燃料电池空气压缩机测试平台研发与设计
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作者:王宇
摘 要：由于大气污染，环境破坏、全球变暖，能源紧缺等原因，能量转换效率高且无污染的燃料电池汽车受到各国政府以及人们的重视，而作为燃料电池系统中最核心的部件之一的空压压缩机成为燃料电池汽车发展的重要研究与使用热点。作为燃料电池系统研发与使用，对燃料电池系统所用的空气压缩机要进行严格的性能测试与分析，确保空气压缩机高效、稳定的运行，保证燃料电池系统的稳定与寿命。针对严格的性能测试与分析要求，需要研发与设计空压机测试平台，以满足空压机各项测试需求，达到能够精确测试、稳定测试以及多工况测试等，本次设计的空压机测试平台，能够对空压机进、出口压力，进、出口温度，空气流量，电机能耗，冷却液压力与温度等进行准确的测试，并且能够试试采集数据，分析空压机实时工况下稳定性，可靠性。并且能够进行自动控制测试，输入测试要求，测试平台即可自行对空压机进行测试。本次设计的空压机测试平台作为模块化设备，可以进行多台并联，同时测试动态空气压缩机，节省时间与人力成本。
关键词：燃料电池空压机 测试平台 自动化 模块化
中图分类号：TM911 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2020）05（a）-0111-03
Abstract： Due to atmospheric pollution， environmental destruction and global warming， energy shortage， high energy conversion efficiency and no pollution of fuel cell car brought to the attention of the governments and people， and as one of the most core components of a fuel cell system of air compressor compressor has become an important research and development of fuel cell vehicles using hot spots.As the development and use of the fuel cell system， the air compressor used in the fuel cell system should be tested and analyzed strictly to ensure the efficient and stable operation of the air compressor and the stability and life of the fuel cell system.Requirement for strict performance test and analysis， it is necessary to research and development and design of air compressor testing platform， to meet the requirement of each test air compressor， to accurately test， stability test and working condition of testing， etc.， the design of air compressor testing platform， can the air compressor inlet and outlet pressure， inlet and outlet temperature， air flow， the energy consumption of the motor， cooling fluid pressure and temperature accurately test， and try to collect data， analyze real-time stability under the condition of air compressor， and reliability.And can carry on the automatic control test， enter the test requirements， the test platform can test the air compressor. The design of the air compressor test platform as a modular equipment， can carry out multiple parallel， while testing dynamic air compressor， saving time and labor costs.
