權(quán)利要求書： 1.燃料電池系統(tǒng)中離心式空氣壓縮機瞬態(tài)建模方法，其特征是：方法的建立包括建立空氣壓縮機的質(zhì)量流量關(guān)系模型、驅(qū)動電機的慣性模型、以及計算控制策略下壓縮機的瞬態(tài)響應，使空氣壓縮機滿足燃料電池堆需求的質(zhì)量流量以及工作壓強，具體步驟如下：(1)建立空氣壓縮機的質(zhì)量流量關(guān)系模型，首先擬合空氣壓縮機的質(zhì)量流量特性曲線，對壓縮機的轉(zhuǎn)速和質(zhì)量流量進行溫度與壓強的修正如下：其中θ表示溫度修正系數(shù)，δ表示壓力修正系數(shù)，mcp表示空壓機的質(zhì)量流量，mair,cr表示修正后的空氣流量數(shù)值，Ncr表示修正后的空氣壓縮機轉(zhuǎn)速，Ncp表示空氣壓縮機轉(zhuǎn)速，基于公開的離心式壓縮機的質(zhì)量流量曲線中的樣本點，利用二元五次多項式擬合構(gòu)建出升壓比、轉(zhuǎn)速與質(zhì)量流量的關(guān)系式如下：式中x是經(jīng)過中心正則化處理的轉(zhuǎn)速，y是經(jīng)過中心正則化處理的升壓比，p00,p10…p14,p05分別表示多項式擬合系數(shù)，在多項式擬合中，除去了壓縮機的喘振工作區(qū)及超過最大流量的工作區(qū)，喘振線與最大流量線也采取多項式擬合方法；

(2)驅(qū)動電機的慣性模型

2.1空氣壓縮機的慣性環(huán)節(jié)計算表達式如下：

式中Jcp表示空壓機轉(zhuǎn)子部分的轉(zhuǎn)動慣量，ωcp表示轉(zhuǎn)子的角速度，t表示時間，τcm表示驅(qū)動電機的驅(qū)動力矩，τcp表示壓縮機的負載力矩，

2.2驅(qū)動電機的驅(qū)動力矩計算表達式如下：

式中κt表示驅(qū)動電機的力矩常數(shù)，κv表示驅(qū)動電機的電壓常數(shù)，ηcm表示驅(qū)動電機效率，Rcm表示電機電樞電阻，ωcm表示電機的角速度，vcm表示驅(qū)動電機端電壓，

2.3壓縮機角速度與驅(qū)動電機的角速度關(guān)系如下：

ωcp＝rωcm(2?3)式中r表示壓縮機的驅(qū)動比，

2.4壓縮機的負載力矩計算表達式如下：

式中Pcp表示空壓機的功率，cp表示空氣的比熱容，Tcp,in表示進氣溫度，ηcp表示空壓機的效率，pcp,out、pcp,in分別表示空氣壓縮機出口與入口壓強，γ表示空氣的比熱比系數(shù)，經(jīng)過空壓機壓縮后氣體的出口溫度為：基于步驟(1)和(2)可以構(gòu)建出完整的空氣壓縮機模型，

(3)計算控制策略下壓縮機的瞬態(tài)響應

當空壓縮轉(zhuǎn)速一定時，驅(qū)動力矩等于空壓機負載力矩，以此求解驅(qū)動電機的穩(wěn)定電壓：式中Pcp表示空壓機的功率，

將實時監(jiān)測得到的空壓機質(zhì)量流量，與電堆需要的質(zhì)量流量進行對比，兩者的差值作為比例積分微分控制的偏差量，從而計算出控制量：式中 表示燃料電池堆需要的空氣質(zhì)量流量， 表示空氣壓縮機的實際質(zhì)量流量，e(t)表示偏差量，Kp，KI，KD分別表示比例、積分、微分系數(shù)，u(t)表示控制量， 表示PID控制后的驅(qū)動電機電壓，根據(jù)電堆的供氣需求確定空氣壓縮機的工況點，如果工況點位于喘振區(qū)或超過最大流量區(qū)，則調(diào)整提高空壓機的出口壓力與入口壓力的比值優(yōu)先滿足質(zhì)量流量的需求，確定該比值之后，根據(jù)壓縮機當前轉(zhuǎn)速計算當前的實際質(zhì)量流量，從而與需求值進行比較計算偏差量以及控制量，得出新的空壓機轉(zhuǎn)速以及質(zhì)量流量，如此往復循環(huán)，直到空氣壓縮機的實際質(zhì)量流量與需求值達到設定的誤差，能夠計算和控制穩(wěn)態(tài)工況下空壓機的性能，以及變載工況下空壓機的瞬態(tài)響應能力。

