CN114744254A - 氢气循环泵在燃料电池系统中的建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种氢气循环泵在燃料电池系统中的建模方法，在实测数据的基础上建立氢气循环泵出口流量与进出口压力、进口温度、转速的数学模型；然后在流量模型基础上建立泵效率的数学模型，得到氢气循环泵的功率消耗；再基于上述流量模型和效率模型对不同进气压力下的氢气循环泵进行模拟预测，并对比实验结果，以验证模型的准确性和方法的可行性。本发明氢气循环泵的建模方法快捷高效，并且考虑了实际测试中氢气循环泵进口压力和温度变化下的流量表现。本发明通过判断氢气循环泵进出口的条件，得到氢气循环泵的输出特性，对燃料电池系统循环路的控制有一定的指导意义。

Description

氢气循环泵在燃料电池系统中的建模方法

技术领域

本发明属于燃料电池领域，具体涉及氢气循环泵在燃料电池系统中的建模方法。

背景技术

目前全球范围都在降低碳排放，确保实现碳达峰、碳中和的目标。燃料电池作为一种新能源电池，其特点是排放零污染、能量转换效率高，现已成为了新能源汽车研究的重要方向。

在燃料电池系统中，如果氢气供给量不足，会使得燃料电池输出性能不稳定，对电堆造成损伤；如果氢气供给量过大，未反应的氢气排出会造成资源浪费，也存在一定的安全隐患。在燃料电池系统中加入循环管路能有效提高氢气利用率和燃料电池电堆效率。电堆反应剩余的氢气和水蒸汽可通过回流管路和氢气循环泵供给给系统阳极侧，与来自氢瓶的干氢气混合进入电堆，循环路的氢气可以有效增大电堆进气端的湿度，提高氢气的利用率。

氢气循环泵能有效提高燃料电池工作效率，但这对回流路的氢气流量控制有一定的要求。建立氢气回流泵的数学模型能对回流的氢气状态进行预测，降低研发成本，对燃料电池系统的控制策略有指导意义。

申请号为202110514510.0的发明专利“燃料电池系统中氢气循环泵瞬态建模方法”公开了其氢气循环泵模型拟合流量、转速、出口压强的关系函数，然后耦合驱动电机的惯性环节，最后对驱动电机的控制电压进行PID控制得到氢气循环泵的瞬态响应。上述发明中的建模方法仅考虑出口压强随氢气循环泵流量、转速的关系，未考虑氢气循环泵进口的条件变化，实际测试中氢气循环泵进口的压力和温度随着电堆的运行在时刻变化，通过氢气循环泵的气体流量也在改变。

发明内容

本发明提供一种氢气循环泵在燃料电池系统中的建模方法，快捷高效，并且考虑了实际测试中氢气循环泵进口压力和温度变化下的流量表现。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

一种氢气循环泵在燃料电池系统中的建模方法，在实测数据的基础上建立氢气循环泵出口流量与进出口压力、进口温度、转速的数学模型；然后在流量模型基础上建立泵效率的数学模型，得到氢气循环泵的功率消耗；再基于上述流量模型和效率模型对不同进气压力下的氢气循环泵进行模拟预测，并对比实验结果，以验证模型的准确性和方法的可行性。

作为上述方案的优选，恒定转速下氢气循环泵出口流量模型的建立具体如下：

S11、对非标准条件下氢气循环泵的质量流量根据以下公式(1)进行校正，得到校核流量W，以作为参考：

其中，W_bl是标准条件下氢气循环泵的质量流量，单位为kg/s；T_ref是参考温度，取值288K；P_ref是参考压力，取一个大气压；

S12、根据以下公式(2)-(7)计算氢气循环泵的质量流量W_bc：

其中，Φ是标度氢气循环泵流率；ρ₀是氢气循环泵进口气体密度，单位为kg/m³；D是氢气循环泵转子直径，单位为m；U是氢气循环泵转子叶片的速度，单位为m/s；ψ_bl是量纲为1的参数；k₁、k₂、k₃、k₄、k₅、k₆是半经验参数，通过拟合得到；M是氢气循环泵叶片的马赫数；U_c是氢气循环泵转子叶片速度，单位是m/s；R是气体常数，单位为J/kg/K；T₀是氢气循环泵的进口温度，单位为K；c_p是回流管道中压力恒定的加湿氢气的比热，单位为J/Kg/K；

是氢气的恒压比热，单位为J/Kg/K；c_p，v是水蒸气的恒压比热，单位为J/Kg/K；P_in、P_out分别是氢气循环泵的进口和出口压力，单位是Pa；γ是氢气的比热比；

是氢气质量分数；N是氢气循环泵转速，单位为r/min。

作为上述方案的优选，氢气循环泵效率模型的建立具体如下：

S21、根据以下公式(8)计算氢气循环泵效率η_c：

η＝AΦ²+BΦ+C (8)

其中，

式中的a₁、a₂、a₃、a₄、a₅、a₆、a₇、a₈、a₉是半经验参数，通过拟合得到；

S22、根据以下公式(9)计算氢气循环泵的功率P：

S23、根据以下公式(10)、(11)计算氢气循环泵出口温度T_out：

η＝η_cη_t (11)

