王 凱, 馬天才

(同濟大學 新能源汽車工程中心，上海 201804)

0 引 言

燃料電池由于能量轉(zhuǎn)換效率高，環(huán)境污染小等優(yōu)點，受到了廣泛的研究與應用，在多個領域發(fā)揮了重要的作用。燃料電池供氣子系統(tǒng)是總系統(tǒng)的一個重要組成部分，因此對作為空氣系統(tǒng)的核心部件之一的空壓機提出了更高的要求，如體積小、質(zhì)量輕、效率高、噪聲小等[1]。一方面, 為了保證質(zhì)子交換膜具有良好的工作特性, 要求供氣系統(tǒng)共給燃料電池堆的壓縮空氣絕對干凈。另一方面, 為了保證燃料電池具有較好的綜合性能, 要求該子系統(tǒng)能夠根據(jù)燃料電池輸出功率的大小及時調(diào)整供氣量與供氣壓力。由于燃料電池反應堆和空氣壓縮機之間能量相互關系，相關研究表明，燃料電池發(fā)動機輸出功率的20～30%被用于空氣壓縮機，使其成為了除驅(qū)動電機之外最大的耗能單元。燃料電池反應堆系統(tǒng)希望能夠以較小的輸出電能驅(qū)動空氣壓縮機，同時希望空氣提供盡可能多符合壓力要求的壓縮空氣，也就是對空氣壓縮機的工作效率有較高要求。空氣壓縮機目前在國內(nèi)還沒有比較全面的性能測試系統(tǒng)，對空壓機的性能測試研究缺乏有效的手段，影響了空壓機技術的發(fā)展。因此，對空壓機性能測試的研究具有重要意義[2]。

1 測試系統(tǒng)設計

針對小型風冷式空氣壓縮機，為了客觀反映壓縮空氣系統(tǒng)的動態(tài)變化過程，綜合測量了不同空壓機轉(zhuǎn)速下氣體壓力、流量、實際電流、電壓等參數(shù)。根據(jù)測試內(nèi)容搭建了與空壓機性能相關的測試實驗平臺，測試系統(tǒng)主要由硬件和軟件組成，如圖1所示，硬件主要包括壓力傳感器、質(zhì)量流量控制器、電磁閥、針閥、數(shù)據(jù)采集卡、計算機等。測試軟件系統(tǒng)則采用了LabVIEW圖形化語言編程，建立測試平臺。實時監(jiān)控并采集了測試過程中的信號數(shù)據(jù)、圖形顯示并分析處理數(shù)據(jù)[3]。

圖1 系統(tǒng)示意圖

采用了壓力傳感器與流量控制器和數(shù)據(jù)采集卡相結(jié)合的方式，可以同時記錄多點的壓力值，從而確定空壓機進出口壓差是否合理。此外，采用了Burkert公司的8711質(zhì)量流量控制器，可以對系統(tǒng)中的流量直接進行測試。流量數(shù)據(jù)和壓力測量數(shù)據(jù)，可以得出系統(tǒng)壓力變化和氣體流量之間的關系，為性能分析提供了依據(jù)。計算機上與采集卡進行通信，能夠進行數(shù)據(jù)的傳輸與信號控制[4]。

軟件系統(tǒng)主要是基于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)上來開發(fā)的。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要是采集系統(tǒng)中的傳感器信號以及執(zhí)行單元的控制，同時也承擔了子系統(tǒng)中控制單元、電子負載的通訊，基于此系統(tǒng)對實時性要求較高，設計的測試系統(tǒng)采用了美國國家儀器有限公司的CRIO 嵌入式系統(tǒng)以及熱插拔工業(yè)I/O 模塊。

采用了LabVIEW 進行軟件的設計開發(fā)[5]，設計了一款友好的人機交互界面，如圖2所示。軟件主要有以下幾個模塊：數(shù)據(jù)采集模塊；數(shù)據(jù)記錄與報告生成模塊；運行模式選擇模塊；工況設定模塊； 安全保護模塊；故障報警及處理模塊；圖表與數(shù)據(jù)處理模塊。操作界面的設計綜合考慮了能保證用戶正確、可靠地使用系統(tǒng)，對用戶輸入不適當?shù)恼埱髴芙o用戶提出相應的提示，并阻止用戶繼續(xù)操作，以保證有關程序或數(shù)據(jù)的安全性等因素。在軟件發(fā)生錯誤時，可以在盡量小的范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)故障，并進行故障處理。