說明書： 燃料電池系統(tǒng)中離心式空氣壓縮機瞬態(tài)建模方法技術(shù)領(lǐng)域[0001] 本發(fā)明屬于燃料電池領(lǐng)域，具體涉及質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)中包含控制策略的離心式空氣壓縮機瞬態(tài)建模方法。技術(shù)背景

[0002] 質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)具有高能量密度、高能量轉(zhuǎn)化效率、零排放等優(yōu)勢，被認為是未來交通運輸行業(yè)的清潔能源之一。充足的反應氣體供給是燃料電池堆正常穩(wěn)定工作的前提之一，空氣供給系統(tǒng)包括空氣濾清器、空氣壓縮機、中冷器、加濕器等?？諝馐紫韧ㄟ^濾清器去除顆粒雜質(zhì)，后經(jīng)過壓縮機增壓、中冷器冷卻以及加濕器加濕之后進入電堆?？諝夤┙o系統(tǒng)中，由于空氣壓縮機的瞬態(tài)響應遲滯，當負載電流突變時，空氣供應量必定會滯后于實際需求量，這意味著電堆中可能出現(xiàn)氧氣不足現(xiàn)象，造成輸出電壓的下降、甚至縮短電堆使用壽命。因此，空氣通常會以一定的過量系數(shù)(進氣量與實際消耗量的比值)來供給，增加空氣過量系數(shù)有助于輸出性能的提高，但是也會增加空氣壓縮機的能耗，從而導致系統(tǒng)凈功率的降低，綜合來看，過量空氣系數(shù)并非越高越好。

