基于道路循環(huán)工況的燃料電池空壓機(jī)瞬態(tài)性能試驗(yàn)研究*

鮑歡歡，張 磊，劉 琦，付建勤，王書千，吳 全，劉敬平

（1. 湖南大學(xué)先進(jìn)動(dòng)力總成技術(shù)研究中心，長(zhǎng)沙 410082；2. 湖南大學(xué)重慶研究院，重慶 401120；3. 廣東廣順新能源科技有限公司，佛山 528216）

前言

隨著石油資源枯竭和環(huán)境污染的日益嚴(yán)重，機(jī)動(dòng)車排放法規(guī)愈發(fā)嚴(yán)格，世界各國(guó)汽車行業(yè)也因此經(jīng)歷巨大的變革。“雙碳”政策的推行，更是有效推動(dòng)了新能源汽車的發(fā)展。其中，尤以氫燃料電池汽車得到了廣泛的關(guān)注。氫燃料電池汽車以氫燃料電池作為動(dòng)力輸出源，不同于常規(guī)電動(dòng)汽車，其工作原理為利用電極反應(yīng)將氫和氧的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)車輛行駛。氫燃料電池同時(shí)兼具了內(nèi)燃機(jī)和鋰離子電池的優(yōu)點(diǎn)，續(xù)駛里程長(zhǎng)、加氫時(shí)間短、零排放且高效率等，因而被認(rèn)為是一種潛力巨大的能源利用方式?？諌簷C(jī)是燃料電池系統(tǒng)核心部件之一，其主要作用是為燃料電池系統(tǒng)提供足量的壓縮空氣，以保障燃料電池系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，由于汽車行駛工況復(fù)雜多變，空壓機(jī)的空氣流量和壓比也不斷變化，因此空壓機(jī)的動(dòng)態(tài)工作特性直接決定了燃料電池系統(tǒng)的工作性能及效率。

目前，針對(duì)燃料電池空壓機(jī)的工作特性，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者已經(jīng)開展了大量相關(guān)研究工作。馬明俊等開展了離心式空壓機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)與性能試驗(yàn)研究，分析了葉輪葉型設(shè)計(jì)對(duì)空壓機(jī)流動(dòng)損失與氣動(dòng)效率的影響。Liu 等分析了結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)空壓機(jī)的性能影響，發(fā)現(xiàn)隨著葉頂間隙增加，空壓機(jī)出口流速的均勻性變差，流動(dòng)損失增加，進(jìn)而導(dǎo)致空壓機(jī)效率降低。趙冬冬等研究了飛機(jī)燃料電池用空壓機(jī)的壓力、流量、轉(zhuǎn)速和高度之間的非線性耦合關(guān)系，采用動(dòng)態(tài)模型分析了隨著高度變化時(shí)空壓機(jī)流量、壓力和轉(zhuǎn)速的動(dòng)態(tài)特性。Chen等搭建了空壓機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)性能仿真模型并開展了空壓機(jī)系統(tǒng)穩(wěn)定性分析，研究表明，在恒定轉(zhuǎn)速下，隨著氣閥開度降低至特定值，空壓機(jī)發(fā)生失穩(wěn)，而氣閥開度一定時(shí)，空壓機(jī)失穩(wěn)現(xiàn)象發(fā)生于轉(zhuǎn)速降低至某特定值的工況。Wan等發(fā)現(xiàn)離心式空壓機(jī)搭載于燃料電池上時(shí)主要工作區(qū)域處于低流量系數(shù)和高水頭系數(shù)的狹長(zhǎng)區(qū)域，并對(duì)空壓機(jī)設(shè)計(jì)策略進(jìn)行改進(jìn)研究，結(jié)果表明，新的設(shè)計(jì)策略有效改善了空壓機(jī)在低流量區(qū)域的運(yùn)行特性，提高了燃料電池系統(tǒng)的工作效率。

