车用燃料电池空压机三高环境工作特性试验研究

吴东来

摘 要：空压机是燃料电池发动机空气供应系统的核心部件之一，其性能好坏直接影响燃料电池系统的效率、动态性能、噪声等关键性能指标。高温、高寒、高原条件影响空压机入口的空气特性，进而影响空压机在“三高”环境条件下的工作特性。通过设计空压机三高环境试验方案并进行试验分析发现：高温条件下，相同转速空压机流量和压比降低，功率相应降低；低温环境下，相同转速空压机的流量和压比增大，功率相应增加；高原条件下，相同转速空压机流量和压比相应减小，功率相应降低。

关键词：燃料电池 空压机 环境适应性 试验研究

1 引言

质子交换膜燃料电池（PEMFC）是一种将氢气和氧气的化学能通过电化学反应直接转换为电能的发电装置，具有比功率高、电效率高、噪音低、启动速度快、可实现低温冷启动等优点[1-2]。空压机是燃料电池发动机空气供应系统的核心部件之一，其输出的流量和压力直接影响燃料电池系统中氧气的浓度和分压，进而影响燃料电池系统的效率、动态性能、噪声等关键性能指标[3]。因此，空压机一般要求满足无油、高压比、低噪声、低功耗、快速响应、频繁启停和体积小等技术性能[4]。离心式空压机具有结构紧凑、尺寸小、封闭性好、质量轻且振动小、在额定工况效率高等优点[5]，逐步成为车用燃料电池空压机主流技术路线。

随着产业的发展和技术的进步，国内燃料电池的研发和生产制造取得了长足的进步，在空压机流量、压比、功率等方面已经接近或超过了国际先进水平，并且逐渐摆脱依赖国外进口的现状[6]。行业内对空压机的需求不仅仅是满足常规工况下的空气流量和压力需求，还需满足燃料电池汽车在不同应用场景下的使用需求，比如在高温、高寒和高原条件下三高适应性需求[7]。车用燃料电池空压机需充分考虑应用场景条件对空压机性能的影响，开展燃料电池发动机用空压机三高环境工作特性研究，对于空压机的推广和应用具有十分重要的意义。

2 试验准备

2.1 试验装置

试验装置主要包括三高环境试验舱及与舱高度融合的空压机测试台。空气流量计量程0-320g/s，精度±1%；入压力传感器量程0-150kPa（绝压），入口温度传感器量程-40-85℃，精度±1℃；出压力传感器量程0-400 kPa（绝压）精度±0.5%，出口温度传感器量程-40-250℃，精度±1℃。空压机三高环境适应性测试如图1所示。

2.2 试验样品

选取行业内典型空压机产品作为试验对象，该款空压机是采用哦空气轴承的离心式两级压缩空压机，适配产品对象为100～120 kW燃料电池发动机。额定工作电压为DC 500 V，额定转速为85000 rpm。

3 试验方案及结果分析

3.1 高温适应性

将空压机安装在环境试验仓测试台架上，并按照产品技术要求加注冷却液；空压机的进气系统布置在环境仓内部从环境仓内部取气，使空压机的进口温度与环境仓温度一致。按照测试需求设定环境舱的温度为45℃，环境仓的实际温度宜控制在设定温度的±2 ℃内。当环境条件达到设定温度后开始计时，有效浸机时间一般不低于12 h，浸机过程中不能有人工干预；浸机结束后设定空压机冷却液温度好和流量；待冷却液温度稳定后，按照设定工况，起动空压机并加载至空压机至测试工况点，试验过程中记录空压机的转速、流量、压比、控制器输入电压、控制器输入电流。

基于上述试验方法，开展空压机高温适应性试验，测试结果如2所示。在高温环境下运行，空气压缩机的工作特性工作特性会往左移动。环境温度增加，空气密度降低，所以空压机叶轮旋转一周所能压缩的空气质量流量相对于常温状态下会相应减小，所以工作特性左移，此时应考虑空压机在高温工作环境下，最大流量是否满足燃料电池发动机的需求。在高温环境下，由于45 ℃的环境温度相对于25 ℃的室温变化程度较低，所以空压机功率变化幅度较低，但是仍然呈现出随着转速、压比、流量的增加，变化趋势增大的现象。

