[發明專利]燃料電池系統中氫氣循環泵瞬態建模方法

有效

• 申請號: 202110514510.0
• 申請日: 2021-05-08
• 公開（公告）號: CN113314739B
• 公開（公告）日: 2021-12-24
• 發明（設計）人: 焦魁;楊子俊;楊子榮;王博文
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: H01M8/04298
• 分類號: H01M8/04298
• 代理公司: 天津盈佳知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 12224
• 代理人: 孫寶蕓

本發明公開了燃料電池系統中氫氣循環泵瞬態建模方法，模型基于多項式回歸的方法擬合得到氫氣循環泵流量、轉速和出口壓強的關系函數，然后耦合驅動電機的慣性環節，構建出完整的瞬態離心式氫氣循環泵模型，最后對驅動電機的控制電壓進行PID控制，三種模型耦合計算得到氫氣循環泵的瞬態響應，并控制氫氣循環泵滿足燃料電池堆的尾氣回收需求，以此達到控制氫氣循環泵的目的。該模型在保證了仿真準確性的前提下，顯著提高了計算速率，其既可用于計算穩態下的燃料電池堆工況，又能仿真計算實際道路工況下，電堆變載時的實時瞬態響應，能夠更好的與燃料電池系統進行聯動仿真，對于優化燃料電池系統控制策略有著重要的意義。

技術領域

本發明屬于燃料電池領域，具體涉及一種質子交換膜燃料電池中的氫氣循環泵瞬態建模方法。

背景技術

近幾十年來，空氣質量的負面影響一直是國際急需解決的問題，其中機動車排氣污染占有很大比例。為改善城市的空氣質量，質子交換膜燃料電池吸引了許多國家的關注，其顯著特點是溫室氣體排放量為零、負載響應快、能量轉換效率高、靜音和工作溫度低等，因此燃料電池汽車成為了新能源汽車發展的重要方向。

燃料電池汽車使用的燃料是來自于高壓氫氣罐內存儲的氫氣。如果車用燃料電池提供的氫氣量減小、甚至短缺都會對電池堆造成不可逆的損傷和性能下降。因此，必須保證一定存量的氫氣來維持電池堆的運行，但是如果沒有設置氫氣回收子系統，未反應的氫氣會直接排放到環境中。燃料的浪費除了會提高使用成本、縮減續航里程外，關鍵是會出現安全問題。此外，為了得到更好的性能，電池堆陽極入口的氫氣往往需要加濕，而加濕器會增加系統的體積和成本，并且加濕器內殘留的液態水會在零度以下凍結，影響燃料電池的冷啟動速度。若在燃料電池系統內使用氫氣循環泵，便能有效的解決上述兩個問題。氫氣循環泵會將陽極出口未反應的氫氣和水蒸氣送回供應系統的歧管，與氫氣罐供應的氫氣混合，再次進入電池堆，既提高了燃料的利用率，又起到對氫氣加濕的作用。

使用氫氣循環泵必然會提高燃料電池的性能和使用壽命，但在具體的使用過程中將出現多種復雜的問題，如果采用數學建模的方法來獲得實驗研究的成果，無疑是本行業之所求，它能夠大幅降低研發成本，也能夠對出現的實際問題進行預判。

發明內容

本發明的目的是，提出一種質子交換膜燃料電池系統中離心式氫氣循環泵的瞬態建模方法。通過采用多項式回歸的方法擬合離心式氫氣循環泵的流量、轉速和出口壓強的關系，然后耦合驅動電機的慣性環節，構建瞬態的離心式氫氣循環泵模型，最后對驅動電機的控制電壓進行比例積分微分控制(PID)控制，以此達到控制氫氣循環泵的目的。

本發明方法的技術方案是：建立包括氫氣循環泵體積流量、轉速和出口壓強的關系模型、驅動電機的慣性環節模型、以及驅動電機控制電壓的PID控制模型，三種模型耦合計算得到氫氣循環泵的瞬態響應，并控制氫氣循環泵滿足燃料電池堆的尾氣回收需求。每個模型建立的具體步驟如下：

(1)構建氫氣循環泵體積流量、轉速和出口壓強的關系模型

首先擬合氫氣循環泵的特性曲線，對氫氣循環泵入口氣體的體積流量和轉子的角速度與轉速，進行溫度和壓強的修正如下：

其中，W_bc、ω_bc和N_bc分別表示修正后的體積流量、角速度和轉速，W_bl、ω_bl和N_bl表示實際的體積流量、角速度和轉速，T_in和P_in表示入口氣體的溫度和壓強，T_ref和P_ref表示參考溫度和壓強。

為了提高數據擬合的精度，對已公開的(文獻)氫氣循環泵特性曲線中的樣本點進行數據標準化處理，如下：