[0003] 適用于燃料電池的空氣壓縮機多種多樣，如羅茨鼓風機、渦旋壓縮機、螺桿壓縮機等。其中渦輪式壓縮機屬于離心式壓縮機，壓縮機主要由進氣室、葉輪、擴壓器、彎道、回流器和蝸室組成，該壓縮機比功率高，相對效率也比較高?？諌簷C作為慣性較大的部件，其瞬態(tài)響應能力直接決定了空氣的實際供給情況，從而影響了系統(tǒng)的瞬態(tài)響應能力。此外，壓縮機的能耗也是需要密切關(guān)注的問題。若要精確描述空壓機中氣體流動情況，需要構(gòu)建包含葉片在內(nèi)的空壓機幾何模型，通過流體力學方法來進行仿真計算，但是這種方法參數(shù)多且模型復雜，計算效率低且無法與進氣控制策略耦合在一起，因而很難應用到實際系統(tǒng)中。[0004] 本發(fā)明提出了一種簡化的包含控制策略在內(nèi)的瞬態(tài)空氣壓縮機模型，基于質(zhì)量流量數(shù)據(jù)庫識別出壓縮機壓強、轉(zhuǎn)速與流量的函數(shù)，然后耦合驅(qū)動電機的慣性模型構(gòu)建完整的空壓機模型，不僅能夠真實的描述變載工況下系統(tǒng)的實際進氣狀況，而且能夠仿真不同的控制策略下空氣壓縮機的性能表現(xiàn)。這對于空壓機的控制策略優(yōu)化有著重要的意義，而且明顯節(jié)省了空壓機的臺架實驗成本。發(fā)明內(nèi)容[0005] 本發(fā)明的目的在于提出一種包含控制策略在內(nèi)的瞬態(tài)空氣壓縮機建模方法，基于質(zhì)量流量數(shù)據(jù)庫識別出壓縮機壓強、轉(zhuǎn)速與流量的函數(shù)，然后耦合驅(qū)動電機的慣性模型構(gòu)建完整的空壓機模型，能夠計算穩(wěn)態(tài)工況下空壓機的性能表現(xiàn)以及變載工況下空壓機的瞬態(tài)響應能力。[0006] 以下對本發(fā)明的內(nèi)容進行介紹與說明。燃料電池系統(tǒng)中離心式空氣壓縮機瞬態(tài)建模方法，所述模型的建立包括建立空氣壓縮機的質(zhì)量流量關(guān)系模型、驅(qū)動電機的慣性模型、以及計算控制策略下壓縮機的瞬態(tài)響應，使空氣壓縮機滿足燃料電池堆需求的質(zhì)量流量以及工作壓強。[0007] 空壓機的升壓比(出口壓力與入口壓力的比值)及轉(zhuǎn)速決定了其質(zhì)量流量，而空壓機的轉(zhuǎn)子通常由驅(qū)動電機帶動，受到電機端電壓的影響，因此，空壓機模型需要構(gòu)建驅(qū)動電機電壓、電機轉(zhuǎn)速、空壓機轉(zhuǎn)速、空壓機升壓比及質(zhì)量流量的關(guān)系。具體步驟如下：(1)建立空氣壓縮機的質(zhì)量流量關(guān)系模型，首先擬合空氣壓縮機的質(zhì)量流量特性曲線，壓縮機的轉(zhuǎn)速和質(zhì)量流量進行溫度與壓強的修正如下：[0008][0009] 其中θ表示溫度修正系數(shù)，δ表示壓力修正系數(shù)，mcp表示空壓機的質(zhì)量流量，mair,cr表示修正后的空氣流量數(shù)值。[0010] 基于公開的離心式壓縮機的質(zhì)量流量曲線中的樣本點，利用二元五次多項式擬合構(gòu)建出升壓比、轉(zhuǎn)速與質(zhì)量流量的關(guān)系式如下：[0011][0012] 式中x是經(jīng)過中心正則化處理的轉(zhuǎn)速，y是經(jīng)過中心正則化處理的升壓比，p00,p10…p14,p05分別表示多項式擬合系數(shù)。[0013] 在多項式擬合中，除去了壓縮機的喘振工作區(qū)及超過最大流量的工作區(qū)，喘振線與最大流量線也采取多項式擬合方法。[0014] (2)驅(qū)動電機的慣性模型[0015] 2.1空氣壓縮機的慣性環(huán)節(jié)計算表達式如下：[0016][0017] 式中Jcp表示空壓機轉(zhuǎn)子部分的轉(zhuǎn)動慣量，ωcp表示轉(zhuǎn)子的角速度，t表示時間，τcm表示驅(qū)動電機的驅(qū)動力矩，τcp表示壓縮機的負載力矩。[0018] 2.2驅(qū)動電機的驅(qū)動力矩計算表達式如下：[0019][0020] 式中κt表示驅(qū)動電機的力矩常數(shù)，κv表示驅(qū)動電機的電壓常數(shù)，ηcm表示驅(qū)動電機效率，Rcm表示電機電樞電阻，ωcm表示電機的角速度，vcm表示驅(qū)動電機端電壓。