3.2 低温适应性

低温适应性是空压机环境适应性的另一项重要指标。同时在低温条件下能够反映空压机的电机性能及结构和密封的可靠性。

空压机低温适应性的试验方案是，将空压机安装在环境试验仓测试台架上，按照产品技术要求加注冷却液。空压机前端进气系统布置于仓内从仓内取气，尾排连接到仓外；按照测试需求设定环境仓温度，通常为-30 ℃或更低温度。环境仓的温度宜控制在设定温度的±2 ℃内。当环境温度达到设定温度后开始计时，有效浸机时间为12 h，浸机过程中不宜有人工干预、加热保温及外接热源等措施；浸机结束后，设定冷却液温度和流量，待冷却液温度稳定后，按照设定工况，起动空压机并加载至空压机至测试工况点，试验过程中记录空压机的转速、流量、压比、控制器输入电压、控制器输入电流。

基于上述试验方法，进行空压机低温适应性试验，如图3所示。在低温条件下空气密度增加，空压机叶轮旋转一周所能压缩的空气质量流量相对于常温状态下会相应增加。同一转速下空压机的流量增大，压比变化较小，空压机的工作特性向右侧偏移，当燃料电池发动机在低功率运行时更容易达到空压机喘振线空压机更容易发生喘振，因此在进行空压机选型匹配时应预留足够的空气流量。

3.3 高原适应性

空压机高原适应性的试验方案是，将空压机进、出口与环境试验仓进、排气负压模块连接，并在散热系统加注冷却液；基于测试需求设定环境仓进排气负压模块的压力为80 kPa（绝压，相当于高度2000 m）；设定冷却液流量和温度，待冷却液温度稳定后，待冷却液温度稳定后，按照设定工况，起动空压机并加载至空压机至测试工况点，试验过程中记录空压机的转速、流量、压比、控制器输入电压、控制器输入电流。

基于上述试验方法，进行空压机高原适应性试验，实验结果如图4所示。与高温环境类似，在高原条件下空气密度降低，同一转速下，空压机的流量和压比相对较低。高原条件下空压机的工作特性相对左移，若要达到同样的流量和出口压力，空压机的转速和功率需要相对更高。

4 结语

通过试验对比发现，随着温度或者海拔等工作环境的改变，空压机的工作特性会出现相应的改变。高温和高原条件下，空压机的工作特性会进行左移，空压机更不容易发生喘振，但是空压机的流量和压比也相应降低，需要考虑空压机的设计冗余。在低溫条件下，空压机工作特性会整体右移，燃料电池系统下较低功率条件下，空压机更容易发生喘振，需进行针对性的设计进行避免。因此在进行空压机选型时，应充分考虑空压机在不同工况条件下的工作特性变化，以满足燃料电池系统在不同节气、不同维度和不同海拔下的使用需求。

参考文献：

[1]谢鑫，陶思成，刘志平，等.燃料电池汽车关键技术研究现状[J].时代汽车，2019，No.316（13）：63-64.

[2]刘宗巍，史天泽，郝瀚，等.中国燃料电池汽车发展问题研究[J].汽车技术，2018，000（001）：1-9.

[3]郝冬，朱凯，张妍懿，王晓兵，季祥，王仁广.燃料电池电动汽车专用空压机技术简析[J].汽车零部件.

[4]鲍鹏龙，章道彪，许思传，等.燃料电池车用空气空压机发展现状及趋势[J].电源技术，2016，40（8）：4.

[5]程强，刘艳，顾云开，等.燃料电池用离心空压机的设计与试验研究[J].风机技术， 2022，64（3）：8.

[6]周拓，白书战，孙金辉，等.车用燃料电池专用空压机的现状分析[J].压缩机技术， 2021（1）：6.

[7]杨波，王贵勇，宋国富，等.我国汽车环境适应性标定立体试验场研究[J].内燃机工程，2016，37（2）：6.