綜上，空壓機(jī)的性能受結(jié)構(gòu)參數(shù)、運(yùn)行參數(shù)和環(huán)境等因素的影響，從而影響燃料電池系統(tǒng)的整體工作性能。但目前的研究大都局限于空壓機(jī)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行特性。另一方面，空壓機(jī)在動(dòng)態(tài)變載工況條件下性能劇烈變化，其瞬態(tài)運(yùn)行特性對(duì)空壓機(jī)與燃料電池系統(tǒng)的匹配和性能優(yōu)化尤為重要。Han等開發(fā)了一種可預(yù)測(cè)喘振的空壓機(jī)非線性動(dòng)態(tài)模型，并引入一種模型參考自適應(yīng)控制算法以避免燃料電池系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)變載工況下發(fā)生喘振，結(jié)果表明，自適應(yīng)控制對(duì)喘振控制的響應(yīng)優(yōu)于反饋控制，空氣流量恢復(fù)穩(wěn)定時(shí)間縮短約2.5 s。Zhao 等基于內(nèi)點(diǎn)法利用狀態(tài)方程構(gòu)建了空壓機(jī)半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，并?yīng)用于一臺(tái)10 kW 燃料電池模型中。仿真結(jié)果表明，基于負(fù)載轉(zhuǎn)矩控制空氣流量的動(dòng)態(tài)前饋控制器可消除瞬態(tài)工況下空壓機(jī)負(fù)載產(chǎn)生的干擾，同時(shí)在動(dòng)態(tài)變載工況下能保證空壓機(jī)和燃料電池高效運(yùn)行。Liu 等針對(duì)某重型燃料電池車空氣供給系統(tǒng)建立了半機(jī)械半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停Ⅰ詈弦环N離心式空壓機(jī)復(fù)合前饋PID 控制策略。結(jié)果表明，在電堆電流躍變過程，所提出的控制策略可將空壓機(jī)轉(zhuǎn)速和空氣流量的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間由4-5 s縮短至1-2 s。Jin等通過仿真研究了變脈譜空壓機(jī)的性能特性，結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的空壓機(jī)峰值效率達(dá)到77%，且喘振裕度增加了28.1%～42.7%。

目前國(guó)內(nèi)外相關(guān)企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)對(duì)于燃料電池空壓機(jī)的瞬態(tài)性能研究多集中于空壓機(jī)代理模型與控制策略開發(fā)，鮮有基于真實(shí)道路循環(huán)工況對(duì)空壓機(jī)性能參數(shù)變化規(guī)律與動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性進(jìn)行系統(tǒng)分析和總結(jié)。為了解決上述問題，本文中針對(duì)一款自主開發(fā)并已量產(chǎn)的燃料電池用空壓機(jī)開展了道路循環(huán)工況下的瞬態(tài)循環(huán)測(cè)試，并選取其中單次測(cè)試循環(huán)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到燃料電池空壓機(jī)瞬態(tài)工作特性與影響因素，為燃料電池用空壓機(jī)匹配和性能優(yōu)化提供重要參考。

1 空壓機(jī)瞬態(tài)循環(huán)測(cè)試

1.1 試驗(yàn)對(duì)象

本研究選用某國(guó)產(chǎn)自主研發(fā)的量產(chǎn)型30 kW 燃料電池用單級(jí)離心式空壓機(jī)，是當(dāng)前中低功率級(jí)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的主流產(chǎn)品之一（目前已裝車近1 000臺(tái)），其幾何結(jié)構(gòu)如圖1 所示?？諌簷C(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1 所示。值得注意的是，由于本文所選取的空壓機(jī)為機(jī)械增速單級(jí)離心式，因此空壓機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速為電機(jī)轉(zhuǎn)速與增速比的乘積，即空壓機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速為電機(jī)轉(zhuǎn)速的12.7 倍。由于試驗(yàn)直接測(cè)試的是電機(jī)轉(zhuǎn)速，因此以電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行討論。

圖1 燃料電池空壓機(jī)幾何結(jié)構(gòu)

表1 空壓機(jī)技術(shù)參數(shù)

1.2 試驗(yàn)工況

由于燃料電池用空壓機(jī)壽命與耐久測(cè)試技術(shù)尚不成熟，缺乏權(quán)威的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，因此本文中提出一種基于真實(shí)道路循環(huán)的空壓機(jī)壽命測(cè)試工況，以分析在道路循環(huán)工況下空壓機(jī)的瞬態(tài)工作特性，并用于對(duì)空壓機(jī)壽命和性能衰減做出準(zhǔn)確評(píng)估。通過與國(guó)內(nèi)燃料電池汽車與系統(tǒng)廠商等多方合作，采集燃料電池汽車實(shí)際道路循環(huán)工況特征，推算道路行駛工況下燃料電池系統(tǒng)的功率需求，并結(jié)合燃料電池過量空氣比獲取空壓機(jī)的需求供氣量，從而構(gòu)建了燃料電池空壓機(jī)壽命測(cè)試工況譜，如圖2所示。

