燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)用空壓機(jī)關(guān)鍵指標(biāo)分析及試驗(yàn)研究

摘要： 空壓機(jī)作為燃料電池空氣供應(yīng)系統(tǒng)的核心部件，其響應(yīng)時(shí)間、油蒸氣含量和耐振性對(duì)燃料電池系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)變載、使用壽命以及運(yùn)行可靠性具有重要影響。以某款氣浮軸承離心式空壓機(jī)為研究對(duì)象，制定了詳細(xì)的試驗(yàn)方法，旨在深入研究這三個(gè)關(guān)鍵性能指標(biāo)。結(jié)果表明：在響應(yīng)時(shí)間方面，隨著節(jié)氣門開度的減小，壓比增大，排氣阻力增加，導(dǎo)致空壓機(jī)啟動(dòng)響應(yīng)和動(dòng)態(tài)變載響應(yīng)時(shí)間相應(yīng)增加，不同背壓條件對(duì)空壓機(jī)的響應(yīng)時(shí)間具有較大影響。在油蒸氣含量方面，提出并實(shí)現(xiàn)了一種可操作性強(qiáng)、高效便捷的測(cè)試方法，試驗(yàn)表明：不同的氣體介質(zhì)導(dǎo)致含油量測(cè)試結(jié)果存在差異，因此在考慮空壓機(jī)“無(wú)油指標(biāo)”時(shí)需慎重考慮大氣介質(zhì)中的含油量。在機(jī)械負(fù)荷方面，致力于為燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)用空壓機(jī)運(yùn)行可靠性和穩(wěn)定性提供有效的振動(dòng)沖擊試驗(yàn)方法，結(jié)合空壓機(jī)實(shí)際應(yīng)用工況，開展了非運(yùn)行、怠速和額定工況下的隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)和非帶載機(jī)械沖擊試驗(yàn)，并對(duì)機(jī)械完整性、絕緣電阻性和輸出性能進(jìn)行綜合評(píng)估，結(jié)果顯示振動(dòng)沖擊試驗(yàn)未對(duì)空壓機(jī)性能產(chǎn)生不利影響。

關(guān)鍵詞： 燃料電池；離心式空壓機(jī)；性能試驗(yàn)

DOI： 10.3969/j.issn.1001-2222.2024.06.003

中圖分類號(hào)： TM911.4" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： B" 文章編號(hào)： 1001-２２２２（２０24）０6-００17-０7

質(zhì)子交換膜燃料電池是一種利用空氣中的氧氣和氫氣在催化劑的作用下進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)的發(fā)電裝置，將燃料中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能［1］。該技術(shù)具有啟動(dòng)響應(yīng)快、能量密度高、轉(zhuǎn)化效率高、零排放無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，因此被視為解決汽車排放達(dá)標(biāo)和降低汽車碳排放的現(xiàn)實(shí)解決方案［2-4］。

空壓機(jī)是燃料電池空氣供應(yīng)系統(tǒng)的核心組件，通過(guò)控制轉(zhuǎn)速，并與尾排節(jié)氣門協(xié)同配合，調(diào)節(jié)進(jìn)入燃料電池堆陰極的空氣流量和壓力，其關(guān)鍵指標(biāo)和工作特性對(duì)燃料電池系統(tǒng)的整體性能和使用壽命產(chǎn)生重要影響。在這一背景下，研究和優(yōu)化空壓機(jī)的性能參數(shù)以及了解其在不同工況下的特性，對(duì)于提升燃料電池系統(tǒng)的效率和可靠性至關(guān)重要。

國(guó)內(nèi)外的學(xué)者們對(duì)空壓機(jī)的工作特性進(jìn)行了廣泛的研究。F. CHEN等［5］研究分析了空壓機(jī)響應(yīng)速度、進(jìn)氣通道容積以及流動(dòng)阻力對(duì)空氣系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性的影響。R. DA FONSECA等［6］采用了一種非線性控制策略，將其應(yīng)用于質(zhì)子交換膜燃料電池的空氣子系統(tǒng)，其目的在于縮短空壓機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間，確保進(jìn)氣流量和壓力能夠迅速響應(yīng)車用負(fù)荷的變化。這一控制策略的設(shè)計(jì)旨在防止由于陰極中氧氣不足而導(dǎo)致燃料電池堆性能下降的情況發(fā)生?？諝庵械挠驼魵鈺?huì)導(dǎo)致燃料電池內(nèi)部反應(yīng)失去活性，引發(fā)催化劑中毒現(xiàn)象，從而導(dǎo)致燃料電池電壓下降，對(duì)燃料電池的性能和壽命產(chǎn)生負(fù)面影響。盡管已有關(guān)于空氣含油量對(duì)燃料電池堆性能影響的相關(guān)研究［7-8］，但在實(shí)際使用中，空壓機(jī)出口氣體油蒸氣含量的控制仍然是一個(gè)待解的問(wèn)題。因此，深入研究空壓機(jī)本體出口氣體的含油量對(duì)燃料電池系統(tǒng)的應(yīng)用具有重要的實(shí)際意義。Y. HOU等［9］提出道路振動(dòng)增強(qiáng)對(duì)燃料電池堆的性能退化有顯著影響。D. HAO等［10］通過(guò)在道路模擬振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)上對(duì)7 kW燃料電池堆進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致電堆氣密性降低。值得注意的是，上述研究主要關(guān)注于燃料電池電堆的振動(dòng)特性，而對(duì)于空壓機(jī)的耐振性能以及振動(dòng)試驗(yàn)方法的研究較為有限。

