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源 | 期刊-《農業裝備與車輛工程》
摘要:
設計了一套燃料電池離心空壓機效能測試系統，透過搭建試驗檯架，編寫程式測試出空壓機的效能引數，透過對比電堆所需的系統引數，來驗證該空壓機是否滿足系統需求。
引言
隨著全球能源的短缺以及環境的惡化，國內外對於怎樣提高能源使用效率和保護環境做了廣泛研究，燃料電池則是其中的研究重點之一。燃料電池使用氫和氧產生的化學能，利用催化劑在電極反應，使化學能轉換為電能，其主要的化學產物就是水，徹底實現了零排放要求，而空氣壓縮機作為空氣供應系統的核心部件之一，是燃料電池系統內的耗能大戶，自然需要進行深入研究。離心式空氣壓縮機不僅效率高、重量輕，而且無油、結構緊湊，被公認為是理想的燃料電池車用空壓機最優方案，所以很多國內外專家學者都在對空壓機效能提升以及功耗降低進行研究。空壓機的效能試驗便是其中很重要的一個環節，因此，設計一套車用離心空壓機測試系統便可以很好地完成對空壓機的效能測試，從而為進一步改進空壓機的設計和最佳化燃料電池系統提供依據。
系統構成設計概述
燃料電池車用離心空壓機測試系統是對燃料電池壓縮機產品效能進行動態測試的綜合實驗臺，由空氣系統、水路冷卻系統和控制系統組成，如圖 1。可模擬壓縮機及氫泵系統在真實燃料電池電堆上的工作環境，其轉速、進氣溫度、流量和壓力可調節；也可模擬真實工作狀態負載條件，對其出口溫度、流量和壓力進行調節。測試系統集計算機上位機軟體、資料採集卡、感測器、執行器、控制器於一體組成系統，可透過人機互動介面進行實驗條件設定，系統自動進行實驗，並對實驗過程資料進行記錄和曲線顯示，並具有歷史資料查詢、曲線再現及Excel報表輸出功能。測試專案包括：壓縮機流量及工作效率特性測試、壓縮機起停耐久特性測試、壓縮機壽命耐久測試和壓縮機振動特性及熱管理測試。
圖1 空壓機測試系統組成示意圖
系統硬體設計
本研究需對離心空壓機進行測試，搭建出了一種新型測試平臺，效能試驗的目的是得到空壓機所有會與系統產生互動的物理量變化關係，從而為空壓機總成與系統的匹配提供依據。試驗方法是，在產品設計允許的範圍內透過調節控制變數，記錄所有被測量的變化。圖 2 所示為離心空壓機效能測試系統試驗檯，此試驗檯結構簡單，執行簡單，效率較高，試驗資料準確，在空壓機系統性能測試過程中，透過控制空壓機的轉速和調節節氣門開度得到不同工況下的空壓機動力輸出，系統具備視覺化線上資料顯示系統，可以實時顯示空壓機轉速、流量、壓比等資訊。
圖2 試驗檯實物
空氣透過空氣過濾器過濾後經過進氣管道進入空壓機，壓縮後的空氣經過排氣管、中冷器冷卻後流經節氣門後排出。在進氣管道上安裝進氣壓力感測器和進氣溫度感測器來採集進氣壓力和溫度，安裝熱膜流量計來採集空壓機入口流量；在空壓機出口管道上安裝排氣壓力感測器和排氣溫度感測器來採集排氣壓力和溫度，安裝熱膜流量計採集排氣管流量用於和入口流量進行對比校核。在冷卻水管道上安裝水溫感測器來採集實時水溫，當水溫過高時自動增加冷卻風扇轉速來降低水溫，反之當水溫過低時自動減小風扇轉速來增加水溫。在中冷後安裝節氣門，透過上位機改變佔空比來控制節氣門開度。
資料採集系統採用 NI 的硬體採集板卡，如圖 3 所示。使用 NI 的 cDAQ-9178 機箱，NI9226 模組用來採集各路溫度感測器訊號，NI9202 模組用來採集壓力和流量訊號，NI 9474 模組用來控制防喘閥的開閉，NI9862 模組用來做CAN 通訊。
圖3 NI 資料採集系統
