燃料电池离心式空压机性能衰减特性试验研究

鲍欢欢 ，付建勤 †，张磊 ，吴全 ，刘敬平 ，刘琦

（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）

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.

1.1 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.

表1 空压机技术参数Tab.1 The specifications of air compressor

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.

图1 燃料电池空压机几何结构Fig.1 Geometry structure of fuel cell air compressor

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.

图2 空压机寿命试验工况Fig.2 Life test conditions of air compressor

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：

图3 空压机台架试验原理示意Fig.3 Schematic diagram of air compressor bench test

图4 燃料电池空压机台架试验场景Fig.4 Frame test scenario of fuel cell air compressor

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400～500 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.

2.1 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）与流量随转速的变化关系.其中，磨合前的数据用虚线表示，作为空压机耐久性对比分析的基准，磨合4 000 h 后的数据用实线表示（下同）.由图可知：一方面，随着转速增加，空压机外特性下的出口压力一直单调增加，但是出口流量先增加然后保持不变（当电机转速增加到9 000 r/min）.这是因为当电机转速增加到9 000 r/min 时，空压机出现堵塞，此时进一步增加转速只会导致压力增加而流量保持不变.另一方面，经历 4 000 h 耐久磨合后，空压机外特性下的压力变化很小，但是空气流量出现明显衰减，且转速越高，空气流量衰减越明显.与此同时，图5（b）比较了磨 合4 000 h 前后空压机的出口气温.可以看到，经历 4 000 h耐久磨合后，空压机的出口气温明显上升，在整个外特性下大约上升6～8 ℃.这是因为经过4 000 h耐久后，空压机旋转部件（尤其是轴承）磨损以及空气颗粒物沉积，导致摩擦、气流撞击等不可逆损失增加［13］.整个压缩过程偏离等熵压缩过程，最终导致空压机出口气温上升.由热力学理论可知，偏离等熵压缩过程越远，需要消耗的压缩功越多，从而导致空压机消耗的电源功率增加，如图5（b）所示.

图6 给出了磨合前后空压机全工况下性能曲 线（简称MAP）对比.可以看到，在电机转速为 3 000 r/min 时，空压机磨合前后的出口压力曲线几乎重合.也就是说，经过4 000 h 耐久试验后，在低转速下该空压机的出口压力并未出现明显衰减.但随着转速增加，磨合前后空压机出口压力曲线间隔增大，表明压力衰减越来越明显.图7 更直观地展示了全工况范围空压机磨合4 000 h 后出口压力和空气流量的衰减量.需要说明的是，图7 实际上是由图6在相同工况下（流量或压力）进行差值计算得到的.可以看到，在整个工况范围内，空压机出口压力衰减主要受转速影响，随转速增加而单调增大.在电机达到额定转速11 000 r/min 时，空压机出口压力衰减最大达到6.5 kPa、相对衰减量达到7.5%.原因分析如下：当转速为3 000 r/min 时，空压机出口压力接近于进气压力，空压机几乎处于空载状态［如图5（b）中转速为3 000 r/min 时最大电机功率仍低于0.5 kW］，因此空压机性能退化对低转速空压机特性影响甚微.而在转速11 000 r/min 时空压机出口压力达到最高水平，见图5（a），且随着转速增加，空压机的振动更为强烈，空压机轴承磨损以及空气颗粒物沉积等造成的摩擦、泄露、传热损失等压缩过程不可逆损失也增加，各种因素加剧了出口压力的衰减.空气流量（负荷）对空压机出口压力的衰减影响很小，只有在高转速下（例如10 000 r/min），压力衰减随空气流量变化会出现明显振荡.与压力衰减不同的是，空压机空气流量衰减对转速和出口压力均很敏感，空气流量衰减随转速和出口压力的增加而单调增大，如图7（b）所示.在电机达到额定转速11 000 r/min 时，在相同压力条件下空气流量衰减最大达到41.2 m3/h、相对衰减量达到29.7%.

图5 磨合前后空压机外特性下性能对比Fig.5 Comparison of air compressor performance before and af⁃ter running in（full load）

图6 磨合前后不同转速空压机MAP对比Fig.6 Comparison of air compressor’s MAP under different speeds before and after running in

图7 全工况范围空压机磨合4 000 h性能衰减Fig.7 Performance attenuation of air compressor running in 4 000 hours in whole working condition range