從圖2 中可以看到，該測(cè)試工況譜持續(xù)時(shí)間約為4 100 s，包括了城市工況（0- 2 100 s）、坡道復(fù)合工況（2 100-2 630 s）、高速工況（2 630-3 970 s）和停機(jī)冷卻工況（3 970-4 100 s）等工況的疊加，全面覆蓋了燃料電池汽車常規(guī)行駛的工況特征，能夠充分反映空壓機(jī)在道路行駛工況下的工作特性。

圖2 空壓機(jī)壽命試驗(yàn)工況譜

1.3 試驗(yàn)過程

為了開展燃料電池空壓機(jī)壽命測(cè)試，搭建了燃料電池空壓機(jī)試驗(yàn)臺(tái)，試驗(yàn)場(chǎng)景如圖3 所示。其中，空壓機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)原理如圖4 所示。試驗(yàn)臺(tái)架中采用了自主開發(fā)的基于嵌入式架構(gòu)高頻、多通道數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)軟硬件，以及具有高容錯(cuò)性的高速數(shù)據(jù)采集、傳輸、儲(chǔ)存和監(jiān)控軟硬軟件，用于避免高速控制信號(hào)與采集傳輸信號(hào)耦合失真和數(shù)據(jù)處理滯后帶來的測(cè)量延誤。試驗(yàn)臺(tái)可測(cè)試的參數(shù)覆蓋空壓機(jī)全工況范圍內(nèi)的性能、運(yùn)行和控制參數(shù)。

圖3 燃料電池空壓機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)場(chǎng)景

圖4 空壓機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)原理示意

基于該空壓機(jī)測(cè)試臺(tái)，按照?qǐng)D2 所示的空壓機(jī)壽命試驗(yàn)工況譜開展了燃料電池空壓機(jī)瞬態(tài)循環(huán)測(cè)試。試驗(yàn)過程中，通過調(diào)節(jié)空壓機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速以實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)轉(zhuǎn)速等差增長(zhǎng)，同時(shí)通過調(diào)節(jié)空壓機(jī)氣閥開度改變其出口流量，使空壓機(jī)按照?qǐng)D2 所示測(cè)試循環(huán)工況運(yùn)行。測(cè)試過程中，試驗(yàn)臺(tái)通過瞬態(tài)壓力和流量等傳感器實(shí)時(shí)采集并記錄不同時(shí)刻的空壓機(jī)性能、運(yùn)行與控制參數(shù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 空壓機(jī)瞬態(tài)性能變化特性

從圖2 可以看出，在整個(gè)瞬態(tài)測(cè)試循環(huán)工況中，轉(zhuǎn)速和流量的變化趨勢(shì)基本保持一致。隨著行駛工況由城市工況向高速工況轉(zhuǎn)移，燃料電池空氣需求量增加，因此在高速工況下空壓機(jī)的轉(zhuǎn)速和流量均有所上升。在城市工況區(qū)域，空壓機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速主要集中于3 600-7 500 r/min，而高速工況則主要集中于9 900-10 200 r/min。坡道復(fù)合工況主要是模擬車輛在坡道行駛的情況，需要較大的功率輸出，因此空壓機(jī)工作區(qū)域也位于相對(duì)較高的轉(zhuǎn)速區(qū)域，即6 500-10 000 r/min。

空壓機(jī)在與燃料電池系統(tǒng)匹配時(shí)通常要求工作點(diǎn)分布于高效率工作區(qū)間內(nèi)，同時(shí)應(yīng)當(dāng)避免發(fā)生喘振、堵塞等不穩(wěn)定現(xiàn)象。圖5 所示為空壓機(jī)單次瞬態(tài)循環(huán)的性能測(cè)試結(jié)果與穩(wěn)態(tài)外特性脈譜圖對(duì)比，其中紅色散點(diǎn)為基于圖2 壽命工況譜進(jìn)行單次循環(huán)試驗(yàn)獲得的空壓機(jī)運(yùn)行工況點(diǎn)?？梢园l(fā)現(xiàn)，空壓機(jī)在道路循環(huán)工況下的運(yùn)行工況主要分布于穩(wěn)態(tài)性能脈譜圖的中間窄帶部分，處于較高效率的工作區(qū)間，同時(shí)也避免了喘振和堵塞等不穩(wěn)定現(xiàn)象的發(fā)生。此外，瞬態(tài)循環(huán)工況下空壓機(jī)最大運(yùn)行轉(zhuǎn)速為10 200 r/min，距離最大工作轉(zhuǎn)速區(qū)域仍具有一定距離，保留了一定的性能裕度。