通過(guò)前述的研究可見，目前對(duì)于車用燃料電池空壓機(jī)的研究主要側(cè)重于設(shè)計(jì)參數(shù)的優(yōu)化以及工作特性對(duì)燃料電池電堆性能的影響［11-12］。針對(duì)空壓機(jī)的測(cè)試技術(shù)，國(guó)內(nèi)外許多科研機(jī)構(gòu)與學(xué)者進(jìn)行了一系列的研究。T/CSAE 187—2021［13］標(biāo)準(zhǔn)以氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)離心式空壓機(jī)為試驗(yàn)對(duì)象，明確了離心式空壓機(jī)工作特性、安全性、噪聲、EMC等關(guān)鍵性能的測(cè)試方法。H. KYOUNG-KU等［14］對(duì)帶有空氣壓軸承的10 kW級(jí)空壓機(jī)進(jìn)行了振動(dòng)、耐久性和熱特性的試驗(yàn)研究，通過(guò)驗(yàn)證無(wú)油軸承系統(tǒng)在離心式壓縮機(jī)中的適用性，為燃料電池系統(tǒng)的應(yīng)用提供了實(shí)質(zhì)性的支持。汪琦［15］設(shè)計(jì)并搭建了燃料電池空壓機(jī)測(cè)試系統(tǒng)，旨在滿足空壓機(jī)產(chǎn)品的測(cè)試需求，該系統(tǒng)提高了數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性并簡(jiǎn)化測(cè)試人員的重復(fù)性操作。張堅(jiān)［16］選取市場(chǎng)上一款主流型號(hào)的車用燃料電池用空壓機(jī)進(jìn)行MAP圖譜和冷卻路流阻測(cè)試，完成了對(duì)空壓機(jī)性能和可靠性的評(píng)價(jià)。劉琦等［17］通過(guò)對(duì)當(dāng)前主流燃料電池空壓機(jī)性能仿真模擬測(cè)試技術(shù)和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)測(cè)試技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行比較分析，旨在推動(dòng)燃料電池空壓機(jī)性能測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化，為該領(lǐng)域的發(fā)展提供了有益參考。上述研究工作反映了行業(yè)內(nèi)對(duì)燃料電池專用空壓機(jī)進(jìn)行大量的投入，也凸顯了對(duì)空壓機(jī)性能指標(biāo)測(cè)評(píng)的重要性?；谶@一背景，本研究聚焦于專為燃料電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)的離心式空壓機(jī)，通過(guò)系統(tǒng)性的試驗(yàn)設(shè)計(jì)，深入研究了該空壓機(jī)的響應(yīng)時(shí)間、出氣含油量以及機(jī)械負(fù)荷特性這三個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，旨在為燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)專用的空壓機(jī)的正向開發(fā)以及關(guān)鍵指標(biāo)特性提供重要的參考和指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)開發(fā)

1.1 空壓機(jī)性能測(cè)試系統(tǒng)

