據(jù)公開資料顯示，國內(nèi)離心式空壓機在燃料電池系統(tǒng)領(lǐng)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(tǒng)具有快速的空氣響應(yīng)速度（< 1 s），用于滿足發(fā)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(jìn)入空壓機喘振區(qū)域。穩(wěn)態(tài)工況，通過控制旁通閥流量，將進(jìn)入喘振區(qū)域的空壓機工況點右移至非喘振區(qū)，此時入堆空氣流量不變；瞬態(tài)工況，為防止Undershoot或Overshoot導(dǎo)致空壓機喘振，通過動態(tài)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(wěn)態(tài)工況和瞬態(tài)工況產(chǎn)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(fā)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(xiàn)象。如圖1所示，La、Lb、Lc為空壓機不同轉(zhuǎn)速線。轉(zhuǎn)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(jìn)入喘振區(qū)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(dǎo)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(nèi)造成部件的嚴(yán)重?fù)p壞，所以在任何狀態(tài)下都不允許空壓機進(jìn)入喘振區(qū)工作。

圖1  空壓機喘振區(qū)域示意圖

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日系M車型空氣系統(tǒng)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(gòu)的電動空壓機（ACP, Air compressor）、中冷器（AIC, Air inter cooler）、進(jìn)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(yīng)管路（Pipes）組成。

圖2  M車型空氣路構(gòu)成

M車型需要高空氣路瞬態(tài)響應(yīng)速度（< 1s），用于電堆發(fā)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(dāng)其處于瞬態(tài)工況時，非常容易進(jìn)入喘振區(qū)域。

為了實現(xiàn)上述控制目標(biāo)，廠家開發(fā)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(xiàn)空壓機喘振控制。該控制器的設(shè)計使用基于模型（Model-based）的開發(fā)方法。首先，搭建空氣系統(tǒng)空壓機、閥門、管路和電堆的物理特性模型并集成到系統(tǒng)級別仿真；其次，通過空氣系統(tǒng)部件的逆模型開發(fā)前饋和反饋控制。通過上述空氣系統(tǒng)控制開發(fā)可達(dá)成控制目標(biāo)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(tǒng)為非線性（Nonlinear）、多輸入多輸出（MIMO，Multi-Input-Multi-Output）系統(tǒng)。因此，為實現(xiàn)離心式空壓機更為精確的控制，需要進(jìn)行系統(tǒng)級別高精度在線仿真。

2）Model-based數(shù)值仿真平臺可作為虛擬測試臺，提高開發(fā)效率、控制質(zhì)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(wěn)態(tài)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(zhuǎn)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(dāng)電堆進(jìn)氣流量目標(biāo)值進(jìn)入空壓機喘振區(qū)域，通過增加空壓機流量，將參考運行點右移至非喘振區(qū)。此時，空壓機壓比（pressure ratio）不變，電堆進(jìn)氣流量不變。

圖3  穩(wěn)態(tài)工況喘振控制（Upper & Lower Limit）

3.2 瞬態(tài)工況

Path & rate control負(fù)責(zé)瞬態(tài)工況的空壓機喘振控制。瞬態(tài)工況，空壓機轉(zhuǎn)速、ARV開度和ABV開度必須進(jìn)行精確耦合控制，以防止下沖或過沖（Undershoot/Overshoot）導(dǎo)致空壓機喘振。Path & rate control通過定義優(yōu)化的空壓機運行點轉(zhuǎn)移路徑和變化速率保證瞬態(tài)工況的可控性。如果參考操作點接近喘振區(qū)域，控制器修正參考操作點的變化方向以遠(yuǎn)離喘振區(qū)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(xiàn)防喘振控制。

圖4  瞬態(tài)工況喘振控制（Path & rate control）

空壓機被看成燃料電池系統(tǒng)的“肺”，提高其響應(yīng)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(jìn)入喘振區(qū)域，這對空氣系統(tǒng)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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