燃料电池发动机空气系统旁通流量估计

doi:10.19562/j.chinasae.qcgc.2025.07.003

汽车工程 ›› 2025, Vol. 47 ›› Issue (7): 1258-1267.doi: 10.19562/j.chinasae.qcgc.2025.07.003

• • 上一篇

燃料电池发动机空气系统旁通流量估计

邱宇奇¹,杨川²,曾韬²,张元海²,刘正兴²,张学智³,喻清华²,张财志¹()

^1.重庆大学机械与运载工程学院，重庆 400044
^2.深蓝汽车科技有限公司，重庆 400020
^3.河北金士顿科技有限责任公司，辛集 050031

收稿日期:2025-02-20 修回日期:2025-03-26 出版日期:2025-07-25 发布日期:2025-07-18
通讯作者: 张财志 E-mail:czzhang@cqu.edu.cn
基金资助:
第二十七届中国科协年会学术论文。国家重点研发计划项目（2022YFE0137600）、国家自然科学基金（52276171）、中央高校基本科研业务费专项资金（2024CDJZCQ-003）和汽车协同中心揭牌项目（2022CDJDX-004）资助。

Bypass Flow Estimation of Fuel Cell Engine Air System

Yuqi Qiu¹,Chuan Yang²,Tao Zeng²,Yuanhai Zhang²,Zhengxing Liu²,Xuezhi Zhang³,Qinghua Yu²,Caizhi Zhang¹()

^1.School of Mechanical and Vehicle Engineering，Chongqing University，Chongqing 400044
^2.Deepal Automotive Technology Co. ，Ltd. ，Chongqing 400020
^3.Hebei Kingston Technology Co. ，Ltd. ，Xinji 050031

Received:2025-02-20 Revised:2025-03-26 Online:2025-07-25 Published:2025-07-18
Contact: Caizhi Zhang E-mail:czzhang@cqu.edu.cn

摘要/Abstract

摘要：

针对旁通阀处的流量计不耐高温的特性问题，本文提出一种基于半物理半经验模型的旁通流量估计的方法。首先，本文搭建燃料电池发动机空气系统，相比传统的控制结构，该空气系统取消了加湿器以及增加空气回路旁通阀。其次，根据采集的实验数据，仿真验证建立的旁通流量估计模型的有效性。最后，在实验台架中进行模型在线验证。仿真与实验研究表明，提出的模型在旁通阀开度在2°-32°和34°-42°情形下，平均相对误差率分别为2.72%和3.35%，模型具有较高的精度，该方法可用作空气系统结构设计优化和喘振控制策略的开发。

关键词: 旁通阀, 半物理半经验模型, 旁通流量估计, 燃料电池发动机, 空气系统

Abstract:

For the problem of high temperature resistance of the flow meter at the bypass valve， a method to estimate the bypass flow is proposed based on a semi-physical and semi-empirical model in this paper. Firstly， a fuel cell engine air system is established. Compared to the traditional control structure， the air system eliminates the humidifier and adds an air circuit bypass valve. Secondly， based on the collected data， the effectiveness of the established bypass flow estimation model is verified by simulation. Finally， the model is verified online in the test bench. Simulation and experimental studies show that the proposed model has an average relative error rate of 2.72% and 3.35% when the bypass valve opening is 2°-32° and 34°-42°， respectively. The model has high accuracy and can be used for air system structural design optimization and surge control strategy development.

Key words: bypass valve, semi-physical and semi-empirical model, bypass flow estimation, fuel cell engine, air system

邱宇奇,杨川,曾韬,张元海,刘正兴,张学智,喻清华,张财志. 燃料电池发动机空气系统旁通流量估计[J]. 汽车工程, 2025, 47(7): 1258-1267.

Yuqi Qiu,Chuan Yang,Tao Zeng,Yuanhai Zhang,Zhengxing Liu,Xuezhi Zhang,Qinghua Yu,Caizhi Zhang. Bypass Flow Estimation of Fuel Cell Engine Air System[J]. Automotive Engineering, 2025, 47(7): 1258-1267.

图/表 16

图 1

图 2

图 3

图 4

图 5

图 6

图 7

图 8

图 9

图 10

表1

不同开度的性能指标"

类型	平均值	方差	$τ / %$
4°-6°	0.048 0	0.105 3	2.54
6°-8°	0.357 7	0.118 2	6.73
8°-10°	0.226 8	0.257 0	3.25
14°-16°	0.309 6	0.392 2	2.19