在研究空壓機(jī)響應(yīng)時(shí)間和測(cè)定油蒸氣含量的過(guò)程中，搭建了空壓機(jī)性能測(cè)試平臺(tái)，測(cè)試臺(tái)架基本構(gòu)成如圖1所示。該測(cè)試平臺(tái)主要包括進(jìn)氣系統(tǒng)、電源供給系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)以及控制處理系統(tǒng)。在進(jìn)氣系統(tǒng)中，空氣濾清器被用于有效過(guò)濾大氣中的灰塵顆粒和雜質(zhì)，確保進(jìn)入空壓機(jī)的空氣質(zhì)量良好，空氣流量計(jì)用于監(jiān)測(cè)空壓機(jī)入口的空氣流量，溫度和壓力傳感器分別用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)入口空氣的溫度和壓力。電源供給系統(tǒng)包括高壓和低壓兩個(gè)模塊，其中高壓模塊為空壓機(jī)和冷卻系統(tǒng)提供運(yùn)行所需的電力，而低壓模塊則用于測(cè)試平臺(tái)CAN通信的供電。冷卻系統(tǒng)為雙回路結(jié)構(gòu)，分別為空壓機(jī)和中冷器提供冷卻水以維持散熱效果。排氣系統(tǒng)中，溫度和壓力傳感器用于監(jiān)測(cè)空壓機(jī)出口處的氣體溫度和壓力，中冷器用于將空壓機(jī)出口氣體冷卻至適宜溫度，節(jié)氣門用于調(diào)節(jié)出口氣體的流量和壓力，而含油量測(cè)試儀則用于監(jiān)測(cè)空壓機(jī)出口氣體中的油蒸氣含量?？刂葡到y(tǒng)負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)和控制測(cè)試平臺(tái)各項(xiàng)功能，以及確保試驗(yàn)樣品的正常運(yùn)行。同時(shí)，數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)會(huì)實(shí)時(shí)記錄試驗(yàn)過(guò)程中空壓機(jī)各項(xiàng)運(yùn)行指標(biāo)，為后續(xù)性能分析提供詳實(shí)的數(shù)據(jù)支持。

1.2 空壓機(jī)振動(dòng)沖擊測(cè)試系統(tǒng)

為了深入研究空壓機(jī)的振動(dòng)沖擊耐久性，構(gòu)建空壓機(jī)帶載振動(dòng)沖擊測(cè)試平臺(tái)，其結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。該振動(dòng)沖擊測(cè)試系統(tǒng)由運(yùn)動(dòng)控制儀、功率放大器和振動(dòng)沖擊臺(tái)體3個(gè)主要組成部分構(gòu)成。在系統(tǒng)中，負(fù)載被安裝在振動(dòng)沖擊臺(tái)體上，運(yùn)動(dòng)控制儀向功率放大器發(fā)送驅(qū)動(dòng)信號(hào)。通過(guò)連接的線纜，信號(hào)被傳遞給振動(dòng)沖擊臺(tái)體，經(jīng)功率放大器放大后，振動(dòng)沖擊臺(tái)體開始產(chǎn)生振動(dòng)或沖擊。這一振動(dòng)沖擊過(guò)程由安裝在臺(tái)面上的加速度傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。采集到的加速度信號(hào)被反饋到運(yùn)動(dòng)控制儀，控制儀根據(jù)傳感器的反饋信號(hào)，將輸入信號(hào)與輸出信號(hào)進(jìn)行對(duì)比和計(jì)算。通過(guò)調(diào)整輸出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)振動(dòng)臺(tái)的振動(dòng)或沖擊量級(jí)達(dá)到試驗(yàn)條件所設(shè)定的目標(biāo)值。振動(dòng)沖擊測(cè)試臺(tái)具有靈活的調(diào)節(jié)性能，可以在水平和垂直方向上進(jìn)行調(diào)整。臺(tái)體的轉(zhuǎn)向通過(guò)高壓氣源進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，從而可以提供負(fù)載在X，Y和Z三個(gè)方向上的振動(dòng)沖擊。這樣的設(shè)計(jì)使得振動(dòng)測(cè)試平臺(tái)能夠模擬車載環(huán)境下的實(shí)際振動(dòng)沖擊方向，以更精準(zhǔn)地模擬實(shí)際工作條件。

2 試驗(yàn)研究

2.1 響應(yīng)時(shí)間測(cè)試

氫燃料電池的一個(gè)顯著優(yōu)勢(shì)在于其迅速的啟動(dòng)響應(yīng)?？諌簷C(jī)作為燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的核心部件，需要以較高的轉(zhuǎn)速和適當(dāng)?shù)膲罕冗\(yùn)行，以滿足燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)空氣（氧氣）流量的工作需求。因此，空壓機(jī)的響應(yīng)時(shí)間對(duì)整個(gè)燃料電池系統(tǒng)的運(yùn)行效率至關(guān)重要［18］?？諌簷C(jī)在起降轉(zhuǎn)速時(shí)，調(diào)整節(jié)氣門開度將直接影響進(jìn)氣流量和壓比，從而對(duì)空壓機(jī)的響應(yīng)時(shí)間產(chǎn)生影響。因此，本研究通過(guò)調(diào)整空壓機(jī)的轉(zhuǎn)速研究節(jié)氣門開度變化對(duì)啟動(dòng)響應(yīng)時(shí)間、動(dòng)態(tài)升載和降載時(shí)間的影響規(guī)律。