2.2 空压机性能衰减过程分析

接下来进一步讨论空压机性能衰减过程，探索性能衰减随磨合时间的变化规律.如前所述，在整个4 000 h 耐久试验过程中，每磨合一段时间后进行空压机性能测试，并重点考虑额定工况点的性能（本文考虑了额定工况点附近三个转速：10 800 r/min、10 900 r/min、11 000 r/min），据此分析空压机性能的衰减规律及其影响因素.图8（a）-（c）展示了不同磨合时间下空压机出口压力的变化规律.可以看到，随着磨合时间增加，尽管压力曲线随空气流量变化趋势一致，但空压机出口压力呈整体下降趋势.换言之，在相同流量 和转速下（工况固定），随着磨合时间增加，空压机出口压力出现明显衰减，但衰减速度先快后慢.在额定转速附近的三组转速下，空压机转速越高、流量越小，出口压力衰减越明显.在转速11 000 r/min、流量110 m3/h 时，磨合4 000 h 后空压机出口压力衰减约6 kPa，与磨合前状态相比压力衰减6%.而在转速10 800 r/min、流量分别为110 m3/h 和160 m3/h 时，空压机出口压力分别衰减约5 kPa 和 4 kPa（相对衰减量分别为5.4%和4.8%）.由此可见，空压机衰减特性不仅受磨合时间影响，还受运行工况影响.

图8 不同磨合时间下空压机出口压力的变化Fig.8 Air compressor outlet pressure at different seating time

为了量化分析空压机出口压力和流量随磨合时间的衰减特性，对试验数据进行统计分析和数学拟合.图9 展示了几组典型工况下空压机出口压力随磨合时间的衰减特性.可以看到，在不同工况下，空压机出口压力随磨合时间的衰减特性具有相似性：刚开始时压力衰减速度很快，这说明空压机磨合初期更容易出现磨损，导致压力下降较快，但随着磨合时间增加（例如磨合1 000 h 后），空压机出口压力衰减速度变缓，尤其是在大流量工况下出口压力随磨合时间的衰减趋势不明显.然而在小流量工况下，出口压力在磨合3 000 h 后还有一个较为明显的下降趋势，最终导致磨合4 000 h 后出口压力在小流量工况下出现较大衰减，达到6 kPa.这是因为在小流量时，空压机出口压力更高（见图6），因此在经历耐久磨合后由于磨损、泄露、传热损失等因素导致的压力衰减也越大.

图9 空压机出口压力衰减特性Fig.9 Air compressor outlet pressure attenuation characteristics

图10 展示了几组典型工况（额定转速11 000 r/min、不同出口压力）下空压机的气体流量随磨合时间的衰减特性.可以看到，在不同出口压力下，空压机出口流量随磨合时间的衰减规律具有相似性.与压力衰减特性不同的是，空气流量衰减特性曲线几乎呈近似线性下降趋势，但是下降幅度因工况而异.在空压机出口压力分别为85 kPa、90 kPa、95 kPa 时，磨合4 000 h 后空压机出口空气流量衰减分别为28.2 m3/h、37.5 m3/h、42.5 m3/h.也就是说，出口压力越大，空压机的空气流量随磨合时间的衰减越明显.由图8（a）可知，在出口压力为85 kPa时，空压机流量接近最大值（180 m3/h），但此时的空气流量衰减较小（相对衰减百分比更小，只有15.6%）；
而在出口压力为95 kPa 时，尽管此时空压机原MAP 图（磨合前）上的最大流量较小（只有143 m3/h），但是经历耐久试验后流量衰减反而较大（相对衰减百分比更大，达到29.7%）.由此可见，相比压力衰减而言，空压机空气流量衰减对工况更为敏感，这为提高空压机的可靠性、设计空压机耐久性加速试验提供了有意义的参考.

图10 空压机出口流量衰减特性Fig.10 Air compressor outlet flow attenuation characteristics

本文在国内首次提出了一种接近真实道路循环工况的车用燃料电池空压机耐久测试工况和方法，并开展了4 000 h 耐久试验.通过对试验数据进行统计分析，得到燃料电池空压机的性能衰减特性及其影响因素.

1）空压机经历4 000 h 道路循环工况磨合试验后仍可正常运行，但性能出现明显衰减.在额定转速11 000 r/min 时，空压机出口压力衰减最大达到 6.6 kPa、相对衰减量为7.5%；
在相同压力条件下空气流量衰减最大达到41.2 m3/h、相对衰减量为29.7%.

2）空压机转速和压力是空压机性能衰减特性的主要影响因素.在全工况范围内，空压机出口压力衰减主要受转速影响，随转速增加而单调增大，受空气流量的影响较小；
空压机空气流量衰减对转速和压力均很敏感，随转速和压力的增加而单调增大.

3）空压机出口压力随磨合时间的衰减速度先快后慢.在磨合初期，空压机出口压力衰减速度较快，磨合1 000 h 后衰减速度减缓，尤其是在大流量工况下衰减趋势不明显.但在小流量工况下，磨合3 000 h后空压机出口压力还有一个较为明显的下降趋势.

4）与压力衰减特性不同的是，空气流量衰减特性曲线几乎呈近似线性下降趋势，但下降幅度因工况而异.出口压力越大，空压机空气流量随磨合时间的衰减越明显.总体来说，空压机空气流量衰减对工况更为敏感.

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