1.本發(fā)明屬于氫燃料電池汽車技術(shù)領(lǐng)域，具體的說，涉及一種氫燃料電池汽車空氣壓縮機輸出空氣流量計算方法。

背景技術(shù)：

2.氫燃料電池動力系統(tǒng)通過電化學(xué)反應(yīng)將氫能直接轉(zhuǎn)化為電能，具備清潔、高效、燃料來源廣泛等優(yōu)點，被認為是面向未來的終極清潔能源。

3.準確計算空氣壓縮機的實際輸出空氣流量對維持燃料電池系統(tǒng)電堆的安全高效運行至關(guān)重要，如果空氣流量計算出現(xiàn)偏差將導(dǎo)致電堆輸出功率下降、氫氣消耗量增加等問題。

4.對于氫燃料電池汽車空氣壓縮機在穩(wěn)態(tài)及瞬態(tài)運行工況下的實際輸出空氣流量的計算，現(xiàn)有技術(shù)往往采用穩(wěn)態(tài)工況點臺架測試，結(jié)合估算推測的方法，該方法，在空氣壓縮機瞬態(tài)響應(yīng)性能評估、空氣流量計算等方面，存在較大的誤差。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

5.為了克服背景技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供了一種氫燃料電池汽車空氣壓縮機輸出空氣流量計算方法，可更精確的計算空氣壓縮機在穩(wěn)態(tài)及瞬態(tài)運行工況下的實際輸出空氣流量，具有準確度高、精度高等優(yōu)點。

6.為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明是通過如下技術(shù)方案實現(xiàn)的：

7.所述的氫燃料電池汽車空氣壓縮機輸出空氣流量計算方法包括以下步驟：

8.s1，收集空氣壓縮機運行數(shù)據(jù)，包括需求轉(zhuǎn)速、入口溫度、參考溫度；

9.s2，根據(jù)空氣壓縮機的動態(tài)響應(yīng)時間確定轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)速；

10.s3，根據(jù)轉(zhuǎn)換速率、參考溫度和空氣壓縮機入口溫度，得出修正轉(zhuǎn)速；

11.s4，根據(jù)修正轉(zhuǎn)速、空氣壓縮機出口空氣流量值、空氣壓縮機的壓縮比得出空氣壓縮機空氣流量曲線；

12.s5，根據(jù)空氣壓縮機空氣流量曲線得出修正流量。

13.進一步的，轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)速計算公式為：

[0014][0015]

式中：n

*

為轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)速；δt為計算步長；n

*(-1)

為在上一計算步長時計算得出的轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)速；k為修正系數(shù)；t

response time

為空氣壓縮機的動態(tài)響應(yīng)時間。

[0016]

進一步的，修正轉(zhuǎn)速計算公式為：

[0017][0018]

式中，t

ref

為參考溫度；t

in,g

為空氣壓縮機入口溫度

[0019]

進一步的，還包括以下步驟：

[0020]

s6，根據(jù)空氣壓縮機進出口壓力，計算空氣壓縮機壓縮比，計算公式為

[0021][0022]

式中，pr為空氣壓縮機壓縮比；p

out,g

為空氣壓縮機出口壓力；p

in,g

為空氣壓縮機入口壓力；

[0023]

s7，計算壓力修正系數(shù)和溫度修正系數(shù)，計算公式為：

[0024][0025][0026]

式中，p

in,g

為空氣壓縮機入口壓力；p

ref

為參考壓力；t

ref

為參考溫度；t

in,g

為空氣壓縮機入口溫度；

[0027]

s8，計算空氣壓縮機的空氣流量，計算公式為：

[0028]

mg＝m

corr

×

t

corr

×

p

corr

式中，pcoor為修正流量。

[0029]

進一步的，修正系數(shù)為壓力修正系數(shù)(p

corr

)和溫度修正系數(shù)(t

corr

)的乘積。

[0030]

進一步的，所述參考溫度為空氣壓縮機期望的運行溫度。

[0031]

