據公開資料顯示，國內離心式空壓機在燃料電池系統領域的市場份額已超95%。某日系二代燃料電池汽車同樣采用電動式離心空氣壓縮機（下稱“空壓機”），其空氣系統具有快速的空氣響應速度（< 1 s），用于滿足發電、能量管理和電堆防干等控制需求，如果無法精確控制空壓機，則很容易進入空壓機喘振區域。穩態工況，通過控制旁通閥流量，將進入喘振區域的空壓機工況點右移至非喘振區，此時入堆空氣流量不變；瞬態工況，為防止Undershoot或Overshoot導致空壓機喘振，通過動態控制空壓機“流量-壓比”的變化路徑和變化速率（Path & Rate Control）；通過上述兩種方法，可以避免燃料電池用離心式空壓機在穩態工況和瞬態工況產生喘振。

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空壓機喘振及其危害

空壓機喘振是指氣流沿空壓機軸線方向發生的低頻率（通常只有幾赫茲或十幾赫茲）、高振幅（強烈的壓強和流量波動）的氣流振蕩現象。如圖1所示，La、Lb、Lc為空壓機不同轉速線。轉速不變，隨空壓機流量（排出空氣的量）逐漸減小，壓比逐漸增大，增大到一定程度時，空壓機進入喘振區域。

空壓機低頻率高振幅的氣流振蕩是一種很大的激振力來源，它會導致空壓機部件的強烈機械振動和熱端超溫。并在很短的時間內造成部件的嚴重損壞，所以在任何狀態下都不允許空壓機進入喘振區工作。

圖1  空壓機喘振區域示意圖

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日系M車型空氣系統控制器簡介

M車型空氣路主要有空氣濾清器（AC, Air cleaner）、帶升速機構的電動空壓機（ACP, Air compressor）、中冷器（AIC, Air inter cooler）、進氣截止閥（ASV, Air shut valve）、旁通閥（ABV, Air bypass valve）、背壓閥（ARV, Air pressure regulation valve）以及相應管路（Pipes）組成。

圖2  M車型空氣路構成

M車型需要高空氣路瞬態響應速度（< 1s），用于電堆發電、能量管理和FC防干控制。此外，M車型采用離心式空壓機，當其處于瞬態工況時，非常容易進入喘振區域。

為了實現上述控制目標，廠家開發了新型空氣供給控制器，通過單獨控制3個變量（FC電堆空氣流量、FC電堆空氣壓力和FC電堆空氣旁通流量）實現空壓機喘振控制。該控制器的設計使用基于模型（Model-based）的開發方法。首先，搭建空氣系統空壓機、閥門、管路和電堆的物理特性模型并集成到系統級別仿真；其次，通過空氣系統部件的逆模型開發前饋和反饋控制。通過上述空氣系統控制開發可達成控制目標并防止空壓機喘振。

采用Model-based控制方法主要出于以下兩個原因：

1）空氣系統為非線性（Nonlinear）、多輸入多輸出（MIMO，Multi-Input-Multi-Output）系統。因此，為實現離心式空壓機更為精確的控制，需要進行系統級別高精度在線仿真。

2）Model-based數值仿真平臺可作為虛擬測試臺，提高開發效率、控制質量，并減少測試時間。

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日系M車型如何避免喘振

3.1 穩態工況

如圖3所示，空壓機控制邊界（Upper & Lower Limit）包括：

1）喘振線（Surge Line）；

2）阻塞線（或稱最小壓比線，Choke Line）；

3）最大壓比線（Maximum Pressure Ratio Line）；

4）最大轉速線（Maximum Compressor Speed Line）。

通過控制旁通流量，使得空壓機流量和入堆流量在不同參考點。當電堆進氣流量目標值進入空壓機喘振區域，通過增加空壓機流量，將參考運行點右移至非喘振區。此時，空壓機壓比（pressure ratio）不變，電堆進氣流量不變。

圖3  穩態工況喘振控制（Upper & Lower Limit）

3.2 瞬態工況

Path & rate control負責瞬態工況的空壓機喘振控制。瞬態工況，空壓機轉速、ARV開度和ABV開度必須進行精確耦合控制，以防止下沖或過沖（Undershoot/Overshoot）導致空壓機喘振。Path & rate control通過定義優化的空壓機運行點轉移路徑和變化速率保證瞬態工況的可控性。如果參考操作點接近喘振區域，控制器修正參考操作點的變化方向以遠離喘振區域（Path Control）；此外，控制器亦可降低參考運行點的變化速率，使得空壓機能夠跟蹤參考軌跡（Rate Control）。最終，實現防喘振控制。

圖4  瞬態工況喘振控制（Path & rate control）

空壓機被看成燃料電池系統的“肺”，提高其響應速度和控制精度對滿足燃料電池水管理、能量管理等方面的需求具有重要作用，由于空壓機本身固有特性還需在此過程中避免空壓機進入喘振區域，這對空氣系統的控制提出了更高的要求。通過工況點右移和路徑-速率控制可有效避免空壓機喘振。

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