2.1.1 啟動(dòng)響應(yīng)時(shí)間

啟動(dòng)響應(yīng)時(shí)間是指空壓機(jī)從停機(jī)狀態(tài)加載至怠速工況點(diǎn)對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速所需的時(shí)間。怠速是由制造商規(guī)定的空壓機(jī)在特定轉(zhuǎn)速、流量和壓比下的工況點(diǎn)，該工況點(diǎn)的轉(zhuǎn)速是空壓機(jī)正常運(yùn)行的最低轉(zhuǎn)速?？諌簷C(jī)在怠速工況點(diǎn)時(shí)處于該轉(zhuǎn)速下的高效率工作區(qū)。在進(jìn)行試驗(yàn)之前，為空壓機(jī)和控制器提供冷卻水，設(shè)置冷卻水的流量為6 L/min，溫度15 ℃。在冷卻流量和溫度穩(wěn)定后，通過(guò)上位機(jī)將空壓機(jī)出口節(jié)氣門調(diào)整至所需的開度狀態(tài)，并記錄以下數(shù)據(jù)項(xiàng)：空壓機(jī)進(jìn)出口壓力、進(jìn)口流量、節(jié)氣門開度以及反饋轉(zhuǎn)速，記錄的數(shù)據(jù)間隔為100 ms。

該款空壓機(jī)的最小轉(zhuǎn)速為30 000 r/min。啟動(dòng)命令發(fā)送后，將空壓機(jī)加載至穩(wěn)定怠速。穩(wěn)定工況點(diǎn)運(yùn)行的判定條件為，在設(shè)定時(shí)間內(nèi)，反饋轉(zhuǎn)速維持在設(shè)定值的±2%范圍內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行1 s。這一判定條件用于確?？諌簷C(jī)在穩(wěn)定工況下運(yùn)行。首先，提前將空壓機(jī)拉載至怠速工況，此時(shí)節(jié)氣門開度為25%，保持節(jié)氣門開度不變，將空壓機(jī)停機(jī)，冷卻后加載空壓機(jī)轉(zhuǎn)速至30 000 r/min。為確保啟動(dòng)響應(yīng)時(shí)間的準(zhǔn)確性，進(jìn)行了 3 次獨(dú)立而重復(fù)的操作。將怠速工況點(diǎn)啟動(dòng)響應(yīng)的測(cè)試設(shè)定為啟動(dòng)響應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間。接下來(lái)，依次調(diào)節(jié)節(jié)氣門的開度為96%，30%和15%（接近喘振點(diǎn)），節(jié)氣門開度的選擇基于怠速穩(wěn)定后壓比有明顯變化。通過(guò)以上步驟，分析在不同節(jié)氣門開度下對(duì)空壓機(jī)啟動(dòng)時(shí)間的影響規(guī)律。

2.1.2 動(dòng)態(tài)升載、降載響應(yīng)時(shí)間

動(dòng)態(tài)升載響應(yīng)時(shí)間指的是空壓機(jī)由怠速加載至額定點(diǎn)對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速所需的時(shí)間，而降載時(shí)間則相反。額定工況點(diǎn)由制造商規(guī)定，該點(diǎn)下的流量、轉(zhuǎn)速和效率即為額定工況指標(biāo)。空壓機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為85 000 r/min。試驗(yàn)的準(zhǔn)備步驟與啟動(dòng)響應(yīng)時(shí)間測(cè)試相同，包括冷卻水流量和溫度的穩(wěn)定以及將空壓機(jī)出口節(jié)氣門調(diào)整至所需開度狀態(tài)。接下來(lái)，調(diào)整節(jié)氣門開度分別為96%，50%和30%，在這三個(gè)開度下進(jìn)行升載和降載的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間試驗(yàn)。

2.2 含油量測(cè)試

油蒸氣含量是評(píng)價(jià)燃料電池空壓機(jī)的另一項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)。由于質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）工作環(huán)境的特殊性，對(duì)其提供的陰極高壓氧氣有著嚴(yán)格的清潔要求。通入電堆陰極的空氣中帶有的油蒸氣會(huì)引起催化劑中毒，進(jìn)而影響燃料電池的壽命。因此，供氣子系統(tǒng)中的空氣壓縮機(jī)應(yīng)具備無(wú)油化的特性［19-20］。試驗(yàn)采用兩種氣體介質(zhì)對(duì)該款空壓機(jī)進(jìn)行含油量測(cè)試，采用德國(guó)希爾思（SUTO）S120油蒸氣傳感器進(jìn)行油蒸氣含量測(cè)試，集成到空壓機(jī)性能測(cè)試系統(tǒng)中單向閥后端，通過(guò)取樣管和快速接口連接，將特氟龍軟管連接到 S120 的進(jìn)氣口，在氟龍軟管的另一頭安裝一個(gè)快速接頭，接入待測(cè)量的氣體，通過(guò)測(cè)試系統(tǒng)上位機(jī)控制單向閥的開關(guān)進(jìn)行檢測(cè)。同時(shí)，含油量測(cè)試對(duì)試驗(yàn)環(huán)境和溫度有嚴(yán)格的要求，具體的技術(shù)參數(shù)如表1所示。研究的目的在于分析不同氣體介質(zhì)條件下的油蒸氣含量。

