燃料电池离心式空压机性能衰减特性试验研究_鲍欢欢.pdf

第 50 卷 第 2 期2 0 2 3 年 2 月Vol.50，No.2Feb.2 0 2 3湖 南 大 学 学 报（自 然 科 学 版）Journal of Hunan University（Natural Sciences）燃料电池离心式空压机性能衰减特性试验研究鲍欢欢 1，付建勤 1，张磊 2，吴全 2，刘敬平 1，刘琦 1（1.湖南大学 先进动力总成技术研究中心，湖南 长沙 410082；2.广东广顺新能源科技有限公司，广东 佛山 528216）摘 要：为了获取燃料电池空压机性能衰减特性、提高其使用寿命，针对一款自主开发的燃料电池空压机开展了耐久性试验研究.结合燃料电池汽车实际道路循环工况特征，构建了一种接近真实道路循环工况的空压机寿命测试工况，并开展了4 000 h的空压机耐久性试验，采集了不同磨合时间段的空压机性能与运行参数.通过耐久试验数据分析，明确了空压机性能衰减规律及其影响因素.除磨合时间外，空压机性能衰减主要受转速和压力的影响，其中压力衰减随转速增加而增大，衰减速度随磨合时间增加先快后慢；空气流量衰减对转速和压力均很敏感，衰减速度随磨合时间基本保持不变.磨合4 000 h后，在额定工况下空压机的出口压力和空气流量衰减最大分别达到7.5%和29.7%.关键词：燃料电池；试验；空压机；耐久性；性能衰减中图分类号：TK91 文献标志码：AExperimental Study on Performance Attenuation Characteristics of Centrifugal Air Compressor for Fuel CellsBAO Huanhuan1，FU Jianqin1，ZHANG Lei2，WU Quan2，LIU Jingping1，LIU Qi1（1.Research Center for Advanced Powertrain Technology，Hunan University，Changsha 410082，China；2.Guangdong Guangshun New Energy Technology Co.，Ltd.，Foshan 528216，China）Abstract：In order to obtain the performance attenuation characteristics of the fuel cell air compressor and imrove its service life，the durability test for a selfdeveloped fuel cell air compressor was carried out.Combined with the actual road cycle characteristics of fuel cell vehicles，an air compressor life test condition close to the real road cycle was constructed.On this basis，the durability test of the air compressor was carried out for 4 000 hours，and the performance and operation parameters of the air compressor in different running in periods were collected.Through the analysis of durability test data，the attenuation law of the air compressor performance and its influencing factors were clarified.In addition to runningin time，the performance attenuation of the air compressor is mainly affected by speed and pressure，where the pressure attenuation becomes larger with the increase of speed，the attenuation rate increases first and then slows down with the runningin time，the attenuation of airflow is sensitive to both speed and pressure，and the attenuation rate remains unchanged with running-in time.After 4 000 hours of running-收稿日期：2022-03-04基 金 项 目：国 家 重 点 研 发 计 划 资 助 项 目（2020YFB1506003），National Key Research and Development Program of China（2020YFB1506003）；湖南省自然科学基金省市联合基金项目（2020JJ6044）作者简介：鲍欢欢（1987），男，山东曲阜人，湖南大学博士研究生 通信联系人，E-mail：文章编号：1674-2974（2023）02-0191-07DOI：10.16339/ki.hdxbzkb.2022207湖南大学学报（自然科学版）2023 年in，the maximum attenuation of air compressor outlet pressure and airflow reaches 7.5%and 29.7%，respectively，at rated operating conditions.The above results provide data basis and reference for the optimization of reliability and design of accelerated endurance conditions for the air compressor.Key words：fuel cell；test；air compressor；durability；performance attenuation在能源危机和双碳目标背景下，氢燃料电池技术迎来了快速发展期.