[0021] 2.3壓縮機角速度與驅(qū)動電機的角速度關(guān)系如下：[0022] ωcp＝rωcm(2?3)[0023] 式中r表示壓縮機的驅(qū)動比，[0024] 2.4壓縮機的負載力矩計算表達式如下：[0025][0026][0027] 式中Pcp表示空壓機的功率，cp表示空氣的比熱容，Tcp,in表示進氣溫度，ηcp表示空壓機的效率，pcp,out、pcp,in分別表示空氣壓縮機出口與入口壓強，γ表示空氣的比熱比系數(shù)。[0028] 經(jīng)過空壓機壓縮后氣體的出口溫度為：[0029][0030] 基于步驟(1)和(2)可以構(gòu)建出完整的空氣壓縮機模型。給定轉(zhuǎn)速與升壓比的情況下，能夠計算壓縮機的質(zhì)量流量，但是使空氣壓縮機滿足燃料電池堆需求的質(zhì)量流量以及工作壓強則涉及到控制策略的問題。[0031] (3)計算控制策略下壓縮機的瞬態(tài)響應[0032] 當空壓縮轉(zhuǎn)速一定時，驅(qū)動力矩等于空壓機負載力矩，以此求解驅(qū)動電機的穩(wěn)定電壓：[0033][0034] 式中Pcp表示空壓機的功率，ηcm表示空壓機的效率，[0035] 將實時監(jiān)測得到的空壓機質(zhì)量流量，與電堆需要的質(zhì)量流量進行對比，兩者的差值作為比例積分微分控制(PID)的偏差量，從而計算出控制量：[0036][0037][0038][0039] 式中 表示燃料電池堆需要的空氣質(zhì)量流量， 表示空氣壓縮機的實際質(zhì)量流量，e(t)表示偏差量，Kp，KI，KD分別表示比例、積分、微分系數(shù)，u(t)表示控制量， 表示PID控制后的驅(qū)動電機電壓。[0040] 根據(jù)電堆的供氣需求確定空氣壓縮機的工況點，如果工況點位于喘振區(qū)或超過最大流量區(qū)，則調(diào)整提高空壓機的出口壓力與入口壓力的比值優(yōu)先滿足質(zhì)量流量的需求，確定該比值之后，根據(jù)壓縮機當前轉(zhuǎn)速計算當前的實際質(zhì)量流量，從而與需求值進行比較計算偏差量以及控制量，得出新的空壓機轉(zhuǎn)速以及質(zhì)量流量，如此往復循環(huán)，直到空氣壓縮機的實際質(zhì)量流量與需求值達到設定的誤差，能夠計算和控制穩(wěn)態(tài)工況下空壓機的性能，以及變載工況下空壓機的瞬態(tài)響應能力。[0041] 本發(fā)明的特點及創(chuàng)新之處在于：[0042] (1)所構(gòu)建的瞬態(tài)離心式空氣壓縮機模型，克服了復雜流體力學分析中存在的模型參數(shù)眾多且無法運用到實際系統(tǒng)中的弊端，保證仿真準確性的同時提高了計算效率，而且壓縮機模型中耦合了進氣控制策略，因而能夠更好的與燃料電池系統(tǒng)聯(lián)用。[0043] (2)該模型不僅能夠仿真穩(wěn)態(tài)工況下壓縮機的性能表現(xiàn)，而且能夠仿真變載工況下的瞬態(tài)響應情況，模型的適用性強，有著重要的科學意義與實用價值。[0044] (3)該模型能夠仿真不同控制策略下的實際進氣情況，從而優(yōu)化空氣進氣系統(tǒng)控制策略，增加燃料電池系統(tǒng)的工作可靠性，而且模型仿真大大減小了空氣壓縮機研發(fā)過程中的臺架實驗成本。附圖說明[0045] 圖1是離心式空氣壓縮機質(zhì)量流量特性圖。[0046] 圖2是離心式空氣壓縮機控制流程圖。[0047] 圖3是Matlab多項式擬合結(jié)果。[0048] 圖4是壓縮機模型在PID控制策略下的性能表現(xiàn)。[0049] 圖5是壓縮機模型在優(yōu)化后的PID控制策略下的性能表現(xiàn)。[0050] 圖3至圖5均為本發(fā)明實施效果。具體實施方式[0051] 以下通過具體實施例對本發(fā)明的建模過程作進一步的說明，需要說明的是本計算實施例是敘述性的，而不是限定性的，不以此限定本發(fā)明的保護范圍。[0052] 燃料電池系統(tǒng)中離心式空氣壓縮機瞬態(tài)建模方法，模型的建立包括建立空氣壓縮機的質(zhì)量流量關(guān)系模型、驅(qū)動電機的慣性模型、以及計算控制策略下壓縮機的瞬態(tài)響應。使空氣壓縮機滿足燃料電池堆需求的質(zhì)量流量以及工作壓強，具體步驟如下：[0053] (1)建立空氣壓縮機的質(zhì)量流量關(guān)系模型，首先擬合空氣壓縮機的質(zhì)量流量特性曲線[0054] 工作溫度與壓強的變化會導致壓縮機性能的變化，而壓縮機的MAP圖給出的是特定工況下的質(zhì)量流量特性，對壓縮機的轉(zhuǎn)速和質(zhì)量流量進行溫度與壓強的修正如下：[0055][0056] 其中θ表示溫度修正系數(shù) δ表示壓力修正系數(shù) mcp(kgs?1)?1