在進(jìn)行試驗(yàn)前，監(jiān)測(cè)室內(nèi)溫濕度，確保符合含油量測(cè)試的條件。設(shè)置冷水機(jī)和中冷器的溫度為15 ℃，流量分別為8 L/min和20 L/min。待冷卻水路穩(wěn)定后，節(jié)氣門開度調(diào)整為80%，提供一定的背壓，這樣做的目的是因?yàn)樵诤土繙y(cè)試中，為了獲取準(zhǔn)確的含油量值，需要讓空壓機(jī)運(yùn)行一段較長(zhǎng)時(shí)間，無(wú)背壓運(yùn)行時(shí)會(huì)導(dǎo)致空壓機(jī)內(nèi)部轉(zhuǎn)子、軸承等無(wú)法建立良好的氣體冷卻而損壞。

在本節(jié)的試驗(yàn)中，將通入不同介質(zhì)的氣體進(jìn)行測(cè)定。首先，直接吸入室內(nèi)空氣，將空壓機(jī)的轉(zhuǎn)速升高至額定轉(zhuǎn)速，逐漸減小節(jié)氣門的開度，直至空氣出口壓力穩(wěn)定在（200±10） kPa。接著，調(diào)整出口的第二支路減壓閥，使通入含油量測(cè)試儀的氣體壓力維持在（109±1） kPa，在這個(gè)工況下穩(wěn)定運(yùn)行2 h。隨后，為了更好地控制氣體的成分，將氣體介質(zhì)切換為純氮?dú)?，并將空壓機(jī)調(diào)整至相同的運(yùn)行工況。通過(guò)減壓閥，將通向含油量測(cè)試儀的氣體壓力調(diào)整至（109±1） kPa，并重復(fù)先前的測(cè)試步驟。

2.3 振動(dòng)沖擊測(cè)試

在實(shí)際行駛過(guò)程中，汽車因路面不規(guī)則而持續(xù)振動(dòng)，其中空壓機(jī)所受到的振動(dòng)激勵(lì)主要來(lái)自路面不平度和電機(jī)等旋轉(zhuǎn)機(jī)械。在旋轉(zhuǎn)機(jī)械中，耐振性是最為關(guān)鍵的工作參數(shù)之一［21］。同時(shí)，汽車實(shí)際運(yùn)行中遇到凹坑、減速帶或者輕微碰撞的沖擊工況會(huì)對(duì)空壓機(jī)的性能造成影響。本研究所選用的離心式空壓機(jī)內(nèi)部采用氣體箔片軸承，由于其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，耐振性沖擊相對(duì)較差。空壓機(jī)產(chǎn)品的可靠性對(duì)燃料電池的性能和安全性都有著重要的影響。因此，空壓機(jī)的耐振動(dòng)沖擊性能是評(píng)價(jià)其質(zhì)量的重要指標(biāo)。

首先進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)測(cè)試，為確定隨機(jī)振動(dòng)的3個(gè)方向，參考空壓機(jī)在車輛上的安裝位置，將空壓機(jī)分別按照豎直Z軸、水平軸向Y軸以及水平徑向X軸的方向安裝在振動(dòng)測(cè)試臺(tái)上進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)測(cè)試。鑒于空壓機(jī)在燃料電池系統(tǒng)中的多種使用工況，需注意空壓機(jī)在非運(yùn)行條件下的轉(zhuǎn)子狀態(tài)，即非運(yùn)行起飛狀態(tài)，轉(zhuǎn)子與氣浮軸承直接接觸，振動(dòng)可能導(dǎo)致碰撞，容易引發(fā)失效。而在運(yùn)行狀態(tài)下，轉(zhuǎn)子雖然處于起飛狀態(tài)，但在振動(dòng)條件下會(huì)發(fā)生偏移，通過(guò)“氣膜”壓縮氣浮軸承，導(dǎo)致軸承磨損。為了考慮這些情況，空壓機(jī)耐振性試驗(yàn)涵蓋非運(yùn)行、怠速和額定狀態(tài)三種工作模式，每種工作模式分別進(jìn)行21 h的隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)。振動(dòng)測(cè)試的頻率和功率譜密度參數(shù)如表2所示。

