CN106286259B - 一种ecu控制的车用燃料电池空气压缩机测试系统 - Google Patents

Abstract

一种ECU控制的车用燃料电池空气压缩机测试系统，包括计算机操作系统、ECU电子控制单元、变频器、电机、空气压缩机、传感器组件，ECU电子控制单元连接变频器和计算机操作系统，变频器与电机连接，电机与空气压缩机连接，传感器组件通过总线与ECU电子控制单元连接，用于向ECU电子控制单元反馈测得的数据信号。ECU电子控制单元将传感器组件反馈的参数进行分析，判断参数是否稳定并达到要求，改变电机转速，从而测试不同工况下空压机的性能参数。本发明传感器布置种类全面、布置位置合理，ECU电子控制单元定时分阶段提高电机转速，对空气压缩机选型提供参考价值，智能化程度高，选型针对性强，安全性好，测量参数全面。

Description

一种ECU控制的车用燃料电池空气压缩机测试系统

技术领域

本发明涉及空气压缩机性能检测技术领域，具体涉及一种ECU控制的车用燃料电池空气压缩机测试系统。

背景技术

燃料电池是一种把燃料中的化学能通过电化学反应转化为电能的发电装置，它具有高能效、低排放等特点，近年来得到了各国政府、各大公司以及各研究机构的普遍重视，并在很多领域展示了广阔的应用前景，尤其是在汽车领域取得了巨大发展。空气压缩机作为燃料电池空气供给重要部件，为燃料电池汽车提供足量空气，以满足燃料电池系统的运行要求，其各项参数性能尤为重要。因此空气压缩机需要具备体积小、质量轻、良好的瞬态响应、低振动噪声和能够提供连续且气体压力波动小的空气等优点，所以对空气压缩机的性能测试技术也亟待发展。

近年来，国家大力发展新能源汽车，燃料电池汽车作为其中的一部分也取得了各个关键技术的重大突破，但是对于车用燃料电池空气压缩机各项参数智能的、全面的检测系统还很少，尤其是当确定了燃料电池参数后，要对空气压缩机进行合适的选型，不当的选型会对整个燃料电池系统造成不良影响。目前的测试系统对空气压缩机进出口温度和压力、冷却水进出口温度等不能集中处理并通过图像反映，智能化程度低，测量值不精确，安全性能低，对空气压缩机的振动噪声以及瞬态响应没有一个良好的测试，测量参数不全面，从而不能有效地对空气压缩机性能进行整体评价。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对现有车用燃料电池空气压缩机检测存在的上述不足，提供一种ECU控制的车用燃料电池空气压缩机测试系统，智能化程度高、测量参数全面、实用性高、安全性高，不仅能对其性能进行准确测量，而且能对空气压缩机进行整体评价，同时对车用燃料电池空气压缩机的选型提供参考。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种ECU控制的车用燃料电池空气压缩机测试系统，包括计算机操作系统、ECU电子控制单元、变频器、电机、空气压缩机、传感器组件，传感器组件包括转速传感器、进气口温度传感器、出气口温度传感器、进气口压力传感器、出气口压力传感器、冷却水进口温度传感器、冷却水出口温度传感器、流量传感器和振动传感器，ECU电子控制单元连接变频器和计算机操作系统，变频器与电机连接，电机与空气压缩机连接，传感器组件通过总线与ECU电子控制单元连接，用于向ECU电子控制单元反馈测得的数据信号；

所述的转速传感器安装在空气压缩机主轴处，进气口温度传感器、进气口压力传感器、流量传感器安装在空气压缩机进气口，出气口温度传感器、出气口压力传感器安装在空气压缩机出气口，冷却水进口温度传感器安装在冷却水进口，冷却水出口温度传感器安装在冷却水出口，振动传感器安装在空气压缩机机体外部。