圖5 空壓機(jī)瞬態(tài)性能與穩(wěn)態(tài)性能對(duì)比

圖6所示為瞬態(tài)循環(huán)測(cè)試工況下空壓機(jī)進(jìn)出口流量對(duì)比。由圖6（a）可以看出在整個(gè)瞬態(tài)循環(huán)工況下，入口流量與出口流量變化趨勢(shì)幾乎一致。隨著轉(zhuǎn)速增加，進(jìn)出口流量的差值隨之變大。圖6（b）更直觀地展示了瞬態(tài)循環(huán)工況下進(jìn)出口流量差值的變化趨勢(shì)，顯然空壓機(jī)進(jìn)出口流量差波動(dòng)更為劇烈。在城市工況區(qū)域，空壓機(jī)進(jìn)出口流量差大多在6 m/h 以下，而在坡道復(fù)合工況和高速工況區(qū)域，空壓機(jī)進(jìn)出口流量差主要介于3.5-8.5 m/h 之間。造成這種差異的主要原因是隨著空壓機(jī)轉(zhuǎn)速和流量增加，空壓機(jī)出口溫度變高，從而導(dǎo)致出口氣體密度下降，體積流量上升。從圖7（a）中可以看出，空壓機(jī)進(jìn)出口壓比（出口與進(jìn)口壓力之比）的變化趨勢(shì)與圖2 中轉(zhuǎn)速和流量的變化趨勢(shì)基本保持一致，高速區(qū)域壓比最高可達(dá)1.72，而在怠速工況壓比只有1.08，此時(shí)空壓機(jī)僅維持較低限度的空氣供給電堆維持系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。圖7（b）展示了空壓機(jī)進(jìn)出口溫度之比隨時(shí)間的變化。圖中溫度比為空壓機(jī)進(jìn)出口氣體溫度單位轉(zhuǎn)化為開氏溫度后計(jì)算獲得。溫度比的變化趨勢(shì)顯然不同于轉(zhuǎn)速和流量的變化趨勢(shì)，但整體上仍呈現(xiàn)出城市工況區(qū)域溫度比較低（最大值為1.11）而高速區(qū)域溫度比較高（最高達(dá)1.22）的趨勢(shì)。這主要是因?yàn)槠碌缽?fù)合區(qū)域和高速區(qū)域空壓機(jī)轉(zhuǎn)速高、流量大從而導(dǎo)致壓縮氣體溫度升高所致。結(jié)合圖7（a）和圖7（b）發(fā)現(xiàn)溫度比整體低于壓比，且溫度比變化趨勢(shì)緩慢。由理想氣體狀態(tài)方程可知，對(duì)于壓縮過程，在相同質(zhì)量流量下，壓力上升較快，溫度上升較慢，則會(huì)導(dǎo)致密度下降，從而形成圖6（a）中流量的差異。而在高轉(zhuǎn)速大流量區(qū)域，壓比增長(zhǎng)率較高，溫度比增長(zhǎng)率較低，從而導(dǎo)致高速大流量區(qū)域的密度變化更大，使得在高速區(qū)域入口流量與出口流量之差增大。

