小型空压机性能测试与分析①

王 凯, 马天才

(同济大学 新能源汽车工程中心，上海 201804)

0 引 言

燃料电池由于能量转换效率高，环境污染小等优点，受到了广泛的研究与应用，在多个领域发挥了重要的作用。燃料电池供气子系统是总系统的一个重要组成部分，因此对作为空气系统的核心部件之一的空压机提出了更高的要求，如体积小、质量轻、效率高、噪声小等[1]。一方面, 为了保证质子交换膜具有良好的工作特性, 要求供气系统共给燃料电池堆的压缩空气绝对干净。另一方面, 为了保证燃料电池具有较好的综合性能, 要求该子系统能够根据燃料电池输出功率的大小及时调整供气量与供气压力。由于燃料电池反应堆和空气压缩机之间能量相互关系，相关研究表明，燃料电池发动机输出功率的20～30%被用于空气压缩机，使其成为了除驱动电机之外最大的耗能单元。燃料电池反应堆系统希望能够以较小的输出电能驱动空气压缩机，同时希望空气提供尽可能多符合压力要求的压缩空气，也就是对空气压缩机的工作效率有较高要求。空气压缩机目前在国内还没有比较全面的性能测试系统，对空压机的性能测试研究缺乏有效的手段，影响了空压机技术的发展。因此，对空压机性能测试的研究具有重要意义[2]。

1 测试系统设计

针对小型风冷式空气压缩机，为了客观反映压缩空气系统的动态变化过程，综合测量了不同空压机转速下气体压力、流量、实际电流、电压等参数。根据测试内容搭建了与空压机性能相关的测试实验平台，测试系统主要由硬件和软件组成，如图1所示，硬件主要包括压力传感器、质量流量控制器、电磁阀、针阀、数据采集卡、计算机等。测试软件系统则采用了LabVIEW图形化语言编程，建立测试平台。实时监控并采集了测试过程中的信号数据、图形显示并分析处理数据[3]。

图1 系统示意图

采用了压力传感器与流量控制器和数据采集卡相结合的方式，可以同时记录多点的压力值，从而确定空压机进出口压差是否合理。此外，采用了Burkert公司的8711质量流量控制器，可以对系统中的流量直接进行测试。流量数据和压力测量数据，可以得出系统压力变化和气体流量之间的关系，为性能分析提供了依据。计算机上与采集卡进行通信，能够进行数据的传输与信号控制[4]。

软件系统主要是基于数据采集系统上来开发的。数据采集系统主要是采集系统中的传感器信号以及执行单元的控制，同时也承担了子系统中控制单元、电子负载的通讯，基于此系统对实时性要求较高，设计的测试系统采用了美国国家仪器有限公司的CRIO 嵌入式系统以及热插拔工业I/O 模块。

采用了LabVIEW 进行软件的设计开发[5]，设计了一款友好的人机交互界面，如图2所示。软件主要有以下几个模块：数据采集模块；数据记录与报告生成模块；运行模式选择模块；工况设定模块； 安全保护模块；故障报警及处理模块；图表与数据处理模块。操作界面的设计综合考虑了能保证用户正确、可靠地使用系统，对用户输入不适当的请求应能给用户提出相应的提示，并阻止用户继续操作，以保证有关程序或数据的安全性等因素。在软件发生错误时，可以在尽量小的范围内发现故障，并进行故障处理。

图2 上位机软件

该软件用户操作方便简单，具有手动测试和自动测试两种模式，在两种模式下，数据均能自动保存并生成报告。除此之外，系统内部设有安全故障系统，包括：1、禁止不合理的参数设置；2、对运行故障进行报警提示或者紧急自动停机处理。测试软件具备良好的容错性，能够避免系统出现不可恢复的错误，造成数据处理的错误，以致整个测控系统出现故障，软件具有看门狗功能，如果出现程序死机等症状会立即复位，避免软件崩溃，从而导致系统无法正常工作，同时智能的故障诊断处理程序能够使系统安全可靠地运行。

2 性能测试与分析

空压机性能测试原理如图3所示，针对小型风冷式空气压缩机，环境温度28℃，在不同的转速下(转速逐渐增加)，逐渐减小针阀开度，调节背压，测得了不同的试验曲线。试验开始时，打开电磁阀，通过上位机软件控制空压机不同的转速，这时通过传感器采集流量和压力信号，通过手动调节针阀开度，调节管路背压，测得不同运行工况下的数据[6]。

图3 测试原理图

如图4所示，为转速为1000、2000、3000、4000转时系统空气流量随空压机转速的变化曲线。调节空压机转速，然后固定进口压力，手动调节系统后端针阀，调节系统背压，可以看出，随着转速的增加，空压机两端的压差逐渐增加，空气流量也逐渐增加。

如图5所示，当转速一定事，进口压力保持不变，随着系统后端压力的逐渐增加，空气的流量也不断的减小，在不同的空压机转速下同样有这样的趋势。此时的空气流量主要与空压机的转速相关，空压机转速越大，空气流量越大。同样的，空压机转速越大，其后端压力越大。

图4 空气流量与转速的关系

图5 固定转速下空气流量与出口压力的关系

3 结 论

主要测试应用于燃料电池的空压机性能，为系统空压机的选型与匹配提供了技术支持，其有效性与可靠性有很好的保证。采用了计算机和LabVIEW上位机软件以及传感器相结合的测试系统，代替了传统的测试仪器，突出体现了测试的效率快、精度高等特点。开始测试后，只需计算机自动控制即可。此外系统中采用了足够精度的传感器，保证了数据的准确性。上位机软件自带数据处理与图形显示功能，能够准确的处理数据。故障处理模块能够监控系统运行，为试验的持续进行提供了有效的保证。通过该测试平台上的变容量运行实验，可以获得空压机改进的重要数据，和改进方向。针对空压机的性能测试，还可以在以下方面作进一步的优化。(1)自动控制系统有待进一步完善。(2)尽可能的减少手动操作，全部采用远程测试。试验证明该测试平台也具有较好的市场价值与应用价值。该空压机能够满足燃料电池系统的需求。

[1] 吴震宇. 车载燃料电池用空气压缩机工作性能研究及能效分析[D]. 浙江大学, 2007.

[2] 秦宏波,胡寿根,黄军辉. 电机空压机系统性能测试与分析[J]. 电机与控制应用, 2010, 37(3):61-65.

[3] 朱祥政,余晓明,邱金友,等. 空压机综合性能试验台的设计与优化[J]. 能源工程, 2014(3):75-78.

[4] 仲石廉. 汽车用空压机主要性能的测试与计算[J]. 汽车技术, 1985(12):18-25.

[5] 张建灿. 燃料电池空压机测试平台及供气系统的控制策略研究[D]. 浙江大学, 2005.

[6] 邢雪,李森. 小型空压机性能的计算机测试与分析[J]. 压缩机技术, 2016(2):44-46.