根据上述方案，所述的进气口温度传感器、进气口压力传感器、出气口温度传感器、出气口压力传感器分别在同一部位截面设置两个测试点，同一部位截面的两个测试点水平布置相隔180°；冷却水进口温度传感器和冷却水出口温度传感器在同一部位截面分别设置一个测温点，水平布置。

根据上述方案，测试系统还包括噪声计，所述噪声计设置在距离空气压缩机1-3m处。

根据上述方案，所述的ECU电子控制单元通过数据线与计算机操作系统连接(实现测试系统记录显示功能)，同时ECU电子控制单元接受人工输入的初始值和目标值。

根据上述方案，所述的空气压缩机主机轴与电机转轴直接相连。

根据上述方案，所述的ECU电子控制单元包括以下模块：

存储模块，用于存储数据并通过数据线将生成的图像实时反映在计算机操作系统；

数据运算模块，用于直接得到温度、压力参数，并通过ECU电子控制单元的输入程序运算空气压缩机的空压比、效率、容积流量；

逻辑判断模块，空气压缩机在某一转速工作一定时间后并且测得进气压力、排气压力、容积流量、空压机进口温度、空压机出口温度、冷却水进口温度、冷却水出口温度、转速稳定后，ECU电子控制单元计算出此时空压机比功率、轴功率、效率并将这一时刻所有的数据记录到表格中，此时ECU电子控制单元增大输入电信号，改变电机转速，测试下一工况的进气压力、排气压力、容积流量、空压机进口温度、空压机出口温度、冷却水进口温度、冷却水出口温度、转速，在此期间测试空气压缩机的瞬态响应，ECU电子控制单元测量并监控温度、压力，逻辑判断模块用于比较监控的温度、压力值与设定的临界值或目标值的大小关系，当监控的温度、压力值高于设定的临界值或目标值时，切断电信号输入，并发出警告信号。

根据上述方案，所述空气压缩机设有进水管和出水管，进水管和出水管与冷却管路相连通，冷却管路的水流方向与进气口的气流方向相反。

本发明与现有技术相比有益效果为：

1.智能化程度高，各类传感器通过总线将信号传输给ECU电子控制单元，测试系统工作时，ECU电子控制单元通过将传感器反馈的参数进行分析，判断参数是否稳定并且达到要求，改变输入电信号的大小来改变电机转速，从而测试不同工况下空压机的性能参数，直接得到或通过ECU电子控制单元计算间接得到参数值，这些参数值通过数据线传送到计算机操作系统生成时间函数图像，可以直观的看到每一个工况下各参数的变化，最终可以得到空气压缩机的性能曲线并生成参数表格；

2.选型针对性强，当对空气压缩机进行选型时，针对实际应用，在计算机操作系统终端输入目标容积流量或效率，ECU电子控制单元定时分阶段提高电机转速，使得空气压缩机当前容积流量或效率逼近目标值，对空气压缩机选型提供提供参考价值；

3.安全性好，本发明测试系统与传统测试系统相比，省去了安全元件，当在测试过程中只要温度、压力高于系统设定的临界值或目标值，ECU电子控制单元即切断电信号输入，并发出警告信号；

4.测量参数全面，数据准确性高，本发明的传感器布置种类全面、传感器布置位置合理，测试系统除了可以测试温度、压力、流量，还可以得到空气压缩机的振动噪声数据，还可以测试空气压缩机的瞬态响应，当转速改变后，空气流量不能迅速达到稳定值，从瞬态到稳态需要一定时间，测试系统记录每次改变转速后，流量再次达到稳定所需时间值，测量的参数全面。

附图说明

图1为本发明测试系统的整体结构图；

图2为ECU电子控制单元的工作流程示意图；

图3为空气压缩机瞬态响应图；

图中：1-计算机操作系统，2-ECU电子控制单元，3-变频器，4-电机，5-转速传感器，6-空气压缩机，7-进气口温度传感器，8-进气口压力传感器，9-流量传感器，10-噪声计，11-出气口温度传感器，12-出气口压力传感器，13-冷却水出口温度传感器，14-冷却水进口温度传感器，15-振动传感器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，目的是帮助本领域的技术人员对本发明的构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解，并有助于其实施。