Key Words： Fuel cell; Air compressor test platform; Automation; Modularization
燃料電池汽车是当今汽车工业的发展热点。燃料电池系统中的空压机作为其空气供给的核心部件，需要进行大量的台架实验以获得与整车相匹配的各项性能参数。通过研制一套具有自动控制测试、在线监测、故障诊断、基本性能评价、稳定性评价、动态响应测试、极限性能测试、工况测试、寿命测试等空压机测试装置，解决燃料电池空压机各项性能预先测试的能力，确保空压机满足车用燃料电池系统的使用与要求; 结合各类型空压机（如双螺杆式、罗茨式、离心式、活塞往复式等），通过机械、电气等技术研发研制一套具有自动控制测试、在线监测、故障诊断、基本性能评价、稳定性评价、动态响应测试、极限性能测试、工况测试、寿命测试等空压机测试设备，通过使用测试设备对空压机进行各项性能的全面测试，可以更好的匹配各类型车用燃料电池系统的需要，标定各类空压机的优缺点，建立完善的空压机测试、验证、数据分析、性能综合评价、空压机设计更新的流程;
车用燃料电池系统空压机缺乏全面的测试设备，大部分的测试设备只能测试空压机的基本性能，比如压力、温度、流量等，无法对空压机在燃料电池系统实际使用时的工况下所需参数进行动态测试，并且现有的测试设备不具备空压机测试进、出口湿度参数的测试标定，继而无法对空压机做出全面、准确的判断，影响车用燃料电池系统的运行性能;
现有的设备基本都是以人工手动操作为主，无法做到上位机全自动控制、采集以及预警的功能，导致不仅浪费了大量的人力与时间成本，也对测试精度产生了很大的影响，并且无法做到动态响应测试的目的;
1 空气压缩机测试平台功能设计
燃料电池空压机测试系统主要是针对燃料电池系统中所需要的不同类型以及型号的空压机进行一般性测试、动态性能测试、稳定性测试、可靠性测试等，通过PLC控制与采集以及CAN通讯控制与信号采集等，对空压机进出口压力、温度、流量、湿度等进行实时采集与分析，对空压机冷却系统的水泵、PTC加热器、散热器等进行控制，对冷却子系统进行压力、温度、流量监控。实时模拟车辆工况运行需求，并且能够针对不同空压机能够调控保护限制，做到所有故障实时采集与处理。
空压机测试平台主要分为三个部分，分别为气体测试子系统部分，冷却子系统部分以及待测空压机;空气由空气过滤器进入，通过前端流量计后进入空压机，经过空压机压缩后，高温高压空气由空压机出口排出，排气路中主要有电动球阀进行空压机出口压力的控制，以对空压机进行实际的背压能力测试，由于空压机排气端有高噪音产生，所以要安装消音器缓解降噪。
空压机测试平台冷却系统，用于对空压机本体以及泵头等机械设备进行降温散热，保护空压机能够正常稳定的运行。冷却系统中，冷却水会经过PTC加热器进行加热，从而可以模仿车辆运行时冷却液的温度，经过水泵的作用，能够在空压机与散热器直接形成循环，散热器主要用于冷却液的降温或恒温工作，保持冷却液满足空压机运行要求。
待测空压机，与空压机测试平台分体安装，可以进行不同类型的空压机安装与测试，比如螺杆空压机、罗茨空压机、离心空压机等，按照空压机进出口尺寸进行管路配置与连接。
2 燃料电池空压机测试平台工作原理
2.1 气体测试系统
首先，空气经过空气过滤器进行过滤，过滤精度为100目;然后空气经过气体流量计，达到实时监测空气流量的作用;测试空压机前端装有湿度计与压力、温度传感器，实时监控进入空压机的空气的湿度与压力、温度，便于计算空压机的效率等;然后空气进入空压机，空压机可调节不同转速，对空气进行压缩做功;空压机出口同样有湿度、压力、温度的检测，主要检测空气由空压机做功出来后的实时数据，便于计算空压机的基本性能以及效率;空压机出气路中，设置电动球阀进行背压操作，依据实际需求的工况参数进行背压设定，然后检测空压机进、出口的湿度、压力、温度以及流量的变化，做出实时的空压机性能MAP图;气体最后流经的是消音器，因为空压机出口空气噪音很大，需要进行一定的消音处理，防止对测试人员以及环境造成影响。