試驗(yàn)前將空壓機(jī)安裝在振動(dòng)測(cè)試平臺(tái)上，分別在非運(yùn)行、怠速和額定三個(gè)不同工況依次進(jìn)行Z軸、Y軸和X軸方向的隨機(jī)振動(dòng)測(cè)試，方向布置如圖3所示。本測(cè)試采用單點(diǎn)控制傳感器來(lái)控制和調(diào)試驅(qū)動(dòng)信號(hào)，以達(dá)到振動(dòng)量級(jí)的目標(biāo)譜。試驗(yàn)過(guò)程中，實(shí)時(shí)觀察空壓機(jī)的外部結(jié)構(gòu)、傳感器的貼合狀態(tài)以及振動(dòng)頻譜等。這一過(guò)程旨在全面評(píng)估空壓機(jī)在不同工況下的耐振性能，確保其在實(shí)際工作中能夠穩(wěn)定運(yùn)行。

沖擊試驗(yàn)按照GB/T 28046.3—2011的規(guī)定進(jìn)行，模擬空壓機(jī)沖擊加速度方向應(yīng)與車輛發(fā)生沖擊實(shí)際產(chǎn)生的加速度方向相同，如圖4 所示，同隨機(jī)振動(dòng)安裝方向一致，在±X、±Y和±Z這6個(gè)方向上進(jìn)行試驗(yàn)。沖擊脈沖為半正弦波，加速度為500 m/s2，持續(xù)時(shí)間6 ms，每個(gè)方向沖擊10次。沖擊試驗(yàn)結(jié)束后，空壓機(jī)應(yīng)外觀完好，且能夠正常運(yùn)行。

3 結(jié)果分析

3.1 啟動(dòng)響應(yīng)結(jié)果分析

啟動(dòng)時(shí)間響應(yīng)特性曲線如圖5所示。在怠速工況點(diǎn)下，3次怠速工況的啟動(dòng)響應(yīng)無(wú)明顯變化，平均啟動(dòng)響應(yīng)時(shí)間為2.6 s。節(jié)氣門開度為96%，30%和15%三種情況下，空壓機(jī)達(dá)到怠速穩(wěn)定的壓比分別為1.02，1.05，1.10。未選擇半開50%的節(jié)氣門開度的原因是因?yàn)榕c接近全開狀態(tài)相比，壓比相差較小。從接收啟動(dòng)信號(hào)到出現(xiàn)啟始轉(zhuǎn)速延遲的時(shí)間來(lái)看，三種開度下的延遲分別為0.6 s，0.6 s和0.8 s。在出現(xiàn)轉(zhuǎn)速響應(yīng)后，同一時(shí)刻下，節(jié)氣門開度越大，空壓機(jī)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速越高。在每個(gè)開度下，空壓機(jī)在達(dá)到怠速點(diǎn)之前都有一定的轉(zhuǎn)速超調(diào)，但最終趨于穩(wěn)定。節(jié)氣門開度為15%的情況下，啟動(dòng)時(shí)間為2.8 s，是三個(gè)開度中響應(yīng)時(shí)間最長(zhǎng)的，這表明在接近喘振點(diǎn)時(shí)，進(jìn)出口壓差相對(duì)較大，影響了空壓機(jī)的啟動(dòng)時(shí)間。

3.2 動(dòng)態(tài)升載、降載結(jié)果分析

在汽車實(shí)際行駛過(guò)程中，各部件的運(yùn)轉(zhuǎn)工況復(fù)雜多變，因此空壓機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)需要時(shí)刻跟隨燃料電池系統(tǒng)運(yùn)行工況的變化。在空壓機(jī)處于額定轉(zhuǎn)速85 000 r/min的工況下，節(jié)氣門開度分別設(shè)置為96%，50%和30%。相應(yīng)地，監(jiān)測(cè)到的壓比分別為1.45，1.82和2.68。這些壓比點(diǎn)的選擇避開了空壓機(jī)的喘振［22-23］和阻塞區(qū)域，確保了系統(tǒng)處于穩(wěn)定工況。圖6a示出了空壓機(jī)的動(dòng)態(tài)升載特性曲線。隨著節(jié)氣門開度的減小，達(dá)到穩(wěn)定的額定轉(zhuǎn)速所需的時(shí)間分別為2.7 s，2.8 s和3.2 s。在相同的節(jié)氣門開度下，隨著轉(zhuǎn)速的升高，空壓機(jī)進(jìn)出口的壓差呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。同時(shí)，節(jié)氣門開度越小，壓比越大。在不同的節(jié)氣門開度下提高轉(zhuǎn)速，同一時(shí)刻下，節(jié)氣門開度越大，空壓機(jī)轉(zhuǎn)速越高，達(dá)到穩(wěn)定的額定轉(zhuǎn)速所需的時(shí)間越短。這表明不同工況下空壓機(jī)的動(dòng)態(tài)升載特性受到節(jié)氣門開度和轉(zhuǎn)速的影響。