参照图1所示，本发明所述的ECU控制的车用燃料电池空气压缩机测试系统，包括计算机操作系统1、ECU电子控制单元2、变频器3、电机4、空气压缩机6、传感器组件，ECU电子控制单元2连接变频器3和计算机操作系统1，变频器3与电机4连接，电机4输出轴与空气压缩机6主机轴连接，传感器组件通过总线与ECU电子控制单元1连接，用于向ECU电子控制单元1反馈测得的数据信号。

传感器组件包括转速传感器5、进气口温度传感器7、出气口温度传感器11、进气口压力传感器8、出气口压力传感器12、冷却水进口温度传感器14、冷却水出口温度传感器13、流量传感器9、振动传感器15和噪声计10，如图1所示，进气口温度传感器7和出气口温度传感器11分别安装于距空气压缩机6进出口1cm处，分别在同一部位截面设置两个测温点，同一部位截面的两个测温点水平布置相隔180°；冷却管路的水流方向与进气口的气流方向相反，冷却水进口温度传感器14和冷却水出口温度传感器13分别安装于距空气压缩机6冷却水管路进出口1cm处，在同一部位截面分别设置一个测温点，水平布置；进气口压力传感器8和出气口压力传感器12分别安装于距空气压缩机6进出口2cm处，分别在同一部位截面设置两个测压点，同一部位截面的两个测压点水平布置相隔180°；流量传感器9安装于距空气压缩机6进口处3cm处；振动传感器15安装于空气压缩机6机体外部；噪声计10放置在合适位置用于测试空气压缩机噪声。

ECU电子控制单元2包括以下模块：

存储模块，用于存储数据并通过数据线将生成的图像实时反映在计算机操作系统1；

数据运算模块，用于直接得到温度、压力参数，并通过ECU电子控制单元2的输入程序运算空气压缩机6的空压比、效率、容积流量；

逻辑判断模块，空气压缩机6在某一转速工作一定时间后并且测得进气压力、排气压力、容积流量、空压机进口温度、空压机出口温度、冷却水进口温度、冷却水出口温度、转速稳定，此时ECU电子控制单元2增大输入电信号，改变电机4转速，测试下一工况的进气压力、排气压力、容积流量、空压机进口温度、空压机出口温度、冷却水进口温度、冷却水出口温度、转速，在此期间测试空气压缩机6的瞬态响应，ECU电子控制单元2测量并监控温度、压力，逻辑判断模块用于比较监控的温度、压力值与设定的临界值或目标值的大小关系，当监控的温度、压力值高于设定的临界值或目标值时，切断电信号输入，并发出警告信号。

如图2所示的ECU电子控制单元的工作流程示意图，ECU电子控制单元2设置初始转速或目标参数值，根据传感器的反馈信号，ECU电子控制单元2判断是否增大输入变频器3的电信号，从而调整电机4转速。测量若干个工况下的空气压缩机6测试参数，若已达到测试目的或选型目标，电机4转速不再增加，计算机操作系统1生成相应图表。

图3为空气压缩机6转速由500r/min增加到1000r/min再到1500r/min的流量瞬态响应图，t1，t2，t3为转速改变后流量达到稳定所需时间，此时相应转速分别对应相应的流量值Q1，Q2，Q3。

接通电源后ECU电子控制单元2控制电机4转速使得空气压缩机6运转稳定，热机时间持续10min，之后开始测定各参数，在计算机操作系统1中设定每个工况测试时间以及转速增量，每一工况至少测定10min。空气压缩机6在工作一定时间后并且测得各参数满足条件，此时ECU电子控制单元2增大输入电信号，改变电机4转速，测试下一工况的各参数，测试系统可以通过计算机操作系统1实时显示直接测量的数据，如空气压缩机6的相关压力、温度、及转速，同时也可以显示一些间接得到的参数值，ECU电子控制单元2通过处理数据可以计算出空气压缩机6的容积流量、输入功率以及效率，这些参数通过数据线传送到计算机操作系统1生成时间函数图像，可以直观的看到每一个工况下各参数的变化，最终可以得到空气压缩机6的性能曲线并生成参数表格。在测试过程中，当参数值超出预设的上限值时，ECU电子控制单元2切断电信号输入，并发出警告信号。