圖6 空壓機(jī)進(jìn)出口流量對(duì)比

圖7 空壓機(jī)壓比和溫度比

圖8展示了空壓機(jī)在瞬態(tài)工況下的出口壓力和出口溫度?？梢钥吹剑瑘D8 中壓力和溫度的變化趨勢(shì)與圖7 完全一致，這主要是由于試驗(yàn)過程中進(jìn)氣口處溫度和壓力通常保持在恒定工況。由圖8 可以看出，空壓機(jī)出口氣壓與空壓機(jī)轉(zhuǎn)速和流量保持一致的變化趨勢(shì)，且高速區(qū)域的出口氣壓最高達(dá)到70 kPa，而城市路況由于工況多變，出口氣壓多數(shù)低于40 kPa。此外，結(jié)合圖8 和圖6（a）可以發(fā)現(xiàn)，在高速工況最大運(yùn)行轉(zhuǎn)速區(qū)域，流量的波動(dòng)相比壓力波動(dòng)更加劇烈，這主要是由于空壓機(jī)溫度變化并未完全跟隨轉(zhuǎn)速和流量變化所致。從圖8 可以看出，當(dāng)空壓機(jī)剛開始運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，空壓機(jī)出口溫度逐漸上升，在城市工況區(qū)域由于供氣需求較低，空壓機(jī)主要在中低流量區(qū)域運(yùn)轉(zhuǎn)，最大出口溫度僅為53 ℃，而隨著車輛爬坡和高速行駛所需的供氣量需求上升，空壓機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)，壓后溫度也隨之快速上升，最大可達(dá)88 ℃，因此出口氣體需經(jīng)過中冷后再供給燃料電池系統(tǒng)。此外，壓后氣體溫度變化特性與壓力特性存在明顯的不同之處為：壓力的峰值幾乎與轉(zhuǎn)速和流量的峰值所對(duì)應(yīng)時(shí)刻一致，而溫度峰值的變化存在明顯的滯后，甚至空壓機(jī)轉(zhuǎn)速和流量提升的時(shí)刻，溫度處于波谷。例如在高速工況處，出口氣壓上升，而出口氣溫反而先降低至70 ℃隨后再上升。在城市工況區(qū)域，出口氣溫同樣存在滯后性，先是緩慢上升至最高53 ℃，隨后緩慢降低，并沒有跟隨空壓機(jī)轉(zhuǎn)速和流量的瞬變而表現(xiàn)出快速響應(yīng)。造成這種變化趨勢(shì)的主要原因是溫度較低的空氣流入空壓機(jī)過程中會(huì)被溫度較高的部件加熱，即空壓機(jī)出口溫度不僅受空壓機(jī)運(yùn)行參數(shù)的影響，同時(shí)還受空壓機(jī)內(nèi)部傳熱的影響，進(jìn)而導(dǎo)致空壓機(jī)出口溫度變化未完全跟隨轉(zhuǎn)速和流量變化。因此，在制定空壓機(jī)中冷控制策略時(shí)應(yīng)當(dāng)綜合考慮空壓機(jī)內(nèi)部傳熱及運(yùn)行工況變化對(duì)壓后溫度的影響。

圖8 空壓機(jī)出口氣壓和溫度

圖9所示為在瞬態(tài)循環(huán)測(cè)試工況下電機(jī)驅(qū)動(dòng)空壓機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)所消耗的電源功率。由圖可知，電源功率的變化趨勢(shì)與空壓機(jī)轉(zhuǎn)速和流量的變化情況基本一致，最大功率消耗達(dá)到5.6 kW。相對(duì)于所匹配的30 kW 燃料電池系統(tǒng)而言，高速工況下空壓機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)會(huì)造成較大的寄生功耗，即空壓機(jī)消耗的功率占燃料電池功率的18.7%，限制了燃料電池系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率。

圖9 空壓機(jī)電源功率

2.2 空壓機(jī)瞬態(tài)響應(yīng)性能分析

車輛行駛過程中經(jīng)常需要發(fā)生急加速或者急減速等工況，因此空壓機(jī)能否及時(shí)供給足量的空氣對(duì)于燃料電池汽車的駕駛性能有較大的影響，因此接下來進(jìn)一步對(duì)空壓機(jī)在瞬態(tài)工況下的響應(yīng)性能進(jìn)行分析。圖10（a）～圖10（c）分別展示了城市工況、坡道復(fù)合工況和高速工況下空壓機(jī)的轉(zhuǎn)速和流量隨時(shí)間的變化。其中，城市工況和高速工況由于分別包含多個(gè)重復(fù)工況的疊加，因此只選取其中一段進(jìn)行分析，分別為0-670 s和2 630-2 820 s兩段。

圖10 空壓機(jī)轉(zhuǎn)速和流量特性

由前文所述可知，在整個(gè)循環(huán)工況中，出口流量能夠較好地跟隨轉(zhuǎn)速的變化，適應(yīng)車輛頻繁的加減速工況需求。由圖中黑色直線標(biāo)注可以發(fā)現(xiàn)，空壓機(jī)轉(zhuǎn)速上升時(shí)，出口流量也隨之立即上升，且出口流量的峰值點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻幾乎與轉(zhuǎn)速的峰值點(diǎn)保持一致，即在急加速工況下，本文所研究的空壓機(jī)能夠在燃料電池汽車急加速工況下提供充足的空氣供給，保障其加速性能。然而在急減速工況，空壓機(jī)轉(zhuǎn)速快速降低，而出口流量的降低出現(xiàn)了一定的遲滯。

