的仿真实验是建立在“性能相似”的基本原则之上。因此,通过适当的方法建立较高精度的数学模型是仿真实验的基本
前提。要建立空气压缩机的仿真模型,必须首先熟悉其工作原理与工作过程。
图3给出了整个燃料电池增程器气体流体系统结构图。空气压缩机输出的压缩空气经过供应管路、散热器/增湿器进入燃料电池阴极,反应后的空气经过排气管路经由背压阀排至环境。连在空气压缩机后部的各种管路和燃料电池阴极是空压机工作过程中背压的来源,影响空压机的压缩机比、出口流量和温度。在燃料电池增程器系统中,根据上一层控制器发出的功率请求(电流请求),空气压缩机为阴极提供与之相对应的、满足一定空气压缩比要求的空气量。
增程器控制器发出控制信号控制电机
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摩尔质量;xO2为氧气摩尔分数;λO2为随IFCS_gross_cal变化的过量空气系数。1.2 流量模块
由实验测得VairexVV21020型空气压缩机的静态特性表格见图5。
・・
(5)mair_std=LUT(ncomp,rp)℃及100KPa)下对
比rp的空气流量
(・
图4 空气压缩机模型
空气压缩机角速度满足下式:(ΣJ)=ΣM
dt
ΣJ=Jmot+Jcomp
惯量。
空压机总转矩:
ΣM=Mcomp_dir-Mcomp_air-Mcomp_fric
。应用关系式:
(2)
mair=
・
式中,Jmot,Jcomp为空压机转动
Tambpstd・
・mair_stdTstdpamb
(6)
最终得到真实条件下(Tamb及pamb)的空气流量mair。式中,pstd,Tstd为标准进气条件下入口空气
压力和温度
。
・
(3)
式中,Mcomp_dir为驱动力矩;Mcomp_air为实际空气阻力矩;Mcomp_fric为机械摩擦阻力矩。
由式(1)～(3)得到角速度ω,进而根据n=ω/2π可得到空压机转速n。60
空压机转速模块中的设定转速由PID控制器给出。燃料电池所需空气质量流量与实际流量差值作为输入进入PID控制器,控制器输出控制信号控制空气压缩机转速。空气压缩机作为一个被控对象,被控量为其输出的空气流量。而空气流量与燃料电池系统功率请求密切相关,因此,燃料电池用空气压缩机的建模不能脱离燃料电池本身的特性。
首先,根据燃料电池堆设定的输出电流值
IFCS_gross_cal计算得出要求的空压机输出目标流量mFCS_gross_cal,将目标流量与传感器反馈的当前实际
・
图5 压缩机流量特性数据
假定输出和输入空气均为理想气体,整个后
[3]
部管路的背压可由式(7)近似计算:
Δp=k・qv=k・
2
流量之间的差值作为PID控制器的输入,PID控制器的输出为设定转速。另外根据VV1020型空气压缩机特性
[2]
RmairToutMpout
・
(7)
,加入转速限制环节,保证模型仿真
过程中的最大转速不超过3000r/min。
在真实条件下(Tamb和Pamb)的期望进气量
mair_des(kg/s)的计算公式表述为:
mair_des=
・
・
式中,pout、Tout、mair、qv分别为输出空气的压力、温度、质量流量和体积流量,设入口温度为Tamb=25℃,出口温度Tout=80℃;R为理想气体常
MairxO2
O2(IFCS_gross_cal)
NcellIFCS_gross_cal
4F
(4)
式中,Ncell为燃料电池堆单池数;Mair为空气的数;k为与空气流道相关的压降系数。根据测试,
-6
确定本系统中压降系数k=9.708×10。
空气压缩机出口压力:
(8)pout=pamb+Δp
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空气压缩比:
rpppin
[2]
本文中估算时滞因子τ.1,散热因子comp=0
(9)
T
γ.3。comp=01.4 功率计算模块
T
同时,根据VV1020型空气压缩机特性限制
模型中空压机压缩比范围为0～2.2。
・comp
定义流量模块的空气输出矢量为[nO2_out,
・comp・comp
nN2_outnH2O(g)_out
根据实测,得到空压机转速与电机电功率关系的经验公式Pcomp_et=LUT(rp,n)(见图6)及表征电机效率的静态特性表格η,这mot=LUT(n)
样,Pcomp=Pcomp_et
,可以忽略不:
Pcomp_n(W)[2]
,],其中分量分别为氧气、氮气和水
蒸气的摩尔流量。首先,输入空气的摩尔密度
(g/mol)可以按照下式计算:
Mair