式中，η_t是氢气循环泵的机械效率，η_c是氢气循环泵的压缩效率。

由于具有上述结构，本发明的有益效果在于：

本发明氢气循环泵的建模方法快捷高效，并且考虑了实际测试中氢气循环泵进口压力和温度变化下的流量表现。本发明通过判断氢气循环泵进出口的条件，得到氢气循环泵的输出特性，对燃料电池系统循环路的控制有一定的指导意义。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本发明的工作流程图；

图2为使用本发明的质子交换膜燃料电池建模方法计算的质量流量W_bc与实验测试数据的对比曲线图；

图3为使用本发明的质子交换膜燃料电池建模方法计算的效率η_c与实验测试数据的对比曲线图；

图4为使用本发明的质子交换膜燃料电池建模方法计算的出口温度T与实验测试数据的对比曲线图；

图5为使用本发明的质子交换膜燃料电池建模方法计算的功率P与实验测试数据的对比曲线图。

具体实施方式

下面将结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本实施例提供一种氢气循环泵在燃料电池系统中的建模方法，在实测数据的基础上建立氢气循环泵出口流量与进出口压力、进口温度、转速的数学模型；然后在流量模型基础上建立泵效率的数学模型，得到氢气循环泵的功率消耗；再基于上述流量模型和效率模型对不同进气压力下的氢气循环泵进行模拟预测，并对比实验结果，以验证模型的准确性和方法的可行性。

在本实施例中，恒定转速下氢气循环泵出口流量模型的建立具体如下：

S11、对非标准条件下氢气循环泵的质量流量根据以下公式(1)进行校正，得到校核流量W，以作为参考：

其中，W_bl是标准条件下氢气循环泵的质量流量，单位为kg/s；T_ref是参考温度，取值288K；P_ref是参考压力，取一个大气压；

S12、根据以下公式(2)-(7)计算氢气循环泵的质量流量W_bc：

其中，Φ是标度氢气循环泵流率；ρ₀是氢气循环泵进口气体密度，单位为kg/m³；D是氢气循环泵转子直径，单位为m；U是氢气循环泵转子叶片的速度，单位为m/s；ψ_bl是量纲为1的参数；k₁、k₂、k₃、k₄、k₅、k₆是半经验参数，通过拟合得到；M是氢气循环泵叶片的马赫数；U_c是氢气循环泵转子叶片速度，单位是m/s；R是气体常数，单位为J/kg/K；T₀是氢气循环泵的进口温度，单位为K；c_p是回流管道中压力恒定的加湿氢气的比热，单位为J/Kg/K；

是氢气的恒压比热，单位为J/Kg/K；c_p，v是水蒸气的恒压比热，单位为J/Kg/K；P_in、P_out分别是氢气循环泵的进口和出口压力，单位是Pa；γ是氢气的比热比；

是氢气质量分数；N是氢气循环泵转速，单位为r/min。

根据流量模型，通过氢气循环泵的工作参数，能对燃料电池系统回流管路中相应的输出进行调节。在给定转速下，调节压力来控制氢气循环泵回流的质量流量。

在本实施例中，氢气循环泵效率模型的建立具体如下：

S21、根据以下公式(8)计算氢气循环泵效率η_c：

η＝AΦ²+BΦ+C (8)

其中，

式中的a₁、a₂、a₃、a₄、a₅、a₆、a₇、a₈、a₉是半经验参数，通过拟合得到；

S22、根据以下公式(9)计算氢气循环泵的功率P：

S23、根据以下公式(10)、(11)计算氢气循环泵出口温度T_out：

η＝η_cη_t (11)

式中，η_t是氢气循环泵的机械效率，η_c是氢气循环泵的压缩效率。

效率模型得到的氢气循环泵的效率和功率在氢气循环泵的选型上有一定指导意义。

根据以上模型，已知某款氢气循环泵的进出口压力，转速，进口温度，即可得到相应工作条件下通过氢气回流泵的质量流量，进而得到氢气循环泵的工作效率和功率。

下面将通过代入具体数值的方式对本发明中氢气循环泵的建模方法进行描述，但是这个实例并不代表本发明的全部实例，本发明的保护范围也不限于此。

本发明实例使用空气作为介质，氢气循环泵进口温度25℃，转速为6000r/min，进口压力分别为150kpa、175kpa、200kpa、225kpa、240kpa。

空气的比热容c_p＝1003J/kg/K，比热比γ＝1.4，气体常数R＝286.9J/kg/K。

(1)建立恒定转速下，氢气循环泵质量流量和压比、进气温度的数学模型。

基于氢气循环泵测试实验数据，本实例以泵转速为6000r/min时，进气压力为150kpa、175kpa、225kpa、240kpa的综合实验数据作为基础建立数学模型，该模型耦合压力的变化，计算相应条件下氢气循环泵的质量流量W_bc。

其中，

式中k为半经验参数，由实验数据拟合得到：

k<sub>1</sub>	k<sub>2</sub>	k<sub>3</sub>	k<sub>4</sub>	k<sub>5</sub>	k<sub>6</sub>
						-640.751	11709.93	4332.032	-78948.4	2.063963	-37.1187