以下针对空气压缩机参数测试和空气压缩机选型具体举例说明。

空气压缩机参数测试：

测试的步骤为：计算机操作系统1接通电源、变频器3接通电源；ECU电子控制单元2控制电机4转速，电机4带动空气压缩机6在低转速下稳定工作一定时间，此时ECU电子控制单元2收集到传感器组件反馈的数据进行存储分析；随后转速提升，参数发生变化，数据被分析存储；ECU电子控制单元2检测空气压缩机6的性能及效率并将数据进行分析处理得到不同转速下性能曲线；测试结束。

测试具体操作示例：首先在计算机操作系统1中设置临界温度和临界压力，当测试过程中超过某一值，电源将会被断开；计算机操作系统1、变频器3接通电源；在计算机操作系统1中设定电机初始转速500r/min，每一种工况下的测试时间10min，以及转速增量500r/min，ECU电子控制单元2通过控制输入电信号大小控制电机4转速，电机4带动空气压缩机6在低转速(500r/min)稳定工作一定时间，此时ECU电子控制单元2收集到此时各类传感器反馈的数据进行分析并存储；之后每隔10min并且测得参数稳定后对转速提升500r/min，空气压缩机6各参数发生变化，数据被ECU电子控制单元2分析存储；最终各个工况下的参数被记录下来，ECU电子控制单元2通过处理数据得出该空气压缩机6的容积流量、功率以及效率等参数并生成相应图表，测试结束。噪声值则由人工手动记录。将测得的进气压力、排气压力、容积流量、空压机进口温度、空压机出口温度、转速、比功率、轴功率、效率、冷却水进口温度、冷却水出口温度、振动烈度、噪声值记录于表1“数据”栏。

空气压缩机选型：

选型的步骤为：计算机操作系统1接通电源、变频器3接通电源；设置初始转速或目标参数值，ECU电子控制单元2控制电机4转速，电机4带动空气压缩机6在低转速下稳定工作一定时间，根据传感器组件的反馈信号，ECU电子控制单元2判断是否增大输入变频器的电信号，从而调整电机4转速。测量多个工况下的空气压缩机6测试参数，若已达到测试目的或选型目标，电机4转速不再增加，ECU电子控制单元2检测空气压缩机6的性能及效率并将数据进行分析处理得到不同转速(工况)下性能曲线和相应图表；测试结束。

选型具体操作示例：在已知我们实际需要的车用燃料电池空气压缩机相关目标参数，例如要求空气压缩机效率≥70％，空压比≥3，流速≥80g/s；在计算机操作系统1中输入这些目标参数，同时输入临界温度和临界压力，空气压缩机6由低转速开始运行，ECU电子控制单元2通过实时采集数据、分析数据、对比数据来进行测试，当效率、空压比以及流速等参数达到目标值，停止测试。噪声值则由人工手动记录。若未达到测试值便由于温度或压力超过临界值造成测试中断，说明该空气压缩机6型号不符合应用需求。

将进气压力、排气压力、容积流量、空压机进口温度、空压机出口温度、转速、比功率、轴功率、效率、冷却水进口温度、冷却水出口温度、振动烈度、噪声值记录于表1中的“数据”栏，将用于比较的目标参数填入表1的“目标或技术要求”栏，将“数据”栏里的值与“目标或技术要求”栏进行比较，判断是否达到要求，并将结论填入表1的“是否达到”栏。