表示空壓機的質(zhì)量流量，mair,cr(kgs )表示修正后的空氣流量數(shù)值。

[0057] Rotrex公司的C15?16系列離心式壓縮機的質(zhì)量流量圖可以在產(chǎn)品指導手冊中獲取，如圖1所示?；谒_的離心式壓縮機的質(zhì)量流量曲線中的樣本點，利用二元五次多項式擬合構(gòu)建出升壓比、轉(zhuǎn)速與質(zhì)量流量的關(guān)系式如下：[0058][0059] 式中x是經(jīng)過中心正則化處理的轉(zhuǎn)速，y是經(jīng)過中心正則化處理的升壓比，p00,p10…p14,p05分別表示多項式擬合系數(shù)。[0060] 在多項式擬合中，除去了壓縮機的喘振工作區(qū)及超過最大流量的工作區(qū)，喘振線與最大流量線也采取多項式擬合方法。[0061] (2)驅(qū)動電機的慣性模型[0062] 2.1空氣壓縮機的慣性環(huán)節(jié)計算表達式如下：[0063][0064] 式中Jcp(kgm2)表示空壓機轉(zhuǎn)子部分的轉(zhuǎn)動慣量，ωcp(rads?1)表示轉(zhuǎn)子的角速度，t(s)表示時間，τcm(Nm)表示驅(qū)動電機的驅(qū)動力矩，τcp(Nm)表示壓縮機的負載力矩，[0065] 2.2驅(qū)動電機的驅(qū)動力矩計算表達式如下：[0066][0067] 式中κt表示驅(qū)動電機的力矩常數(shù)，κv表示驅(qū)動電機的電壓常數(shù)，ηcm表示驅(qū)動電機?1效率，Rcm表示電機電樞電阻，ωcm(rads )表示電機的角速度，vcm()表示驅(qū)動電機端電壓。

[0068] 2.3壓縮機角速度與驅(qū)動電機的角速度關(guān)系如下：[0069] ωcp＝rωcm(2?3)[0070] 式中r表示壓縮機的驅(qū)動比，[0071] 2.4壓縮機的負載力矩計算表達式如下：[0072][0073][0074] 式中Pcp(W)表示空壓機的功率，cp(Jkg?1K?1)表示空氣的比熱容，Tcp,in(K)表示進氣溫度，ηcp表示空壓機的效率，pcp,out、pcp,in(Pa)分別表示空氣壓縮機出口與入口壓強，γ表示空氣的比熱比系數(shù)。[0075] 經(jīng)過空壓機壓縮后氣體的出口溫度為：[0076][0077] 基于步驟(1)和(2)可以構(gòu)建出完整的空氣壓縮機模型，給定轉(zhuǎn)速與升壓比的情況下，能夠計算壓縮機的質(zhì)量流量，但是使空氣壓縮機滿足燃料電池堆需求的質(zhì)量流量以及工作壓強則涉及到控制的問題。[0078] (3)計算控制策略下壓縮機的瞬態(tài)響應[0079] 驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速受到端電壓的控制，因而端電壓怎么變化直接影響了空氣壓縮機的響應，本實施例采用一種簡單的比例積分微分(PID)控制方法。[0080] 當空壓縮轉(zhuǎn)速一定時，驅(qū)動力矩等于空壓機負載力矩，以此求解驅(qū)動電機的穩(wěn)定電壓：[0081][0082] 式中Pcp(W)表示空壓機的功率，ηcm表示空壓機的效率，[0083] 將實時監(jiān)測得到的空壓機質(zhì)量流量，與電堆需要的質(zhì)量流量進行對比，兩者的差值作為比例積分微分控制(PID)的偏差量，從而計算出控制量：[0084][0085][0086][0087] 式中 表示燃料電池堆需要的空氣質(zhì)量流量， 表示空氣壓?1

縮機的實際質(zhì)量流量，e(t)(kgs )表示偏差量，Kp，KI，KD分別表示比例、積分、微分系數(shù)，u(t)()表示控制量， 表示PID控制后的驅(qū)動電機電壓，

[0088] 空氣壓縮機控制流程的簡要示意圖如圖2所示，根據(jù)電堆的供氣需求確定空氣壓縮機的工況點，如果工況點位于喘振區(qū)或超過最大流量區(qū)，則調(diào)整提高空壓機的出口壓力與入口壓力的比值優(yōu)先滿足質(zhì)量流量的需求，確定該比值之后，根據(jù)壓縮機當前轉(zhuǎn)速計算當前的實際質(zhì)量流量，從而與需求值進行比較計算偏差量以及控制量，得出新的空壓機轉(zhuǎn)速以及質(zhì)量流量，如此往復循環(huán)，直到空氣壓縮機的實際質(zhì)量流量與需求值達到設定的誤差，能夠計算和控制穩(wěn)態(tài)工況下空壓機的性能，以及變載工況下空壓機的瞬態(tài)響應能力。[0089] 下面結(jié)合具體算例進一步說明本發(fā)明的應用步驟，具體實施算例涉及到的主要參數(shù)如下：[0090] 離心式空氣壓縮機參數(shù)：轉(zhuǎn)動慣量(kgm2)為5×10?5，驅(qū)動電機常數(shù)Kv,Kt分別為0.026、0.036，驅(qū)動電機效率為0.97，壓縮機效率為0.8，電機電樞電阻(Ω)為0.01，驅(qū)動比為12.67；