表1

图 11

图 12

图 13

图 14

图 15

参考文献 14

[1]	胡宾飞，周雅夫，连静，等. 车用燃料电池空气系统供气协同控制策略研究［J］. 汽车工程， 2024， 46（5）： 842-851，873.
	HU Binfei， ZHOU Yafu， LIAN Jing， et al. Cooperative control strategy research of air supply system for vehicular fuel cell system ［J］. Automotive Engineering， 2024， 46（5）： 842-851，873.
[2]	LI M，YIN H，DING T，et al. Air flow rate and pressure control approach for the air supply subsystems in PEMFCs［J］. ISA Trans， 2022， 128（Pt A）： 624-634.
[3]	PUKRUSHPAN J T，STEFANOPOULOU A G，PENG Huei. Control of fuel cell breathing［J］. IEEE Control Systems Magazine， 2004， 24（2）： 30-46.
[4]	ZHAO Yuanyang，LIU Yunxia，LIU Guangbin，et al. Air and hydrogen supply systems and equipment for PEM fuel cells： a review［J］. International Journal of Green Energy， 2022， 19（4）： 331-348.
[5]	VU H N，TRI D T L，NGUYEN H L，et al. Multifunctional bypass valve for water management and surge protection in a proton-exchange membrane fuel cell supply-air system［J］. Energy， 2023， 278.
[6]	刘志祥，李伦，丁一，等. 包含离心式空压机的大功率PEMFC空气系统喘振研究［J］. 太阳能学报， 2018， 39（1）： 233-239.
	LIU Zhixiang， LI Lun， DING Yi， et al. Study on surge of high-power PEMFC air system including centrifugal air compressor［J］. Acta Energiae Solaris Sinica， 2018， 39（1）： 233-239.
[7]	周雅夫，吕浩然，胡宾飞. 旁通阀结构对燃料电池系统阴极压力控制效果的分析［J］. 汽车工程学报， 2024， 14（4）： 653-660.
	ZHOU Yafu， LÜ Haoran， HU Binfei. Analysis of the effect of bypass valve structure on cathodepressure control in fuel cell systems ［J］. Journal of Automotive Engineering， 2024， 14（4）： 653-660.
[8]	姚栋伟，吴锋，俞小莉，等. 基于状态观测器的电喷汽油机进气流量精确估计［J］. 内燃机工程， 2009， 30（3）： 34-38，44.
	YAO Dongwei， WU Feng， YU Xiaoli， et al. A precise estimation of intake port air mass flow insi engines based on state-observer ［J］. Internal Combustion Engine Engineering， 2009， 30（3）： 34-38，44.
[9]	高金武，孙铂奇，高炳钊，等. 基于自适应观测器的发动机进气流量估计［J］. 吉林大学学报（工学版）， 2020， 50（6）： 1958-1966.
	GAO Jinwu， SUN Boqi， GAO Bingzhao， et al. Engine inlet flow estimation based on adaptive observer ［J］. Journal of Jilin University （Engineering Edition）， 2020， 50（6）： 1958-1966.
[10]	NAOKI T，HASEGAWA S，FARNSWORTH J，et al. Development of air supply controller for FCV based on model-based development approach［J］. SAE International Journal of Advances and Current Practices in Mobility， 2021， 3（2021-01-0742）： 2245-2256.
[11]	HANDKIEWICZ A. Methods and tools for computer‐aided design of multidimensional filters in signal processing［M］.John Wiley & Sons， Inc，2025.
[12]	LIU Ze，ZHANG Baitao，XU Sichuan. Research on air mass flow-pressure combined control and dynamic performance of fuel cell system for vehicles application［J］. Applied Energy， 2022， 309.
[13]	SUTERA S P，SKALAK R. The history of Poiseuille's law［J］. Annual Review of Fluid Mechanics， 1993， 25（1）： 1-20.
[14]	李跃华，裴普成，吴子尧，等. 质子交换膜燃料电池阴极单相流压降模型及验证［J］. 清华大学学报（自然科学版）， 2018， 58（1）： 43-49.
	LI Yuehua， PEI Pucheng， WU Ziyao， et al. Verification of a cathode pressure drop model for single phase flow in a proton exchange fuel cell［J］. Journal of Tsinghua University（Science and Technology）， 2018， 58（1）： 43-49.

燃料电池发动机空气系统旁通流量估计

Bypass Flow Estimation of Fuel Cell Engine Air System

RichHTML

PDF (PC)

赞

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 16

参考文献 14

相关文章 3

Metrics

本文评价

推荐阅读 0

[1]	胡宾飞,周雅夫,连静,李琳辉. 车用燃料电池空气系统供气协同控制策略研究[J]. 汽车工程, 2024, 46(5): 842-851.
[2]	石晨旭,杜常清,王超,李兴意,张家铭. 车用大功率燃料电池发动机进气系统控制[J]. 汽车工程, 2023, 45(11): 2148-2156.
[3]	张众杰, 刘瑞林, 杨春浩, 张君仪, 焦宇飞. 柴油机两级涡轮阀可调增压系统变海拔控制策略研究^*[J]. 汽车工程, 2020, 42(2): 149-156.