進一步的，所述空氣流量曲線的測試步驟為：

[0032]

(1)設(shè)定環(huán)境溫度范圍，并保持環(huán)境溫度穩(wěn)定；

[0033]

(2)設(shè)定空氣壓縮機轉(zhuǎn)速，單位為r/min-1

；

[0034]

(3)設(shè)定空氣壓縮機壓縮比；

[0035]

(4)維持空氣壓縮機穩(wěn)定運行，測量并記錄空氣壓縮機出口空氣流量值，單位為：m3/min；

[0036]

(5)根據(jù)空氣壓縮機出口空氣流量值、空氣壓縮機的壓縮比，繪制空氣流量曲線。

[0037]

本發(fā)明的有益效果：

[0038]

1、本發(fā)明僅需要總線輸入的需求轉(zhuǎn)速及空壓機入口溫度及出入口壓力值便可以精確計算出空氣壓縮機輸出的空氣流量值，不需要額外安裝價格昂貴的高精度空氣流量計，測試方法簡單、測試成本低。

[0039]

2、本發(fā)明可以準確計算瞬態(tài)工況下參與反應(yīng)的空氣的量，保證氫氣與氧氣的配比合適，確保反應(yīng)速率及輸出功率的穩(wěn)定。

附圖說明

[0040]

圖1是本發(fā)明的技術(shù)路線圖；

[0041]

圖2是本發(fā)明具體實施方式得出的空氣流量曲線圖；

具體實施方式

[0042]

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果更加清楚，下面將對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行詳細的說明，以方便技術(shù)人員理解。

[0043]

所述的氫燃料電池汽車空氣壓縮機輸出空氣流量計算方法，包括以下步驟：

[0044]

s1，收集空氣壓縮機運行數(shù)據(jù)，包括需求轉(zhuǎn)速、入口溫度、參考溫度、入口壓力、出口壓力、空氣壓縮機的動態(tài)響應(yīng)時間；

[0045]

其中，需求轉(zhuǎn)速是根據(jù)不同工況下fcu對需求進氣量的不同，由空壓機廠家提供的《產(chǎn)品性能曲線圖》獲取。參考溫度指的是標準工作狀態(tài)下所對應(yīng)的流體溫度；空氣壓縮機的動態(tài)響應(yīng)時間指的是壓縮機從10％期望轉(zhuǎn)速達到90％期望轉(zhuǎn)速所需要的響應(yīng)時間。

[0046]

s2，獲得空氣壓縮機空氣流量曲線；

[0047]

壓縮機空氣流量曲線獲得過程演示：

[0048]

1)設(shè)定環(huán)境溫度范圍為25

±

3℃，并保持環(huán)境溫度穩(wěn)定；

[0049]

2)設(shè)定空氣壓縮機轉(zhuǎn)速，單位為r/min-1

；

[0050]

3)設(shè)定空氣壓縮機壓縮比；

[0051]

4)維持空氣壓縮機穩(wěn)定運行2分鐘，測量并記錄空氣壓縮機出口空氣流量值，單位為：m3/min；

[0052]

5)根據(jù)空氣空氣壓縮機出口空氣流量值、空氣壓縮機的壓縮比，繪制空氣流量曲線如附圖2所述。

[0053]

s3，對空氣壓縮機的轉(zhuǎn)速進行修正計算，通過修正得到轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)速計算公式為：

[0054]

式中：n

*

為轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)速；δt為計算步長；n

*(-1)

為在上一計算步長時計算得出的轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)速；t

response time

為空氣壓縮機的動態(tài)響應(yīng)時間。

[0055]

標準一階慣性延遲公式，由來自總線的參考轉(zhuǎn)速計算出空壓機當(dāng)前時刻的轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)速。

[0056]

δt的取值應(yīng)滿足如下兩個條件：

[0057]

1)δt≤0.5*t

response time

；

[0058]