2.2 冷却系统
空压机测试需要进行冷却，所以本套测试设备设有冷却循环系统，冷却系统主要是由储水箱加入适量的冷却液，冷却液可以是去离子水，也可以是防冻液等。为了模拟车辆运行时冷却液温度，可通过PTC加热器进行加热，然后由循环水泵将冷却液在空压机冷却腔内进行循环，空压机冷却液出口由散热器对加热的冷却液进行降温，然后回到储水箱后继续对空压机进行冷却;
2.3 电气控制系统
电气控制系统，即空压机测试平台电气控制柜。电控部分主要包括电源供电、模拟量以及数字量等信号采集、功能部件的电气控制等，电源供电主要是对流量计、湿度计、压力传感器、循环水泵的低压电，为24VDC;电源对空压机、PTC加热器的高压电，为330～600VDC;电源对电动球阀的交流电，为220VAC。模拟量信号采集主要是气体路和冷却水路的温度、压力、流量、湿度等。控制信号主要是对电动球閥的控制，达到背压作用;对空压机转速的控制，测试空压机的实际性能;对循环水泵的控制，依据冷却液的需要调整水泵转速，达到控制冷却液流量的作用;对PTC加热器的控制，做到调整冷却液温度的作用;详细的控制框体如图1所示。
电气控制主要以PLC进行控制，通过使用CAN2.0B与上位机进行通讯;所有PLC控制器以及继电器等均设计于电控柜中，这样可以消除对信号漂移的干扰。并且所有电气控制元器件以及各功能部件要通过合理的布线，可以有效抑制通过感应方式产生的干扰。保证动力线缆与信号线缆分开铺设，其他设备的电源线与信号线避免与交流电电缆平行，避免干扰现象发生。
2.4 信号传感系统
信号传感系统是采用传感器加变送器的方式。由于空气压缩机是单独封闭的测试空间，与上位机检测位置较远，为减少传输过程中的信号衰减与干扰，变送器采用4～20mA标准电流信号输出，24VDC直流供电，并配合屏蔽线使用。
空气机测试时，进出口的气体压力、温度、湿度、流量，空压机冷却液进、出口压力、温度、流量，电动球阀的反馈信号，PTC加热器工作反馈信号。
上位机控制分为手动与自动控制，依据实际需要进行选择，手动控制主要是人工实时操作，依据需要的性能指标进行转速控制，依据冷却需要进行冷却流量与温度控制;自动控制则是将已经设计好的程序写入PLC或单片机中，由上位机进行安检操作，设定合理的保护以及报警程序，确保测试的安全进行;测试数据由上位机进行实时记录，测试数据可以由Excel进行打开阅览与分析处理。 3 信号采集与输出
数据采集的过程是通过传感器和变送器将非电量的物理信号转换成电信号送到信号调理电路，通过信号调理电路硬件滤波并将电流信号转换成模拟量采集板卡允许的标准电压信号，然后送入模拟量采集卡，计算机接受采集板卡转换过来的数字信号，经过数字滤波、数字量的线性转换把数字量转变成不同量纲的物理量（比如温度、压力等）。本测试平台系统的模拟量采样采用中断方式告诉采样模式，采集输出过程与A/D转换类似。
为防止干扰对计算机系统的影响，采取有效的抗干扰措施。硬件方面由上文给出，但并不能完全消除干扰。软件方面主要是滤波，采用不同形式的滤波对采样的数据进行有效的采集与保存。本系统采集、控制周期常规为50ms，最快可达10ms。
4 空压机测试平台应用
空压机测试平台通过上位机界面各项功能进行控制，上位机中能够清晰的看到各传感器的数值，以及各功能部件的控制信号反馈，并且空压机所有的故障类型以及名称均可以在上位机直接读取，能够直观观测测试过程中空压机的状态。在上位中，可以点击手动控制按键选择手动测试或自动程序测试，能够快速地进行人机界面的调换。
本次空压机测试平台采用罗茨空压机进行验证验收，测试结果与厂家提供参数基本吻合，空压机测试平台能够满足日常工作中各项测试要求，验证结果如图2所示。
5 结语
（1）本文设计研发的空压机测试平台能够对各类空气压缩机进行一般性测试、动态性能测试、稳定性测试、可靠性测试以及寿命测试等，能够准确对各类空气压缩机进行性能验证，控制策略验证等。
（2）该空压机测试平台能够手动控制程序，自动程序快速切换，通过PC端上位机进行。电气控制中数据采集、控制周期常规在50ms，最快可以达到10ms。能够满足空压机性能测试与分析的要求。
（3）本套空压机测试平台能够有效的提升空压机测试效率以及保证空压机测试自动化程度。本套测试平台可以经过完整复制后，多台进行并联，可同时测试多台空气压缩机，提升工作效率，并且减轻人员的劳动强度。
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