氢燃料电池是一种通过电极反应将氢和氧的化学能直接转化为电能的装置，这种能量转换方式具有零排放、高效率、应用范围广等优点，因而氢燃料电池被普遍认为是未来最有可能替代传统内燃机的车辆动力源1.作为燃料电池空气供应系统的核心部件，空压机的耐久性直接决定了燃料电池系统使用寿命和可靠性，但由于工况复杂、影响因素多等原因，空压机的耐久性和可靠性测试技术目前尚有一些问题未得到有效解决，因此是燃料电池产业化急需突破的关键技术之一2.围绕燃料电池空压机的耐久性和性能衰减特性，国内外许多研究工作者开展了相关研究3-5.宋明昌6分析了进气压力对空压机主要性能的影响，发现随着进气压力降低，压缩进气量减少，单位质量气体压缩功增加.Wang等7分析了空压机定压控制过程多个参数之间的耦合关系，建立了受控自回归积分移动平均模型.陈海蓉等8利用实验数据和热力学机理校正，建立了燃料电池增压系统的空压机模型，并进行了相应的仿真计算.Dhayanandh等9研究了喷油参数对螺杆式空压机性能的影响，通过对螺杆式空压机油耗和排气量的测量，对其性能进行了评价.Ilman等10采用标准失效分析方法评估了结构设计、材料类型和动载荷等因素对空压机失效的影响，结果发现失效的主要原因是低周疲劳.不难看出，空压机的设计参数、运行工况以及所处环境等都会对其性能和使用寿命产生影响，即空压机性能与寿命受多种因素耦合影响11.但目前的研究大都局限于定性和仿真研究，定量和试验研究相对较少12.另外，目前国内外相关企业和科研机构针对空压机产品设计、关键性能和耐久性测试技术等方面开展了大量研究工作，但对空压机性能衰减特性的量化分析还较少，真实道路循环工况下空压机的耐久试验数据更是匮乏.为了解决上述问题，本文针对一款自主开发并已量产的燃料电池空压机开展了真实道路循环工况下的耐久性试验研究.通过对试验数据进行统计分析，得到燃料电池空压机性能衰减特性与影响因素，为燃料电池空压机的耐久性设计和研究提供重要参考.1 空压机耐久性试验1.1 试验对象本文研究对象为我国某企业自主设计开发并已经量产的机械增速、单级离心式燃料电池用空压机，适用于30 kW功率级别的电堆.截至目前，该空压机已装车近1 000台，是当前中低功率级燃料电池发动机的主流空压机之一，其主要技术参数如表1所示.需要说明的是，表中给出的是电机转速，该机械轴承空压机的增速比为12.7，即空压机的实际转速为电机转速的12.7倍.图1所示为该燃料电池空压机的几何结构.1.2 试验工况为了对空压机寿命和性能衰减做出准确评估并为后续研究提供有效参考，首先需要制定能反映空压机实际运行情况且具有普适性意义的寿命测试工况.与国内燃料电池整车及系统供应商共同就台架实验、汽车路况测试、实车运营等方面开展调研，围表1 空压机技术参数Tab.1 The specifications of air compressor名称空压机型式电机转速/（r.min-1）电机额定转速/（r.min-1）额定流量/（N.m3.h-1）空气流量/（m3.h-1）排气压力/kPa进气气压/kPa出口气温/冷却方式流量响应时间/s增速比参数单级、离心式、机械轴承1 00011 50011 00012071605105-263130水冷312.7192第 2 期鲍欢欢等：燃料电池离心式空压机性能衰减特性试验研究绕空压机寿命工况、城市路况、高速路况等总结了符合实际的测试验证方案.根据采集的燃料电池汽车实际道路循环工况特征，得到燃料电池发动机的功率需求，结合燃料电池的过量空气比推导出空压机的供气量需求，由此确定燃料电池空压机寿命测试工况谱，如图2所示.从图中可以看到，该循环测试工况谱持续时间约4 000 s，兼顾了城市工况和高速工况，以及坡道和启停等复杂工况的影响.1.3 试验过程为了开展燃料电池空压机耐久性测试，搭建了燃料电池空压机试验台，试验台测试原理和台架实物场景分别如图3和图4所示.试验台可测试的参数覆盖空压机全工况范围内的性能、运行和控制参数.同时，自主开发了基于嵌入式架构的高频、多通道数据采集与分析系统软硬件，以及具有高容错性的高速数据采集、传输、储存、监控软硬件，用于避免高速控制信号与采集传输信号耦合失真及数据处理滞后带来的测量延误.基于该空压机测试台，按照图2所示的空压机寿命试验工况开展了4 000 h燃料电池空压机耐久试验.试验过程说明如下：1）在耐久试验开始前进行首次性能测试、振动测试和温升测试；2）每天对累计磨合时间进行更新，并检查有无漏油、异响、输出轴窜动的情况；3）当空压机按图2所示的寿命试验工况磨合一定时间（例如400500 h）后，开展额定工况点的性能测试，检查不同磨合时间后空压机的性能变化.在试验时，通过改变空压机驱动电机的转速使空压机转速等差增长，同时通过改变空压机阀度调节其流量，从而使空压机按照图2所示工况运行（出口压力与流量达到既定目标）.采用压力和流量传感器等采集不同工况下空压机的性能、运行与控制参数.对不同磨合时间下空压机的性能试验数据进行分类整理，由此可评估空压机在耐久试验过程中的性能变化特性，并为后续研究提供基础数据与对比基准.2 试验结果及分析2.1 磨合前后空压机性能对比分析首先将空压机磨合4 000 h后的外特性（阀门全开）与磨合前进行对比.图5（a）为磨合前后空压机外特性下的出口压力（相对大气压力）与流量随转速