2)在滿足條件1的前提下，δt取(10ms、20ms、50ms、100ms、200ms、1000ms)中的較大值；本實施方式中δt取值為200ms。

[0059]

s4，根據(jù)轉(zhuǎn)換速率、參考溫度和空氣壓縮機入口溫度，計算修正轉(zhuǎn)速；修正轉(zhuǎn)速計算公式為：

[0060][0061]

式中，t

ref

為參考溫度；t

in,g

為空氣壓縮機入口溫度。

[0062]

根據(jù)修正轉(zhuǎn)速計算公式，用空氣壓縮機自帶的轉(zhuǎn)速傳感器對空壓機的轉(zhuǎn)速進行測量，得到空壓機修正轉(zhuǎn)速與實際測量轉(zhuǎn)速對比數(shù)據(jù)如表1所示。

[0063]

表1 25℃時空氣壓縮機修正轉(zhuǎn)速與實際轉(zhuǎn)速對比

[0064]

空氣壓縮機測試轉(zhuǎn)速(r/min)修正轉(zhuǎn)速(r/min)

3800037998475004750157000569966500065005750007499585000849989500094999

[0065]

s5，根據(jù)空氣壓縮機進出口壓力，計算空氣壓縮機壓縮比，計算公式為

[0066][0067]

式中，pr為空氣壓縮機壓縮比；p

out,g

為空氣壓縮機出口壓力；p

in,g

為空氣壓縮機入口壓力。

[0068]

s6，根據(jù)空氣壓縮機的壓縮比和修正轉(zhuǎn)速，依據(jù)“空氣流量曲線”得出修正流量m

corr

。

[0069]

s7，計算壓力修正系數(shù)和溫度修正系數(shù)：

[0070]

基于熱力學(xué)第一定律并假設(shè)整個過程于外界無熱交換，對于p,v,t三個參變量兩兩之間，有以下關(guān)系；

[0071]

pv

γ

＝恒量，v

γ-1

t＝恒量，p

γ-1

t

γ

＝恒量；

[0072]

對于空氣這里我們?nèi)ˇ茫?.5做近似計算，可以得到以下結(jié)論；氣體質(zhì)量流量正比于壓強，反比于溫度的1/2次冪。即，

[0073][0074][0075]

因此，可以得知壓力修正系數(shù)和溫度修正系數(shù)計算公式如下：

[0076][0077][0078]

式中，p

in,g

為空氣壓縮機入口壓力；p

ref

為參考壓力；t

ref

為參考溫度；t

in,g

為空氣壓縮機入口溫度；

[0079]

s8，計算空氣壓縮機的空氣流量，計算公式為：

[0080]

mg＝m

corr

×

t

corr

×

p

corr

。

[0081]

根據(jù)空氣流量計算公式，計算得出空壓機出口空氣流量。

[0082]

為監(jiān)測計算結(jié)果的準確性，使用空氣流量傳感器對空壓機出口空氣流量進行監(jiān)測，得出計算數(shù)據(jù)與監(jiān)測數(shù)據(jù)對比誤差表如表2-4所示，誤差計算方法為：

[0083]

表2空氣壓縮機計算空氣流量與監(jiān)測空氣流量對比誤差表

[0084][0085]

表3空氣壓縮機監(jiān)測空氣流量數(shù)據(jù)表(單位：g/s)

[0086][0087]

表4空氣壓縮機計算空氣流量數(shù)據(jù)表(單位：g/s)

[0088][0089]

最后說明的是，以上優(yōu)選實施例僅用于說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管通過上述優(yōu)選實施例已經(jīng)對本發(fā)明進行了詳細的描述，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以在形式上和細節(jié)上對其作出各種各樣的改變，而不偏離本發(fā)明權(quán)利要求書所限定的范圍。技術(shù)特征：

