Modeling and simulation of a centrifugal compressor for automotive fuel cell applications

The purpose of this work is to develop a tool for the modeling of a centrifugal compressor, using it to design a machine for automotive fuel cell applications. The model developed is based on a mean line approach, using experimental loss correlations calibrated against several existing geometries. The main features of the model are the possibility to implement variable geometry, and the possibility to work with a generic fluid model. Considering that the fluid used in the machine is humid air, two fluid models were implemented: the first uses the perfect gas hypothesis, while the second is based on the REFPROP model of a generic mixture, with the capability to consider also the two-phase region. The possibility to rapidly evaluate the performances of a given geometry was used to set up a multi-variable, multi-point optimization routine, obtaining a machine with high efficiency over a vast range of operating conditions. The performance map of the compressor was built, and then interpolated in order to be used in simulations. A 3D CAD model of the machine was then built to assess the mechanical feasibility of the design. Finally, a dynamic model and control logic were implemented to be used in simulations of the entire vehicle. The control logic includes a feedback controller, a feed-forward load compensation, and an anti-surge device. Different simulations confirmed the possibility to obtain a good dynamic response.

Lo scopo del presente lavoro è quello di sviluppare un codice per la modellazione di un compressore centrifugo, applicandolo al design di una macchina per uso con celle a combustibile in ambito automobilistico. Il modello sviluppato si basa su un approccio a linea media, usando correlazioni sperimentali calibrate su diverse geometrie esistenti. Le principali caratteristiche del modello sono la possibilità di implementare una geometria variabile, e la possibilità di lavorare con un modello di fluido generico. Considerato che il fluido usato dalla macchina è aria umida, due modelli sono stati implementati per il fluido: il primo usa l’ipotesi di gas perfetto, mentre il secondo è basato sul modello REFPROP di una miscela generica, con la possibilità di considerare anche la regione bifase. La possibilità di valutare rapidamente le prestazioni di una data geometria è stata usata per impostare una routine di ottimizzazione multivariabile e multi-punto, ottenendo una macchina con rendimento elevato su una vasta gamma di condizioni operative. La mappa delle prestazioni del compressore è stata costruita, e poi interpolata per permetterne l’uso nelle simulazioni. Un modello CAD 3D della macchina è stato successivamente realizzato per valutare la fattibilità meccanica del design. Infine, un modello dinamico e logica di controllo sono stati implementati, per essere usati in simulazioni dell’intero veicolo. La logica di controllo include un controllore in retroazione, una compensazione feed-forward del carico, e un dispositivo anti-pompaggio. Diverse simulazioni hanno confermato la possibilità di ottenere una buona risposta dinamica.