使用華海科技的 RapidECU 快速原型開發套件，如圖 4，輸出佔空比可調的 PWM 波，來控制節氣門的開度，用以調整空壓機的背壓，控制水泵和散熱器風扇的轉速，冷卻空壓機、控制器、中冷器等。
圖4 RapidECU 快速原型開發套件
2.1 渦旋式空壓機
系統軟體設計
基於LabVIEW編寫上位機控制程式，如圖5，運用庫函式程式設計實現與空壓機控制器透過 CAN匯流排進行通訊，程式如圖 6，從而控制空壓機轉速、節氣門開度、水泵和冷卻風扇轉速等；從資料採集裝置獲取的感測器訊號，透過換算分析，解析出實時試驗檯系統各個感測器的引數值，如圖 7；設定報警上下限，實時計算空壓機修正流量、壓比、絕熱效率等引數，如圖 8，並且可以實時儲存記錄實驗資料。
圖5 上位機控制系統
圖6 與下位機 CAN 通訊實現程式
圖7 顯示感測器數值程式
圖8 實時計算修正轉速壓比程式
基於 rapidECU 開發的節氣門控制、風扇和散熱器自動控制，在 Simulink 的庫種點選PowerDriverPWM 子庫，如圖 9 所示，庫中包含1 個名為 PowerDriverPWM 的模組，將模組拖入到模型中，並選擇相應的管腳，即可控制相應管腳的輸出值。例如選擇管腳，60： O_PWM3_LS1A8，即可控制控制器管腳 60 的輸出值，由於功率驅動 PWM 與部分功率驅動開關複用控制器管腳，在一個模型中，一個控制器管腳只能選擇一種功能使用，不可將同一管腳同時用作功率驅動開關與功率驅動 PWM。
圖 9 PWM 控制模組
試驗測試
4.1 試驗前檢查
安裝管路方向原則上進出氣流量、壓力、溫度測點範圍內需要直管，感測器需要線束接頭，管路需隔熱包裹。在已知通訊協議的情況下，與空壓機進行通訊，需要對空壓機的控制指令解析、狀態位元組解析、空壓機故障碼解析。再檢查臺架狀態，感測器是否異常 ， 即電壓（或電流）訊號輸出、下位機是否異常，CAN 發出資料與訊號是否符合，上位機引數是否異常，上位機顯示資料與CAN是否符合，溫度控制是否滿足零件需求，峰值、均值，節氣門控制穩定性、管路密封性檢查等。
4.2 試驗步驟
先啟動上位機程式，將臺架上電，連線通訊，判斷有無故障碼，若無故障碼則輸入空壓機怠速轉速，節氣門調整至最大開度後啟動空壓機，判斷空壓機有無故障碼；臺架檢查 ， 即調整轉速至最大，逐漸關閉節氣門至額定壓力，穩定一段時間，檢查臺架狀態是否有故障碼產生，進出口流量計是否一致，各通道顯示資料是否合理 。
可分為兩部分測量，分別為穩態測量和瞬態測量。穩態測量時，首先控制空壓機轉速使修正轉速與供應商 map 一致，每條轉速線由大流量逐漸關閉節氣門至喘振點，每個點溫度、壓力、流量穩定後再採集資料，一條轉速線採集至少 7 個點， 喘振端可分佈稍密集，由最低轉速往最高轉速遞增，重複上述過程，得到壓力與流量的匹配關係，轉速為控制變數的按等轉速線劃分，得到空壓機修正 map， 如圖 10，原始測試資料經相似性理論修正得出，以排除測試環境對空壓機工作能力的影響。
圖10 空壓機 map
各轉速線最小流量限制為喘振點，各喘振點連線起來為喘振線。喘振表現為喘振噪聲，出口壓力無法提高，壓力流量波動，只要達到兩種表現即可視為達到喘振點。各轉速線最大流量為阻塞點，各阻塞點連線起來為阻塞線。阻塞可由氣體流透過程中任意瓶頸截面產生，表現為當地流速達到聲速，無法繼續提高流量，試驗檯架應注意避免試驗管路成為阻塞截面，由於接近阻塞的空壓機工作效率非常低，通常匹配工作都選擇絕熱氣動效率大於 60% 的 map 範圍為宜，所以試驗測試一般以等效率線為劃定阻塞線。冷卻物一般為乙二醇和去離子水的混合液體，在使用範圍內認為其具有不可壓縮性，且溫度對體積模量影響不大。