1.一種氫燃料電池汽車空氣壓縮機輸出空氣流量計算方法，其特征在于：s1，收集空氣壓縮機運行數(shù)據(jù)，包括需求轉(zhuǎn)速、入口溫度、參考溫度；s2，根據(jù)空氣壓縮機的動態(tài)響應(yīng)時間確定轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)速；s3，根據(jù)轉(zhuǎn)換速率、參考溫度和空氣壓縮機入口溫度，得出修正轉(zhuǎn)速；s4，根據(jù)修正轉(zhuǎn)速、空氣壓縮機出口空氣流量值、空氣壓縮機的壓縮比得出空氣壓縮機空氣流量曲線；s5，根據(jù)空氣壓縮機空氣流量曲線得出修正流量。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種氫燃料電池汽車空氣壓縮機輸出空氣流量計算方法，其特征在于：轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)速計算公式為：式中：n

*

為轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)速；δt為計算步長；n

*(-1)

為在上一計算步長時計算得出的轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)速；k為修正系數(shù)；t

response time

為空氣壓縮機的動態(tài)響應(yīng)時間。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種氫燃料電池汽車空氣壓縮機輸出空氣流量計算方法，其特征在于：修正轉(zhuǎn)速計算公式為：式中，t

ref

為參考溫度；t

in,g

為空氣壓縮機入口溫度。4.根據(jù)權(quán)利要求1至3任一項所述的一種氫燃料電池汽車空氣壓縮機輸出空氣流量計算方法，其特征在于：s6，根據(jù)空氣壓縮機進出口壓力，計算空氣壓縮機壓縮比，計算公式為式中，pr為空氣壓縮機壓縮比；p

out,g

為空氣壓縮機出口壓力；p

in,g

為空氣壓縮機入口壓力；s7，計算壓力修正系數(shù)和溫度修正系數(shù)，計算公式為：正系數(shù)和溫度修正系數(shù)，計算公式為：式中，p

in,g

為空氣壓縮機入口壓力；p

ref

為參考壓力；t

ref

為參考溫度；t

in,g

為空氣壓縮機入口溫度；s8，計算空氣壓縮機的空氣流量，計算公式為：m

g

＝m

corr

×

t

corr

×

p

corr

式中，pcoor為修正流量。5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種氫燃料電池汽車空氣壓縮機輸出空氣流量計算方法，其特征在于：修正系數(shù)為壓力修正系數(shù)(p

corr

)和溫度修正系數(shù)(t

corr

)的乘積。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種氫燃料電池汽車空氣壓縮機輸出空氣流量計算方法，其特征在于：所述參考溫度為空氣壓縮機期望的運行溫度。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種氫燃料電池汽車空氣壓縮機輸出空氣流量計算方法，其特征在于：所述空氣流量曲線的測試步驟為：1)設(shè)定環(huán)境溫度范圍，并保持環(huán)境溫度穩(wěn)定；2)設(shè)定空氣壓縮機轉(zhuǎn)速，單位為r/min-1

；3)設(shè)定空氣壓縮機壓縮比；4)維持空氣壓縮機穩(wěn)定運行，測量并記錄空氣壓縮機出口空氣流量值，單位為：m3/min；5)根據(jù)空氣壓縮機出口空氣流量值、空氣壓縮機的壓縮比，繪制空氣流量曲線。

技術(shù)總結(jié)

本發(fā)明涉及一種氫燃料電池汽車空氣壓縮機輸出空氣流量計算方法，屬于氫燃料電池汽車技術(shù)領(lǐng)域，本發(fā)明包括氫燃料電池汽車空氣壓縮機輸出空氣流量計算方法，用于對燃料電池系統(tǒng)空氣壓縮機的實際輸出空氣流量進行計算；本發(fā)明能夠提高空氣流量計算的精度，提高燃料電池系統(tǒng)效率，提升能源利用率。提升能源利用率。提升能源利用率。

技術(shù)研發(fā)人員：袁征 蔣得剛 馬淮

受保護的技術(shù)使用者：蘇州國方汽車電子有限公司

技術(shù)研發(fā)日：2021.12.07

技術(shù)公布日：2022/4/15