為了更直觀地分析減速工況下空壓機(jī)的遲滯特性，分別在城市工況、坡道復(fù)合工況和高速工況中截取有代表性的一段進(jìn)行分析，如圖11（a）和圖11（b）所示?？梢钥吹剑?dāng)轉(zhuǎn)速變化幅度較低時(shí)，空壓機(jī)出口氣流遲滯性并不明顯。而在圖11（b）中第2 600-2 615 s 階段，轉(zhuǎn)速由9 750 快速降低至4 450 r/min，而空壓機(jī)流量則是滯后了約2 s才開始快速下降，且在轉(zhuǎn)速達(dá)到4 450 r/min 并保持不變時(shí)，空壓機(jī)流量仍存在下降的趨勢(shì)，由56.6 繼續(xù)降低至51.7 m/h。類似地，從圖11（c）中可以看出，當(dāng)空壓機(jī)轉(zhuǎn)速快速降低至穩(wěn)定值時(shí)，空壓機(jī)流量降低過程也存在短暫的滯后。這主要是因?yàn)楫?dāng)空壓機(jī)由高速快速降低至低速時(shí)，運(yùn)行工況跨度大，且由高效率運(yùn)行區(qū)轉(zhuǎn)移至低效區(qū)（圖5 左下角區(qū)域），工況突變?cè)斐煽諌簷C(jī)運(yùn)行存在不穩(wěn)定從而導(dǎo)致流量出現(xiàn)遲滯，這可能會(huì)導(dǎo)致行駛過程中控制器仍按設(shè)定的過氧比運(yùn)行，未能及時(shí)減少氫氣供給導(dǎo)致車輛減載遲滯、影響整車實(shí)際運(yùn)行性能，因此在燃料電池系統(tǒng)控制策略制定過程中應(yīng)當(dāng)予以充分考慮。而當(dāng)空壓機(jī)由低速快速升至高速時(shí)（如圖10（c）中黑線間區(qū)域），此時(shí)空壓機(jī)流量在低速時(shí)未出現(xiàn)遲滯，主要是因?yàn)樵诳諌簷C(jī)增速前有一段低速穩(wěn)定區(qū)域，此時(shí)空壓機(jī)工況接近于穩(wěn)態(tài)，運(yùn)行相對(duì)穩(wěn)定。

圖11 空壓機(jī)減速響應(yīng)特性

3 結(jié)論

本文中構(gòu)建了一種接近真實(shí)道路循環(huán)工況的車用燃料電池空壓機(jī)瞬態(tài)測(cè)試循環(huán)，并基于此針對(duì)一臺(tái)機(jī)械增速型離心式燃料電池空壓機(jī)開展了瞬態(tài)性能試驗(yàn)，分析了空壓機(jī)的瞬態(tài)性能變化特性及其瞬時(shí)響應(yīng)特性，得到如下結(jié)論。

（1）空壓機(jī)在瞬態(tài)測(cè)試循環(huán)下的工況點(diǎn)主要分布于穩(wěn)態(tài)性能脈譜圖的中間窄帶部分，處于較高效率工作區(qū)間，避免了喘振和堵塞等不穩(wěn)定現(xiàn)象發(fā)生，且保留了一定的性能裕度。

（2）空壓機(jī)進(jìn)出口流量之差隨轉(zhuǎn)速上升而增大，在城市工況流量差值大多在6 m/h 以下，而在坡道復(fù)合工況和高速工況區(qū)域時(shí)，空壓機(jī)進(jìn)出口流量差基本介于3.5-8.5 m/h之間。

（3）空壓機(jī)瞬態(tài)工況下出口壓力、電源功率與轉(zhuǎn)速和流量的變化規(guī)律基本一致，而出口溫度并未完全跟隨轉(zhuǎn)速和流量的變化，且溫度變化存在一定的遲滯性，溫度峰值對(duì)應(yīng)時(shí)刻通常滯后于轉(zhuǎn)速的峰值時(shí)刻。

（4）空壓機(jī)轉(zhuǎn)速增加及緩慢減小時(shí)，流量變化并未呈現(xiàn)出明顯的遲滯，而當(dāng)轉(zhuǎn)速由9 750快速降低至4 450 r/min 時(shí)，流量變化出現(xiàn)了2 s 的遲滯，且當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到穩(wěn)定值時(shí)，流量仍在降低，由56.6 繼續(xù)降低至51.7 m/h。