單級(jí)高速氫燃料電池離心空壓機(jī)及其性能測(cè)試

在氫燃料電池汽車發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)中，空壓機(jī)性能優(yōu)劣直接關(guān)乎燃料電池系統(tǒng)的效率、緊湊性與平衡特性，是關(guān)鍵部件之一。優(yōu)質(zhì)空壓機(jī)應(yīng)具備無油、高效、小型化、低成本及良好動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力等特性。當(dāng)前，國內(nèi)多數(shù)廠家采用兩級(jí)壓縮提升空氣壓力，即空氣經(jīng)一級(jí)葉輪壓縮后再進(jìn)入二級(jí)葉輪壓縮，致使空壓機(jī)結(jié)構(gòu)繁雜、體積較大。

本文所介紹的氫燃料電池空壓機(jī)采用單級(jí)壓縮，由高速電動(dòng)機(jī)直驅(qū)，額定轉(zhuǎn)速達(dá) 13000r/min ，最高壓力可達(dá) 0.3MPa 。僅含一個(gè)葉輪，借助提升葉輪轉(zhuǎn)速來提高排氣壓力，結(jié)構(gòu)緊密、體積小巧、質(zhì)量輕盈，完全滿足氫燃料電池汽車的應(yīng)用需求，為氫燃料電池汽車的發(fā)展提供了更具優(yōu)勢(shì)的空壓機(jī)解決方案。

氫燃料電池離心空壓機(jī)簡介

氫燃料電池離心空壓機(jī)與常規(guī)空壓機(jī)及傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)電子增壓器均存在差異，作為氫燃料電池的核心零部件，需滿足絕對(duì)無油、低噪、高可靠、高效、小型化、寬工作范圍、良好動(dòng)態(tài)響應(yīng)與熱管理能力以及低成本等嚴(yán)格要求，代表著空壓機(jī)行業(yè)的頂尖水平，涵蓋空氣動(dòng)力學(xué)、傳熱學(xué)、振動(dòng)力學(xué)、機(jī)械、電動(dòng)機(jī)、電控、材料與高精密加工等多學(xué)科領(lǐng)域。

圖1所示為研發(fā)的單級(jí)壓縮氫燃料電池離心空壓機(jī)示意，主要部件由空氣軸承、高速電動(dòng)機(jī)、高效三元流葉輪空氣軸承供氣系統(tǒng)和冷卻水系統(tǒng)等組成。其工作原理為過濾后的空氣經(jīng)葉輪高速壓縮后轉(zhuǎn)為高壓氣體引出，供氫燃料電池系統(tǒng)使用。圖2所示為單級(jí)壓縮氫燃料電池離心空壓機(jī)實(shí)物。

空氣軸承供氣系統(tǒng)的工作原理為：經(jīng)壓縮機(jī)壓縮后的高壓氣體經(jīng)第一進(jìn)氣通道、第二進(jìn)氣通道進(jìn)入軸向軸承安裝槽和徑向軸承安裝孔，對(duì)軸向空氣軸承、左徑向空氣軸承以及右徑向空氣軸承進(jìn)行冷卻潤滑。

1-蓋板2-過濾筒3-進(jìn)氣機(jī)匣4-后側(cè)板5-葉輪6-機(jī)殼7-軸承座8-轉(zhuǎn)子9-電動(dòng)機(jī)定子10-后蓋板

11-軸向空氣軸承12-左徑向空氣軸承13－右徑向空氣軸承14-第六出氣通道15-第五出氣通道16－第四出氣通道17－第一進(jìn)氣通道18-第二進(jìn)氣通道19-第三出氣通道20－第二出氣通道21-第一出氣通道22-冷卻水入口

23－第一冷卻水通道24－第二冷卻水通道25－冷卻水出口26－過濾筒安裝孔27－進(jìn)氣機(jī)匣空氣入口28－導(dǎo)流孔29-徑向軸承安裝孔30－軸向軸承安裝槽31－后側(cè)板安裝槽32-軸承座安裝槽

然后空氣經(jīng)第一出氣通道、第二出氣通道、第三出氣通道、第四出氣通道、第五出氣通道、過濾筒以及第六出氣通道后進(jìn)入進(jìn)氣機(jī)匣空氣入口，然后再經(jīng)壓縮機(jī)壓縮為高壓氣體，如此反復(fù)循環(huán)。

冷卻水系統(tǒng)的工作原理：冷卻水從冷卻水入口進(jìn)入，先后流經(jīng)第一、第二冷卻水通道后由冷卻水出口排出，從而帶走壓縮機(jī)運(yùn)行產(chǎn)生的熱量。

該單級(jí)高速氫燃料電池離心空壓機(jī)采用螺旋槽空氣懸浮軸承，具備起動(dòng)靈活、無機(jī)械摩擦及安全無油且無振動(dòng)等優(yōu)勢(shì)。高效率三元流葉輪強(qiáng)度高、氣動(dòng)效率高、磨損低，與軸直連，動(dòng)力傳遞效率達(dá) 100% ；高速永磁直聯(lián)電動(dòng)機(jī)效率超 96% ，可實(shí)現(xiàn)精密速度調(diào)控。變頻控制器體積小、噪聲低、性能優(yōu)及軟起動(dòng)，數(shù)字化控制效率達(dá) 95% 以上，穩(wěn)定性與可靠性極高，對(duì)急劇負(fù)荷變化響應(yīng)速度良好。