圖2 上位機軟件

該軟件用戶操作方便簡單，具有手動測試和自動測試兩種模式，在兩種模式下，數(shù)據(jù)均能自動保存并生成報告。除此之外，系統(tǒng)內(nèi)部設有安全故障系統(tǒng)，包括：1、禁止不合理的參數(shù)設置；2、對運行故障進行報警提示或者緊急自動停機處理。測試軟件具備良好的容錯性，能夠避免系統(tǒng)出現(xiàn)不可恢復的錯誤，造成數(shù)據(jù)處理的錯誤，以致整個測控系統(tǒng)出現(xiàn)故障，軟件具有看門狗功能，如果出現(xiàn)程序死機等癥狀會立即復位，避免軟件崩潰，從而導致系統(tǒng)無法正常工作，同時智能的故障診斷處理程序能夠使系統(tǒng)安全可靠地運行。

2 性能測試與分析

空壓機性能測試原理如圖3所示，針對小型風冷式空氣壓縮機，環(huán)境溫度28℃，在不同的轉(zhuǎn)速下(轉(zhuǎn)速逐漸增加)，逐漸減小針閥開度，調(diào)節(jié)背壓，測得了不同的試驗曲線。試驗開始時，打開電磁閥，通過上位機軟件控制空壓機不同的轉(zhuǎn)速，這時通過傳感器采集流量和壓力信號，通過手動調(diào)節(jié)針閥開度，調(diào)節(jié)管路背壓，測得不同運行工況下的數(shù)據(jù)[6]。

圖3 測試原理圖

如圖4所示，為轉(zhuǎn)速為1000、2000、3000、4000轉(zhuǎn)時系統(tǒng)空氣流量隨空壓機轉(zhuǎn)速的變化曲線。調(diào)節(jié)空壓機轉(zhuǎn)速，然后固定進口壓力，手動調(diào)節(jié)系統(tǒng)后端針閥，調(diào)節(jié)系統(tǒng)背壓，可以看出，隨著轉(zhuǎn)速的增加，空壓機兩端的壓差逐漸增加，空氣流量也逐漸增加。

如圖5所示，當轉(zhuǎn)速一定事，進口壓力保持不變，隨著系統(tǒng)后端壓力的逐漸增加，空氣的流量也不斷的減小，在不同的空壓機轉(zhuǎn)速下同樣有這樣的趨勢。此時的空氣流量主要與空壓機的轉(zhuǎn)速相關，空壓機轉(zhuǎn)速越大，空氣流量越大。同樣的，空壓機轉(zhuǎn)速越大，其后端壓力越大。

圖4 空氣流量與轉(zhuǎn)速的關系

圖5 固定轉(zhuǎn)速下空氣流量與出口壓力的關系

3 結(jié) 論

主要測試應用于燃料電池的空壓機性能，為系統(tǒng)空壓機的選型與匹配提供了技術支持，其有效性與可靠性有很好的保證。采用了計算機和LabVIEW上位機軟件以及傳感器相結(jié)合的測試系統(tǒng)，代替了傳統(tǒng)的測試儀器，突出體現(xiàn)了測試的效率快、精度高等特點。開始測試后，只需計算機自動控制即可。此外系統(tǒng)中采用了足夠精度的傳感器，保證了數(shù)據(jù)的準確性。上位機軟件自帶數(shù)據(jù)處理與圖形顯示功能，能夠準確的處理數(shù)據(jù)。故障處理模塊能夠監(jiān)控系統(tǒng)運行，為試驗的持續(xù)進行提供了有效的保證。通過該測試平臺上的變?nèi)萘窟\行實驗，可以獲得空壓機改進的重要數(shù)據(jù)，和改進方向。針對空壓機的性能測試，還可以在以下方面作進一步的優(yōu)化。(1)自動控制系統(tǒng)有待進一步完善。(2)盡可能的減少手動操作，全部采用遠程測試。試驗證明該測試平臺也具有較好的市場價值與應用價值。該空壓機能夠滿足燃料電池系統(tǒng)的需求。

[1] 吳震宇. 車載燃料電池用空氣壓縮機工作性能研究及能效分析[D]. 浙江大學, 2007.

[2] 秦宏波,胡壽根,黃軍輝. 電機空壓機系統(tǒng)性能測試與分析[J]. 電機與控制應用, 2010, 37(3):61-65.

[3] 朱祥政,余曉明,邱金友,等. 空壓機綜合性能試驗臺的設計與優(yōu)化[J]. 能源工程, 2014(3):75-78.

[4] 仲石廉. 汽車用空壓機主要性能的測試與計算[J]. 汽車技術, 1985(12):18-25.

[5] 張建燦. 燃料電池空壓機測試平臺及供氣系統(tǒng)的控制策略研究[D]. 浙江大學, 2005.

[6] 邢雪,李森. 小型空壓機性能的計算機測試與分析[J]. 壓縮機技術, 2016(2):44-46.