瞬態測量時，怠速至額定轉速的測量，首先以額定點壓力確定節氣門開度，保持節氣門開度，從最低轉速即時拉載至額定點，臺架設定為最高取樣和記錄頻率，透過電流鉗和示波器記錄相電流資料，以 1 萬轉為間隔重複上述過程，上位機按 10 s 線性變速完成怠速至額定過程，如圖 11所示。
圖11 快速降載監測
在節氣門開度保持不變的情況下，逐漸增加空壓機的轉速，由 40000 上升到 95 000 轉，隨著空壓機轉速的不斷上升，壓縮比也不斷上升，修正流量也隨著轉速上升而不斷增大，空壓機的總效率和整機效率同樣隨著轉速的上升而上升，但效率都在 50% 以下，如圖 12 所示；空壓機的機械功率損失也隨著轉速的增大而增大，當轉速達到 95000 轉時，機械功率損失達到 7 kW，如圖 13 所示。
圖12 空壓機功率效率曲線
圖13 機械功率損失
測試空壓機的電氣特性，即瞬時電流，從現工作點到目標工作點瞬態拉載時的輸入電流，用電流鉗和示波器記錄有效值、峰值、波形，如圖14 所示，瞬態測試工況一般為怠速至額定或每 1萬轉遞增。
圖14 空壓機電流監測
4.3 外部噪聲和振動表現
map 測試時同時獲取，建議在地面為反射面的半消聲室進行，非被測物件的噪聲應隔離，比如散熱器風扇、水泵、實驗室通風扇等等。主麥克風作為量化評價噪聲譜主要的資料來源，與空壓機軸線同高（100 cm 處），與空壓機之間不應有阻擋物。近場麥克風是判斷確認噪聲源是否為空壓機的重要依據，與空壓機軸心同高（15 cm處），安裝時注意不應與臺架產生接觸，線束固定牢固。
效能試驗中，振動測試主要是獲取空壓機作為振動源產生的加速度幅值和對應頻率。振動測試工況有 2 種，在 map 測試時同時獲取，或在電氣特性瞬態拉載，但要注意即時拉載時資料採集系統的頻率解析度是否能滿足，被測空壓機應該按照在系統上的安裝方式和安裝扭矩裝好，各管路應有安裝支架，與空壓機終端連線應透過軟管進行，不能對空壓機造成額外的附載入荷。振動感測器推薦採用三軸振動感測器，座標方向定義推薦為：X 正方向為壓縮機出氣軸線方向，Y 正方向為壓縮機進氣軸線方向。感測器貼上牢固，注意感測器和膠水的耐受溫度，推薦佈置位置為：電機殼外輪廓最高點，安裝支架底板，電機殼端板軸心處。
結論
透過上述試驗，改變節氣門開度可以得到在不同轉速工況下壓比的變化以及實時變化的相應系統資料，如空壓機空入溫度、空壓機空入流量、空壓機空入壓力、空壓機空出壓力、電機水入溫度、電機水入壓力、電機水出壓力、中冷器空出壓力、中冷器空出流量、電壓、電流、功耗等。本試驗系統在全面考慮了對於離心空壓機的效能測試的要求後形成了從外部效能到內部特性的測試能力 ， 並且整個系統具有較廣的測試範圍和良好測試精度 ， 可以對多種離心空壓機進行效能的檢測和試驗研究，試驗效率大大提高。
該壓縮機效能測試系統由微控制器、感測器、基於 CAN 匯流排通訊的硬體裝置和 NI 公司的虛擬儀器軟體構成。相較於傳統的測控系統，美國 NI公司的LabVIEW圖形化的程式語言程式設計效率高、開放性好、使用方便，該系統中所有的效能計算
方法由計算機自動完成。本測試系統可以對測試中電流、壓力等資料實現實時採集，並可以在人機介面上直觀實時顯示。主要測試應用於燃料電池的離心空壓機效能，為系統空壓機的選型與匹配提供技術支援，為產品開發和質量保證提供可靠的測試平臺，也為進行如空壓機控制策略等的研究提供了實驗環境。
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