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1、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 (同济大学汽车学院，上海201804) 【摘要】 将小功率燃料电池系统作为增程器是解决电动汽车续驶里程不理想的可选方法之一。针对适 用于燃料电池增程器系统的滑片式空气压缩机，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 并进行相关仿真研究。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】 Using a small power fuel cell syste
2、m as a range extender is a useful method for the range extending of electric vehicleWith the help of experiment data and thermodynamic correction， an air compressor model for a fuel cell range extender system is established and some related simula- tions are carried outThe simulation results show th
3、at the air compressor model can reflect the influ ence of environment factors，back pressure and compressor speed on the compressor outlet flowThis model can provide useful information for the design and optimization of fuel cell range extender system 【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9
4、0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510 kW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 收稿日期：20090904 6 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 510 kW。一方面因燃料电池工作压力的缘故，
5、 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 上海汽车201002 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5 kW燃料电池用Vairex VV1020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
6、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 为燃料电池系统开发的滑片式空气压缩机。它作 为一种容积式空气压缩机，采用无油润滑，可靠性 高，可长时间运转，性能优良，噪声较低，一般适用于 310 kW的小型燃料电池和便携式燃料电池系统， 其外形与内部结构如图2所示。 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
7、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 上海汽车201002 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
8、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
9、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。 11转速模块 7 电堆目标电流 实时转速模块 环境参数(温度、 空压机流量模块 空气流量、出1：3压 入口压力、相对 空压机功率、效率一 湿度) 一 功率计算模块 出口空气温度 温度模块 图4空气压缩机模型 空气压缩机
10、角速度满足下式： ， (I，)_oXO=EM (1) 0 其中空压机总转动惯量： EJ=Jmm+，。 (2) 式中，Jmo,为马达转动惯量，Jcomp为空压机转动 惯量。 空压机总转矩： 2M=M。 p_dIrM。 p一 i 一M 。 pj i (3) 式中， 。 p_di 为驱动力矩； 唧一 i 为实际空气 阻力矩； 为机械摩擦阻力矩。 由式(1)(3)得到角速度 ，进而根据 = 60w27r可得到空压机转速,。 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
11、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 ，瞄 计算得出要求的空压机输出目标流量 晒一。 。，将目标流量与传感器反馈的当前实际 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，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3 000 rmin。 在真实条件下( 和P )的期望进气量 rn i (kgs)的计算公式表述为： M air02(IFcs3gross ea1) (4) 式中， 为
12、燃料电池堆单池数； i 为空气的 8 摩尔质量； 。，为氧气摩尔分数；A o为随，Fc 变化的过量空气系数。 12流量模块 由实验测得Vairex VV1020型空气压缩机的 静态特性表格见图5。 rh air d=LUT( 。 r ) (5) 可以确定在标准条件(25 cc及100 KPa)下对 应于空压机转速h 。 和压缩比rP的空气流量 空压机的压缩比定义为空压机输出空气 压力对于输入空气压力的比。应用关系式： ： rnmair (6) 。 。a 最终得到真实条件下( 及P。 )的空气流 量 式中，P 为标准进气条件下人口空气 压力和温度。 丑 婿 图5压缩机流量特性数据 假定输出和输入
13、空气均为理想气体，整个后 部管路的背压可由式(7)近似计算_3j： 卸 g = 警】 (7) 式中，P。 、To q 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 =25 oC，出口温度To =80 cc；R为理想气体常 数； 为与空气流道相关的压降系数。根据测试， 确定本系统中压降系数 =970810。 空气压缩机出口压力： P。 =p b+ap (8) 上海汽车201002 空气压缩比： 本文中估算时滞因子 T。=01，散热因子 = T 算模块 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022。 定义流量模块的空气输出矢量为 ， ，矗 ) ，其
14、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 (gmo1)可以按照下式计算： M i 兰 Hin，leotMH，o+(1一 ) - o， +(1一 )(1一 )MN， (10) 式中，输入空气的水蒸气摩尔分数 由下式 给出： yinlet P 一H20 Ham2b0Psat_H2o aHm2boLUT(Ta b) AH20一P mhP mh P b (1I) 式中， (a mb为相对湿度，LUT(Ta )为水蒸气的 饱和压力表。 据此，得到输出空气各组分的摩尔流量： eo m p：(1一 ) 。dr y mair (12) co mp = 1 in：le t(1 dry
15、 ， ma iir (13) ncomp ： i nlet T,airH ( 、20( 14) H20 ： 13温度计算模块 空压机在压缩过程中，无论对象为何种气体， 除非压缩过程非常缓慢或者有冷却环节，均需对 气体做功，气体的温度将升高。 不考虑时滞的空气经压缩后的温升由下式给 出 ： AT =( ) 一1竹comp一 (15) 式中，空气比热比 ：cpc =14，Tcomp为空压 机效率。因此，相应的输出压缩空气的温度是： = o + 。 (16) 考虑时滞 。T和散热因子y T，输出压缩空 气的温度可以按下式作如下估计： (卜7T)+ T唧 (17) E海汽车201002 根据实测，得到
16、空压机转速与电机电功率关 系的经验公式P。 =LUT(rp，n)(见图6)及表 征电机效率的静态特性表格叼 =LUT(n) ，这 样，可以计算空压机的机械输入功率P =P 。 mm空压机自带的控制器功率很小，可以忽略不 计。空气压缩机做功功率： )：坚 牢 (18) 因此，可以得到空气压缩机效率，7 ： 叼。= (19) 叼comp 图6压缩机功耗特性数据 2 空气压缩机特性仿真 根据VV1020型空气压缩机模型相关方程 (1)(19)，用MatlabSimulink建立空气压缩机 系统模型(见图7)，并进行相关仿真研究。 21环境因素对空气压缩机的影响 影响压缩机工作状态的环境因素主要包括环 境温度和大气压力。图8是环境温度分别为 1O、30、50和80，压缩机转速为 2 000 rmin，不同出口压力条件下压缩机出口空
