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

新能源汽车 收稿日期: 2009 - 09 - 04 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 system as a range extender is a usefulmethod for the range extending of electric vehicle. W ith the help of experi ment data and thermodynamic correction, an air compressormodel for a fuel cell range extender system is established and some related simula2 tions are carried out .The si mulation results show that the air compressor model can reflect the influ2 ence of environment factors, back pressure and compressor speed on the compressor outlet flow.This model can provide useful infor mation 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。 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, 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 6 上海汽车 2010102 新能源汽车 很大 1 。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 k W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 k W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 图3 燃料电池增程器气体流体系统示意图 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PI D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 7 上海汽车 2010102 新能源汽车 图4 空气压缩机模型 空气压缩机角速度满足下式: ( J) d dt =M(1) 其中空压机总转动惯量: J=Jmot+Jcomp(2) 式中,Jmot为马达转动惯量,Jcomp为空压机转动 惯量。 空压机总转矩: M=Mcomp_dir-Mcomp_air-Mcomp_fric(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 ,进而根据n= 60/2可得到空压机转速n。 空压机转速模块中的设定转速由PI D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PI D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 m FCS_gross_cal,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PI D控制器的输入, PI D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 r/min。 在真实条件下(Tamb和Pamb)的期望进气量 m air_des(kg/s)的计算公式表述为: m air_des= Mair xO2 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 摩尔质量;xO2为氧气摩尔分数;O2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Vairex VV21020型空气压缩机的 静态特性表格见图5。 m air_std=LUT(n comp,rp) (5) 可以确定在标准条件 (25 及100 KPa)下对 应于空压机转速n comp和压缩比 rp的空气流量 m air_std。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: m air= Tamb Tstd pstd pamb m air_std (6) 最终得到真实条件下(Tamb及pamb)的空气流 量m air。式中,pstd,Tstd为标准进气条件下入口空气 压力和温度。 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 部管路的背压可由式(7)近似计算 3 : p=kq 2 v=k R m airTout M pout (7) 式中,pout、Tout、m air、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 数;k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k=9. 70810 - 6。 空气压缩机出口压力: pout=pamb+p(8) 8 上海汽车 2010102 新能源汽车 空气压缩比: rp= pout pin (9) 同时,根据VV1020型空气压缩机特性 2限制 模型中空压机压缩比范围为02. 2。 定义流量模块的空气输出矢量为n comp O2_out, n comp N2_out,n comp H2O (g) _out,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: M air?x inlet H2OMH2O+ (1 -x inlet H2O)x dry O2MO2 + (1 -x inlet H2O) (1 - x dry O2)MN2 (10) 式中,输入空气的水蒸气摩尔分数x inlet H2O由下式 给出: X inlet H2O= Pamb_H2O Pamb = amb H2OPsat_H2O Pamb = amb H2OLUT(Tamb) Pamb (11) 式中, amb H2O为相对湿度,LUT(Tamb)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: n comp O2_out= (1 -x inlet H2O)x dry O2 m air Mair (12) n comp N2_out= (1 -x inlet H2O) (1 - x dry O2) m air Mair (13) n comp H2O (g) _out=x inlet H2O m air Mair (14) 1. 3 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 5 : Tcomp = ( rp) - 1 - 1 T in comp comp (15) 式中,空气比热比=cp/cv=1. 4,comp为空压 机效率。因此,相应的输出压缩空气的温度是: T out comp=T in comp+Tcomp (16) 考虑时滞 T comp和散热因子 T comp,输出压缩空 气的温度可以按下式作如下估计: T out comp= 1 T comps+1 T out comp (1 - T comp ) + T in comp T comp (17) 本文中估算时滞因子 T comp = 0. 1,散热因子 T comp=0. 3。 1. 4 功率计算模块 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 mot=LUT(n) 2 ,这 样,可以计算空压机的机械输入功率Pcomp=Pcomp_et mot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: Pcomp_n(W ) = m airRair (rp) - 1 - 1T in comp - 1 (18) 因此,可以得到空气压缩机效率comp: comp= Pcomp_n Pcomp (19) 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Matlab/Simulink建立空气压缩机 系统模型(见图7) ,并进行相关仿真研究。 2. 1 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 10、30、50和80,压 缩 机 转 速 为 2 000 r/min,不同出口压力条件下压缩机出口空 气流量的仿真结果。 由仿真结果可知,在相同的 9 上海汽车 2010102 新能源汽车 图7 空气压缩机系统模型 压缩机转速和出口压力条件下,环境温度升高会 导致压缩机出口的空气质量流量减少。因此,当 压缩机要供应一定的质量流量和压力的空气时, 环境温度越高压缩机消耗的功率越大,和理论分 析得到的结论一致。图9为环境温度25,压缩 机转速2 000 r/min时,环境大气压分别为84 Pa、 94. 5 Pa和105 Pa的条件下,压缩机的空气供应流 量。由仿真结果可知,环境大气压对于压缩机的 工作状态有明显的影响:在相同的压缩机出口压 力下,环境大气压越大,压缩机在相同的转速下流 量越大。由上述结论可知,随着工作环境的海拔 高度升高,压缩机要供应相同流量和压力的空气 需要消耗更多的能量,从而引起燃料电池系统效 率降低。 2. 2 循环工况下空压机动态响应 在本文的建模仿真过程中,空气压缩机的转 速由PI D控制器设定。其中, PI D控制器输入为实 际空压机出口流量与目标流量差值,输出为空气 压缩机设定转速。为了验证空气压缩机动态响应 情况,设定电堆目标电流变化,图10给出了空气 压缩机输出实际空气流量与电堆目标空气流量的 相应曲线,表明按模型设计的PI D参数取值较为 合理,空压机输出的空气流量与燃料电池所需要 的空气流量曲线基本重合。 图8 温度对压缩机流量的影响 图9 环境压力对压缩机流量特性的影响 (下转第14页) 01 上海汽车 2010102 设计研究 加上结构上的应力集中,在外部交变弯曲载荷和 焊接应力双重作用下,随着加载继续,焊缝头尾附 近将出现裂纹扩展,最终出现结构失效。 由以上CAE分析结果了解了后桥总成的危险 区。为保证后桥总成的疲劳性能,设计了后续的 质量控制措施。 3 改进措施 结合CAE的仿真结果,并依据台架试验典型 失效件的分析和对比结果,调整了生产现场焊接 件的匹配,对关键工序的关键点进行重点改进,调 整并减小了加强筋与悬架臂的匹配间隙,加大了 焊缝拐角的半径,重新制造了一批后桥焊接总成, 总成加强筋与悬架臂焊缝的形貌见图7。 调整加强筋与悬架臂的匹配间隙后制造的新 后桥焊接总成的疲劳性能大幅度提高,使国产后 桥一次性通过了弯曲疲劳台架试验,结果非常 理想。 图7 改进后焊缝收弧形貌对比 4 结语 通过重点分析台架试验的典型失效零件,结 合对零件的台架试验受力状况进行的CAE仿真分 析结果,适当调整了生产方案,有的放矢地进行产 品制造环节的工艺控制,最终制造出了合格的后 桥总成产品。走通了一条用CAE结构仿真结