上述半经验参数k由本发明所使用的氢气循环泵在转速为6000r/min，进口压力为150kpa、175kpa、200kpa、225kpa、240kpa时拟合实验数据所得，然后利用上述半经验参数k计算氢气循环泵在6000r/min，进口压力200kpa时的质量流量W_bc，并将拟合结果与实验所测结果进行对比分析，如图1。

本发明所使用的燃料电池系统氢气循环泵的模型计算的质量流量W_bc与实验测试得到的结果非常接近，说明本发明的建模方法可以预测不同压力条件下氢气循环泵的质量流量W_bc。

(2)建立氢气循环泵效率、出口温度和功率的数学模型。

氢气循环泵效率η_c可表示为：

η＝AΦ²+BΦ+C

其中

式中a是半经验参数，M是氢气循环泵叶片的马赫数。

氢气循环泵出口温度T_out由效率η_c可得：

氢气循环泵的功率P可由下式得到：

其中η＝η_cη_t

式中η_t为氢气循环泵的机械效率(η_t＝0.9)。

a<sub>1</sub>	a<sub>2</sub>	a<sub>3</sub>	a<sub>4</sub>	a<sub>5</sub>	a<sub>6</sub>	a<sub>7</sub>	a<sub>8</sub>	a<sub>9</sub>
									-25.432	422.68	0.0645	7684.2	-127982	9.675522	-48.722	826.5424	0.90817

上述半经验参数a由本发明所使用的氢气循环泵在转速为6000r/min，进口压力为150kpa、175kpa、200kpa、225kpa、240kpa时拟合实验数据所得，然后利用上述半经验参数a计算氢气循环泵在6000r/min，进口压力200kpa时的效率η_c，出口温度T和功率P。并将拟合得到的效率η_c，出口温度T和功率P与实验所测结果进行对比分析，如图2-图4。

本发明所使用的燃料电池系统氢气循环泵的模型计算的效率η_c，出口温度T和功率P与实验测试得到的结果非常接近，说明通过本发明建模方法计算的氢气循环泵的效率η_c、出口温度T和功率P可以为实验测试提供理论参考，同样也能对氢气循环泵的选型有一定的指导作用。

本发明建立氢气循环泵数学模型的方法，在其他转速条件下也能得到误差较小的模拟结果，本发明未一一列举。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种氢气循环泵在燃料电池系统中的建模方法，其特征在于：在实测数据的基础上建立氢气循环泵出口流量与进出口压力、进口温度、转速的数学模型；然后在流量模型基础上建立泵效率的数学模型，得到氢气循环泵的功率消耗；再基于上述流量模型和效率模型对不同进气压力下的氢气循环泵进行模拟预测，并对比实验结果，以验证模型的准确性和方法的可行性。

2.根据权利要求1所述的一种氢气循环泵在燃料电池系统中的建模方法，其特征在于：恒定转速下氢气循环泵出口流量模型的建立具体如下：

S11、对非标准条件下氢气循环泵的质量流量根据以下公式(1)进行校正，得到校核流量W，以作为参考：

其中，W_bl是标准条件下氢气循环泵的质量流量，单位为kg/s；T_ref是参考温度，取值288K；P_ref是参考压力，取一个大气压；

S12、根据以下公式(2)-(7)计算氢气循环泵的质量流量W_bc：

其中，Φ是标度氢气循环泵流率；ρ₀是氢气循环泵进口气体密度，单位为kg/m³；D是氢气循环泵转子直径，单位为m；U是氢气循环泵转子叶片的速度，单位为m/s；ψ_bl是量纲为1的参数；k₁、k₂、k₃、k₄、k₅、k₆是半经验参数，通过拟合得到；M是氢气循环泵叶片的马赫数；U_c是氢气循环泵转子叶片速度，单位是m/s；R是气体常数，单位为J/kg/K；T₀是氢气循环泵的进口温度，单位为K；c_p是回流管道中压力恒定的加湿氢气的比热，单位为J/Kg/K；

是氢气的恒压比热，单位为J/Kg/K；c_p，v是水蒸气的恒压比热，单位为J/Kg/K；P_in、P_out分别是氢气循环泵的进口和出口压力，单位是Pa；γ是氢气的比热比；

是氢气质量分数；N是氢气循环泵转速，单位为r/min。

3.根据权利要求1所述的一种氢气循环泵在燃料电池系统中的建模方法，其特征在于：氢气循环泵效率模型的建立具体如下：

S21、根据以下公式(8)计算氢气循环泵效率η_c：

η＝AΦ²+BΦ+C (8)

其中，

式中的a₁、a₂、a₃、a₄、a₅、a₆、a₇、a₈、a₉是半经验参数，通过拟合得到；

S22、根据以下公式(9)计算氢气循环泵的功率P：

S23、根据以下公式(10)、(11)计算氢气循环泵出口温度T_out：

η＝η_cη_t (11)

式中，η_t是氢气循环泵的机械效率，η_c是氢气循环泵的压缩效率。

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