检测项目

序号	测试内容	数据	目标或技术要求	是否达到
					1	进气压力(MPa)
2	排气压力(MPa)
					3	容积流量(m3/min)
4	空压机进口温度(℃)
					5	空压机出口温度(℃)
6	转速(r/min)
					7	比功率(kW/m3·min)
8	轴功率(kW)
					9	效率η
10	冷却水进口温度(℃)
					11	冷却水出口温度(℃)
12	振动烈度(mm/s)
					13	噪声(dB)

表1

以上对发明的实施例进行了详细描述，需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均应归属于本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种ECU控制的车用燃料电池空气压缩机测试系统，其特征在于：包括计算机操作系统、ECU电子控制单元、变频器、电机、空气压缩机、传感器组件，传感器组件包括转速传感器、进气口温度传感器、出气口温度传感器、进气口压力传感器、出气口压力传感器、冷却水进口温度传感器、冷却水出口温度传感器、流量传感器和振动传感器，ECU电子控制单元连接变频器和计算机操作系统，变频器与电机连接，电机与空气压缩机连接，传感器组件通过总线与ECU电子控制单元连接，用于向ECU电子控制单元反馈测得的数据信号；

所述的转速传感器安装在空气压缩机主轴处，进气口温度传感器、进气口压力传感器、流量传感器安装在空气压缩机进气口，出气口温度传感器、出气口压力传感器安装在空气压缩机出气口，冷却水进口温度传感器安装在冷却水进口，冷却水出口温度传感器安装在冷却水出口，振动传感器安装在空气压缩机机体外部；

所述的ECU电子控制单元包括以下模块：

存储模块，用于存储数据并通过数据线将生成的图像实时反映在计算机操作系统；

数据运算模块，用于直接得到温度、压力参数，并通过ECU电子控制单元的输入程序运算空气压缩机的空压比、效率、容积流量；

逻辑判断模块，空气压缩机在某一转速工作一定时间后并且测得进气压力、排气压力、容积流量、空压机进口温度、空压机出口温度、冷却水进口温度、冷却水出口温度、转速稳定后，ECU电子控制单元计算出此时空压机比功率、轴功率、效率并将这一时刻所有的数据记录到表格中，此时ECU电子控制单元增大输入电信号，改变电机转速，测试下一工况的进气压力、排气压力、容积流量、空压机进口温度、空压机出口温度、冷却水进口温度、冷却水出口温度、转速，在此期间测试空气压缩机的瞬态响应，ECU电子控制单元测量并监控温度、压力，逻辑判断模块用于比较监控的温度、压力值与设定的临界值或目标值的大小关系，当监控的温度、压力值高于设定的临界值或目标值时，切断电信号输入，并发出警告信号。

2.根据权利要求1所述的ECU控制的车用燃料电池空气压缩机测试系统，其特征在于：所述的进气口温度传感器、进气口压力传感器、出气口温度传感器、出气口压力传感器分别在同一部位截面设置两个测试点，同一部位截面的两个测试点水平布置相隔180°；冷却水进口温度传感器和冷却水出口温度传感器在同一部位截面分别设置一个测温点，水平布置。

3.根据权利要求1所述的ECU控制的车用燃料电池空气压缩机测试系统，其特征在于：测试系统还包括噪声计，所述噪声计设置在距离空气压缩机1-3m处。

4.根据权利要求1所述的ECU控制的车用燃料电池空气压缩机测试系统，其特征在于：所述的ECU电子控制单元通过数据线与计算机操作系统连接，同时ECU电子控制单元接受人工输入的初始值和目标值。

5.根据权利要求1所述的ECU控制的车用燃料电池空气压缩机测试系统，其特征在于：所述的空气压缩机主机轴与电机转轴直接相连。

6.根据权利要求1所述的ECU控制的车用燃料电池空气压缩机测试系统，其特征在于：所述空气压缩机设有进水管和出水管，进水管和出水管与冷却管路相连通，冷却管路的水流方向与进气口的气流方向相反。