[0091] 壓縮機進氣溫度(K)為298.15，進氣壓強(atm)為1.0；[0092] 空氣的比熱比系數(shù)為1.40；[0093] 驅(qū)動電機當前轉(zhuǎn)速(RPM)為6000；[0094] 空氣壓縮機當前升壓比為1.2；[0095] 燃料電池堆需要的空氣進氣壓強(atm)為1.2；[0096] 燃料電池堆的單電池數(shù)為400；[0097] 單電池反應面積(cm2)為200；[0098] 空氣化學計量比為2.0；[0099] 以下選取燃料電池堆的電流密度由1.0Acm?2變?yōu)?.5Acm?2時，空氣壓縮機模型在一個時間步長的響應過程作為算例。[0100] (1)計算燃料電池堆當前質(zhì)量流量與需要的空氣質(zhì)量流量[0101] 燃料電池堆需要的空氣質(zhì)量流量根據(jù)法拉第定律進行計算：[0102][0103] 式中mair,req(kgs?1)表示需要的空氣質(zhì)量流量，I(Acm?2)表示電流密度，A(cm2)?1表示單電池反應面積，ζ表示空氣化學計量比，Mair(gmol )表示空氣的摩爾質(zhì)量，Nstack表?1

示電堆中單電池數(shù)，F(xiàn)(Cmol )表示法拉第常數(shù)。

[0104] 根據(jù)上式，計算得出電流密度為1.5Acm?2時，燃料電池堆需要的空氣質(zhì)量流量(kg?1s )為0.0572，工作溫度與壓強的變化會導致壓縮機性能的變化，而壓縮機的MAP圖給出的是特定工況下的質(zhì)量流量特性。首先需要對壓縮機的質(zhì)量流量進行修正：

[0105]?1

[0106] 其中θ表示溫度修正系數(shù) δ表示壓力修正系數(shù) mcp(kgs )?1

表示空壓機的質(zhì)量流量，mair,cr(kgs )表示修正后的空氣質(zhì)量流量。

[0107] 根據(jù)燃料電池堆實際需要的質(zhì)量流量反過來計算MAP圖中的空氣質(zhì)量流量(kgs?1)為0.0563。

[0108] 燃料電池堆當前質(zhì)量流量需要根據(jù)當前轉(zhuǎn)速以及升壓比來進行計算，首先需要擬合出壓縮機的質(zhì)量流量特性圖，利用圖1中的樣本點，通過Matlab中多項式擬合工具箱進行擬合，擬合結(jié)果如圖3所示。具體表達式如下：[0109][0110] mcp＝p00+p10x+p01y+p20x2+p11xy+p02y2+p30x3+p21x2y+p12xy2+p03y3[0111] +p40x4+p31x3y+p22x2y2+p13xy3+p04y4+p50x5+p41x4y+p32x3y2+p23x2y3+p14xy4+p05y5[0112] 式中x是經(jīng)過中心正則化處理的轉(zhuǎn)速，y是經(jīng)過中心正則化處理的升壓比，Ncp(RPM)為壓縮機轉(zhuǎn)速，pratio為空氣升壓比，p表示多項式擬合系數(shù)，系數(shù)取值如下表，擬合結(jié)果的標準差為0.005529，確定系數(shù)為0.9805，表明擬合結(jié)果對于樣本點有著良好的吻合度。[0113][0114] 喘振線與最大流量線的擬合結(jié)果如下：[0115] 喘振線：psurging＝1.009×104mcp3+264.5mcp2+2.469mcp+1.032[0116] 最大流量線：pmax_rate＝445.9mcp3?68.58mcp2+5.975mcp+0.9028[0117] 已知需求的質(zhì)量流量，判斷需求的壓縮機工況點是否在喘振區(qū)或者超過最大流量區(qū)，如果工況點位于喘振區(qū)，則需要降低升壓比，如果工況點超過最大流量線，則需要增加升壓比，從而使空壓機正常工作。根據(jù)需要的空氣質(zhì)量流量，求得喘振線升壓比為3.8057，最大流量線為1.1013，需求的升壓比為1.20，數(shù)值處于兩者之間，故無需對升壓比進行調(diào)整。[0118] 已知驅(qū)動電機當前轉(zhuǎn)速(RPM)為6000，求得壓縮機當前轉(zhuǎn)速(RPM)為76020，將該轉(zhuǎn)?1速換算到MAP圖上，對應的轉(zhuǎn)速(RPM)為77348，求得當前的空氣質(zhì)量流量(kgs )為