圖6b示出了空壓機(jī)的動(dòng)態(tài)降載特性曲線。將轉(zhuǎn)速?gòu)念~定值降至最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速的過(guò)程中，節(jié)氣門開度為96%和50%時(shí)的降載響應(yīng)時(shí)間分別為1.7 s和1.8 s。值得注意的是，在較大節(jié)氣門開度下，降載時(shí)間相差較小，但在節(jié)氣門開度為30%時(shí)，降載時(shí)間延長(zhǎng)至2.1 s。隨著轉(zhuǎn)速降低，空壓機(jī)進(jìn)出口的壓差逐漸減小，節(jié)氣門開度越小，對(duì)應(yīng)的空壓機(jī)降至穩(wěn)定怠速所需的時(shí)間越長(zhǎng)。

3.3 含油量測(cè)試結(jié)果分析

圖7示出了不同氣體介質(zhì)下對(duì)空壓機(jī)含油量測(cè)試結(jié)果，數(shù)據(jù)均為氣源輸入含油量測(cè)試儀穩(wěn)定2 h后，取5 min的測(cè)試數(shù)據(jù)。試驗(yàn)中室內(nèi)溫濕度分別為（23±2） ℃和（37±2）% RH。首先，在額定工況下，空壓機(jī)直接吸入室內(nèi)大氣。在這個(gè)過(guò)程中，葉輪帶動(dòng)氣體高速旋轉(zhuǎn)，氣體在葉輪中擴(kuò)壓流動(dòng)，導(dǎo)致氣體流速和壓力升高。隨后，通過(guò)中冷器冷卻，氣體進(jìn)入設(shè)備管路，經(jīng)減壓閥減壓后通入測(cè)試儀。在穩(wěn)定后，平均含油量為0.204 mg/m3。隨后，氣體介質(zhì)改為純氮?dú)?，并將空壓機(jī)調(diào)整至相同的運(yùn)行工況。氮?dú)饨?jīng)空壓機(jī)壓縮后，排氣中的油蒸氣含量的穩(wěn)定數(shù)值為0.010 6 mg/m3。綜上所述，不同的大氣條件會(huì)導(dǎo)致含油量測(cè)試結(jié)果存在差異。

3.4 耐振性結(jié)果分析

通過(guò)螺栓將空壓機(jī)、工裝和振動(dòng)臺(tái)固定，試驗(yàn)中觀察到如果三者之間的接觸面積較小或螺栓的長(zhǎng)度不合適，都會(huì)引發(fā)共振現(xiàn)象，這表明在試驗(yàn)設(shè)計(jì)中確保牢固的固定和適當(dāng)?shù)陌惭b是至關(guān)重要的。根據(jù)表2中頻率和功率譜密度值，計(jì)算得到Z軸、Y軸和X軸的加速度均方根值Grms分別為1.435 g，1.229 g和1.229 g。試驗(yàn)過(guò)程中三個(gè)方向的振動(dòng)頻譜如圖8所示。

在低頻率區(qū)域，控制譜的功率譜密度曲線相對(duì)于目標(biāo)譜表現(xiàn)出較大的波動(dòng)幅度；然而，在高頻率區(qū)域，控制譜可以較好地跟隨目標(biāo)譜。在三個(gè)方向上，實(shí)際的加速度均方根值Grms與目標(biāo)值的偏差分別為0.84%，1.6%和1.3%。測(cè)試樣品與夾具之間未觀察到共振現(xiàn)象。在試驗(yàn)過(guò)程中，額定工況點(diǎn)的輸出性能均未出現(xiàn)異常，空壓機(jī)的外觀結(jié)構(gòu)完好，測(cè)試工裝的螺絲未發(fā)現(xiàn)松動(dòng)。每個(gè)工況結(jié)束后，對(duì)樣品進(jìn)行了絕緣性測(cè)試，測(cè)試結(jié)果顯示空壓機(jī)高壓輸入口三相的絕緣電阻均大于4 000 MΩ（見圖9），這說(shuō)明空壓機(jī)的電氣系統(tǒng)在振動(dòng)環(huán)境中能夠保持良好的絕緣性，不會(huì)因?yàn)檎駝?dòng)而導(dǎo)致電氣故障或安全隱患。經(jīng)機(jī)械沖擊試驗(yàn)，空壓機(jī)外觀無(wú)破損，樣品結(jié)構(gòu)完好。最后，對(duì)空壓機(jī)額定工況點(diǎn)的性能進(jìn)行了復(fù)測(cè)，振動(dòng)沖擊試驗(yàn)前后空壓機(jī)在額定工況點(diǎn)的流量、壓比和效率等輸出參數(shù)都保持在正常范圍內(nèi)，這證實(shí)了該款氣浮軸承空壓機(jī)在非運(yùn)行、怠速和額定轉(zhuǎn)速狀態(tài)下具有出色的耐振性能，且振動(dòng)沖擊未對(duì)空壓機(jī)的機(jī)械完整性和輸出性能產(chǎn)生負(fù)面影響。