離心式氫燃料電池縮機(jī)測(cè)試系統(tǒng)

對(duì)于實(shí)際運(yùn)行的氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，空壓機(jī)出口空氣的壓力、流量直接影響氫燃料電池電堆的工作狀況，其性能測(cè)試是空壓機(jī)整機(jī)性能評(píng)價(jià)的重要方式，因此必須對(duì)空壓機(jī)進(jìn)行性能測(cè)試。

圖3所示為氫燃料電池離心空壓機(jī)測(cè)試系統(tǒng)示意，該系統(tǒng)主要由空氣過濾器、流量計(jì)、壓力變送器、溫度變送器、調(diào)節(jié)閥、消聲器、冷卻水系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及相應(yīng)的連接管路等組成。測(cè)試時(shí)，空氣由進(jìn)氣過濾器進(jìn)入進(jìn)氣管道，流經(jīng)進(jìn)氣質(zhì)量流量計(jì)、進(jìn)氣壓力測(cè)量傳感器、進(jìn)氣溫度傳感器，進(jìn)入空壓機(jī)中，壓縮后的高溫高壓氣體進(jìn)入排氣管道中，流經(jīng)排氣壓力傳感器、排氣溫度傳感器、流量控制閥，再經(jīng)排氣消聲器排入大氣。

冷卻水自冷水機(jī)流出經(jīng)流量計(jì)、冷卻水出水壓力傳感器、冷卻水出水溫度傳感器到電動(dòng)機(jī)殼體冷卻電動(dòng)機(jī)定子，再經(jīng)過冷卻水中間壓力傳感器、冷卻水中間溫度傳感器到達(dá)控制器對(duì)其進(jìn)行冷卻，然后經(jīng)過冷卻水回水壓力傳感器、冷卻水回水溫度傳感器后流回冷水機(jī)。

圖4所示為氫燃料電池離心空壓機(jī)測(cè)試系統(tǒng)實(shí)物圖，入口空氣過濾器和出口消聲器置于室外。所有溫度、壓力及流量信號(hào)接入控制系統(tǒng)，出口閥門采用電動(dòng)執(zhí)行器自動(dòng)調(diào)節(jié)開度，通過控制屏實(shí)施顯示并自動(dòng)記錄。該性能試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)科學(xué)合理，操作方便，自動(dòng)化程度高，通過裝置上設(shè)置的一系列傳感器可對(duì)多個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量數(shù)據(jù)全面，可以滿足空壓機(jī)的性能測(cè)試需求，適用于多種型號(hào)及多種工況下空壓機(jī)及供氣系統(tǒng)的供氣性能測(cè)試、水阻性能測(cè)試、氣冷性能測(cè)試，極大地提高了工作效率和準(zhǔn)確性，并且人機(jī)工程設(shè)計(jì)良好，極大改進(jìn)了測(cè)試及工作環(huán)境。

氫燃料電池離心空壓機(jī)性能測(cè)試

利用設(shè)計(jì)的氫燃料電池離心空壓機(jī)測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)公司自研的單級(jí)高速氫燃料電池離心空壓機(jī)進(jìn)行性能測(cè)試。

試驗(yàn)時(shí)間：2024年3月18日；氣溫 ；試驗(yàn)方法：通過出口閥門開度調(diào)節(jié)空壓機(jī)出口壓力，采集在每隔 10000r/min 或 5000r/min 轉(zhuǎn)速下空壓機(jī)的流量和所能達(dá)到的壓比，即出氣壓力與進(jìn)氣壓力之比。同時(shí)采集并記錄的參數(shù)包括空壓機(jī)控制器的電壓、電流、溫度等參數(shù)，并根據(jù)測(cè)試結(jié)果繪制空壓機(jī)性能曲線。

圖5所示為不同轉(zhuǎn)速下空壓機(jī)壓比隨流量變化的曲線。可以看出，在同一轉(zhuǎn)速下，空壓機(jī)壓比隨著空氣流量的增加而減??；反之，隨著空氣流量的減少，空壓機(jī)壓比也增大。在保持流量不變時(shí)，隨著轉(zhuǎn)速的增加，壓比也隨之增大。在壓比不變時(shí)，隨著轉(zhuǎn)速的增加，流量增大。在額定轉(zhuǎn)速130000r/min時(shí)，最大流量為 201g/s ，最大壓比為3。

圖6所示為不同轉(zhuǎn)速下空壓機(jī)功率隨流量的變化曲線?？梢钥闯?，轉(zhuǎn)速越高，所消耗的功率越大，在額定轉(zhuǎn)速 、最大流量為201g/s時(shí)，功率最大為26kW。

結(jié)語

設(shè)計(jì)了一套氫燃料電池空壓機(jī)測(cè)試系統(tǒng)，并通過改變空壓機(jī)出口閥門開度得到在不同轉(zhuǎn)速工況下壓比和功率隨流量的變化數(shù)據(jù)以及空壓機(jī)入口空氣壓力和溫度、出口空氣壓力和溫度、電動(dòng)機(jī)入口冷卻水壓力和溫度、電動(dòng)機(jī)出口冷卻水壓力和溫度、電壓、電流等參數(shù)。

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