0.0224。

[0119] (2)驅(qū)動電機的慣性模型[0120] 當空壓縮轉(zhuǎn)速一定時，驅(qū)動力矩等于空壓機負載力矩，不難求解驅(qū)動電機的穩(wěn)定電壓：[0121][0122] 式中vcm()表示驅(qū)動電機端電壓，Pcp(W)表示空壓機的功率，Rcm表示電機電樞電阻，ηcm表示空壓機的效率，式中κt，κv表示驅(qū)動電機常數(shù)，ηcm表示驅(qū)動電機效率，ωcp(rads?1 ?1)表示壓縮機的角速度，ωcm(rads )表示電機的角速度。

[0123] 空壓機的功率計算表達式如下：[0124][0125] 式中cp(Jkg?1K?1)表示空氣的比熱容，Tcp,in(K)表示進氣溫度，ηcp表示空壓機的效率，pcp,out，pcp,in(Pa)分別表示空氣壓縮機出口與入口壓強，γ表示空氣的比熱比系數(shù)。[0126] 根據(jù)當前壓縮機的運行參數(shù)，計算得出壓縮機功率(W)為450.567，驅(qū)動電機的端電壓()為36.871。[0127] (3)計算PID控制量以及壓縮機的瞬態(tài)響應[0128] 根據(jù)壓縮機當前的質(zhì)量流量及需求的質(zhì)量流量，計算偏差量與控制量：[0129][0130][0131][0132] 式中 表示燃料電池堆需求的空氣質(zhì)量流量， 表示空氣?1

壓縮機的實際質(zhì)量流量，e(t)(kgs )表示偏差量，Kp，KI，KD分別表示比例、積分、微分系數(shù)，u(t)()表示控制量， 表示PID控制后的驅(qū)動電機電壓。

[0133] 計算得出偏差量為0.0339，控制量的數(shù)值與PID參數(shù)的選取有關(guān)，本例中取Kp＝1.2，KI＝20，KD＝20，從而計算得出控制量為0.4475，PID控制后的驅(qū)動電機電壓()為

37.319。

[0134] 驅(qū)動電機的慣性環(huán)節(jié)如下：[0135][0136] 式中Jcp(kgm2)表示空壓機轉(zhuǎn)子部分的轉(zhuǎn)動慣量，ωcp(rads?1)表示轉(zhuǎn)子的角速度，t(s)表示響應時間，τcm(Nm)表示驅(qū)動電機的驅(qū)動力矩，τcp(Nm)表示壓縮機負載力矩。[0137] 驅(qū)動電機的驅(qū)動力矩計算表達式如下：[0138][0139] 式中τcm(Nm)表示驅(qū)動力矩，κt，κv表示驅(qū)動電機常數(shù)，ηcm表示驅(qū)動電機效率，Rcm?1表示電機電樞電阻，ωcm(rads )表示電機的角速度，vcm()表示驅(qū)動電機端電壓。根據(jù)PID控制后的驅(qū)動電機電壓則可以求解驅(qū)動力矩(Nm)為0.7332。

[0140] 壓縮機的負載力矩計算表達式如下：[0141][0142] 式中τcp(Nm)表示負載力矩，Pcp(W)表示空壓機的功率，ωcp(rads?1)表示轉(zhuǎn)子的角速度，計算得出負載力矩(Nm)為0.7171。[0143] 已知驅(qū)動力矩(Nm)為0.7332，負載力矩(Nm)為0.7171，從而可以計算MAP圖中?1新的壓縮機角速度(rads )為660.434，壓縮機轉(zhuǎn)速(RPM)為79906，經(jīng)過溫度與壓強修正后，對應的壓縮機實際轉(zhuǎn)速(RPM)為78534，驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速(RPM)為6198。

[0144] 圖3至圖5均為本發(fā)明實施效果，其中圖4為本模型在一組PID控制策略下的性能表現(xiàn)，圖5為本模型在優(yōu)化后的PID控制策略下的性能表現(xiàn)。