基于可变喷嘴涡轮机的空气压缩机能量回收系统：通过自适应模型预测控制从高功率燃料电池系统排气中回收能量

《Advanced Sustainable Systems》：Variable Nozzle Turbine-Based Air Compressor Energy Recovery From High-Power Fuel Cell System Exhaust via Adaptive Model Predictive Control

变喷嘴涡轮空气压缩机系统通过回收重型货车燃料电池排气的动能，结合动态调节喷嘴开度与氧气过量比优化能效，并采用多启动序列二次规划与线性参数变自适应模型预测控制实现协同控制。该策略在动态负载下表现出更优的氧气过量比跟踪性能，集成系统较固定氧气过量比策略提升3.5788%能效，实现净能量输出20.5028kWh。

　　

摘要

本研究提出了一种基于可变喷嘴涡轮（VNT）的空气压缩系统，该系统从高功率车载燃料电池的排气中回收能量，以降低寄生功率并提高效率。该系统利用排气气体的动能驱动涡轮机，涡轮机通过主轴与高速压缩机电机相连。通过动态调节喷嘴开度（NOD），涡轮机可以优化排气流面积和背压，在各种运行条件下实现最大的能量回收功率。同时，调节氧过量比（OER）可确保质子交换膜燃料电池（PEMFC）获得最佳的阴极氧气供应。研究人员开发并验证了一个以控制为导向的模型，用于描述基于VNT的空气压缩系统和PEMFC之间的耦合动态。多步序二次规划算法确定了在保持电化学性能的同时最小化压缩机电机功率的最佳OER轨迹。为了实现目标，采用了线性参数变化自适应模型预测控制方法。将NOD、OER与PEMFC功率特性之间的关系嵌入到以控制为导向的模型中，并通过映射测试进行了验证。所提出的策略在中国重型卡车循环等动态负载条件下表现出优越的OER跟踪能力。与固定OER策略相比，该集成系统的效率提高了3.5788%，净能量输出达到了20.5028 kWh，充分证明了能量回收和氧气调节的有效协调。

利益冲突

作者声明不存在利益冲突。