4 結(jié)論

a） 隨著節(jié)氣門開度的減小，空壓機(jī)的排氣壓力增大，壓比也相應(yīng)增加，需要克服更大的排氣阻力，這導(dǎo)致空壓機(jī)的運(yùn)行響應(yīng)時(shí)間增加；在不同背壓條件下，空壓機(jī)的響應(yīng)時(shí)間受到顯著影響；

b） 在大氣環(huán)境中吸氣，經(jīng)過(guò)空壓機(jī)壓縮后，空壓機(jī)出口檢測(cè)到的油蒸氣含量為0.204 mg/m3，而吸入氮?dú)鈺r(shí)，排氣中的含油量的測(cè)試結(jié)果為0.010 6 mg/m3；因此，對(duì)于空壓機(jī)行業(yè)提出的“無(wú)油指標(biāo)”，應(yīng)當(dāng)考慮測(cè)試所采用的氣體介質(zhì)，若測(cè)試中采用環(huán)境大氣為介質(zhì)，有必要考慮大氣介質(zhì)自身的含油量對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響；

c） 針對(duì)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)用空壓機(jī)，制定了詳細(xì)的隨機(jī)振動(dòng)和沖擊試驗(yàn)方法，通過(guò)模擬振動(dòng)試驗(yàn)中施加的激勵(lì)信號(hào)的加速度，對(duì)空壓機(jī)進(jìn)行了非運(yùn)行、怠速和額定工況隨機(jī)振動(dòng)和機(jī)械沖擊測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果表明，空壓機(jī)的機(jī)械完整性、絕緣電阻性和輸出性能未受到不利影響。

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Analysis and Experiment for Key Indicators of Air Compressor in Fuel Cell Engine

LU Yuhang1，2，MA Minghui2，3，HAO Dong2，3，GUO Zhijun1

（1.College of Vehicle and Transportation Engineering，Henan University of Science and Technology，Luoyang 471003，China;2.CATARC New Energy Vehicle Test Center （Tianjin） Co.，Ltd.，Tianjin 300300，China;3.China Automotive Technology and Research Center Co.，Ltd.，Tianjin 300300，China）

Abstract： As the core component of fuel cell air supply system， the response time， oil vapor content and vibration resistance of air compressor have an important impact on the dynamic load， service life and operation reliability of fuel cell system. A detailed test method was developed for a certain air-bearing centrifugal air compressor to further study the three key performance indicators. The results showed that both the pressure ratio and the exhaust resistance increased with the decrease of throttle opening in terms of response time， resulting in the corresponding increase of the starting response and dynamic load response time of air compressor， which had a great impact on the response time of air compressor under different back pressure conditions. In terms of oil vapor content， a feasible， efficient and convenient test method was proposed and realized. The test showed that there were differences in the testing results of oil content caused by different gas media， so the oil content in the atmospheric medium should be carefully considered when considering the \"oil-free index\" of air compressor. In terms of mechanical load， an effective vibration and shock test method was provided at the effort for the operation reliability and stability of air compressor in fuel cell engine， and random vibration test under non-running， idling and rated working conditions and non-loaded mechanical shock test were conducted by combing with the actual application conditions of air compressor， and comprehensive evaluation of mechanical integrity， insulation resistance and output performance was carried out， and the results showed that the vibration shock test did not adversely affect the performance of air compressor.

Key" words： fuel cell；centrifugal air compressor；performance test

［編輯： 潘麗麗］

基金項(xiàng)目： 國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“燃料電池系統(tǒng)用先進(jìn)空氣壓縮機(jī)技術(shù)研究”（2022YFB4004200）

作者簡(jiǎn)介： 蘆宇航（1998—），男，碩士，研究方向?yàn)槿剂想姵仄嚰瓣P(guān)鍵部件試驗(yàn)技術(shù)；yh1998357@163.com。