CN112228330A - 一种燃料电池电动车的空气压缩机测试试验设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃料电池电动车的空气压缩机测试试验设备，包括设置在电动车上的中冷器、设置在空气压缩机上的压气机、电机、膨胀机，以及辅助进气模块、电机冷却模块、空气冷却模块、可切换排气模块和膨胀压缩模块；试验方法包括以下部分：压气机试验；膨胀机试验；综合性能试验；模拟电堆试验。本发明能满足燃料电池空气压缩机性能测试，测试功能多，覆盖范围广，可拓展性强，可用于燃料电池空气压缩机出厂试验和性能标定，应用推广价值大。

Description

一种燃料电池电动车的空气压缩机测试试验设备和方法

技术领域

本发明属于燃料电池电动车技术领域，特别是涉及一种燃料电池电动车的空气压缩机测试试验设备和方法。

背景技术

燃料电池由于高效率、清洁环保、快速启动等优点被认为是下一代移动替代能源的首要选择。在燃料电池电动车系统中，空气压缩机是系统中极其重要的部件，为燃料电池提供阴极反应物质空气中的氧气，被誉为燃料电池的“肺”。

空气压缩机是将电能通过电动机转变成空气动能的装置。目前，随着燃料电池技术的不断发展，燃料电池电动车对空气压缩机性能要求越来越高，同时空气压缩机也影响燃料电池的性能的发挥，二者紧密联系，因此对空气压缩机性能、寿命、环境适应性的检测也越发的重要和迫切。

已公开的针对燃料电池电动车空气压缩机测试设备的研究如下：

参考文献1：CN207229359U，其能够单独针对空气压缩机系统且实时监测空气传输系统的各物理量的变化，并通过检测所得信息优化燃料电池空气压缩机控制系统的控制方式，缩小燃料电池生产过程中检测故障范围。

参考文献2：CN106286259A，其着重点在于，利用ECU电子控制单元，其可以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（16）转速，从而测试不同工况下空压机的性能参数。

参考文献3：CN110553631A，其着重点在于，认识到不同空气流量下，需要采用不同的空气流量计以便提高测量精度。

参考文献4：CN111350652A，其着重点在于，设计出一种燃料电池压缩机测试试验台，能够更全面的检测空压机的性能，包括效率测试、启停特性测试、寿命测试，无论是在检测精度上，还是在检测范围上。

然而上述四篇文献，其主要测试的是燃料电池使用时的参数以及拓展了测试设备的测试范围。但是对于空气压缩机各部件诸如压气机、膨胀机、电机各部分的性能没有进行细致的测试，没有区分测试试验方法的差异，没有模拟出真实燃料电池工况下的测试试验方法。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种燃料电池电动车的空气压缩机测试试验设备，以解决现有技术的测试方法不能真实反映空气压缩机在实际工作状态下的性能测试问题，同时也解决现有技术的测试方法不能完成空气压缩机压气机、膨胀机的验证测试要求的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种燃料电池电动车的空气压缩机测试试验设备，包括设置在电动车上的中冷器、设置在空气压缩机上的压气机、电机、膨胀机，以及辅助进气模块、电机冷却模块、空气冷却模块、可切换排气模块和膨胀压缩模块；所述的辅助进气模块由空气过滤器、空气加热器、第一空气流量计顺序连接组成，第一空气流量计与压气机连接，用于辅助空气进入；所述的电机冷却模块由第一冷凝器、第一膨胀水箱、第一过滤器、第一变频水泵和第一水流量计顺序连接组成，第一冷凝器和第一水流量计分别与电机连接，用于对电机进行液体冷却；所述的空气冷却模块由第二冷凝器、第二膨胀水箱、第二过滤器、第二变频水泵、第二水流量计顺序连接组成，第二冷凝器和第二水流量计分别与中冷器连接，用于对被空气压缩机处理后的空气进行冷却；所述的可切换排气模块包括分别与压气机和中冷器连接的第一换向电磁阀以及与第一换向电磁阀连接的第一混合阀，第一混合阀通过消音器连接排空口，还包括与中冷器连接的流阻模拟器和连接流阻模拟器的第二换向电磁阀，第二换向电磁阀引出一个流道依次连接第二空气流量计、球阀、背压阀、第二混合阀后与第一混合阀连接，第二换向电磁阀引出的另一个流道依次连接第三换向电磁阀、球阀、第三混合阀后与第二混合阀连接，以完成不同测试试验功能要求的相互切换；所述的膨胀压缩模块由第四混合阀、球阀、第四换向电磁阀和第三空气流量计顺序连接组成，第三空气流量计与膨胀机连接，辅助完成经空气压缩机压缩之后的空气进入膨胀机，所述的膨胀机还通过球阀与第四混合阀连接。

其中，所述的空气加热器两端还并联有旁路电磁阀，空气过滤器和空气加热器之间以及空气加热器和第一空气流量计之间依次设置有温度传感器和压力传感器。

其中，所述的第一水流量计与电机之间依次连接手动阀、压力计和温度表，第一冷凝器与电机之间依次连接压力计和温度表，第一过滤器两端分别连接手动阀。

其中，所述的第二水流量计与中冷器之间依次连接手动阀、压力计和温度表，中冷器与第二冷凝器之间依次连接压力计和温度表，第二过滤器两端分别连接手动阀。

其中，所述的压气机和第一换向电磁阀之间以及中冷器和流阻模拟器之间依次设置有温度传感器和压力传感器。

其中，所述的膨胀机与第三空气流量计和球阀之间还分别设置有温度传感器和压力传感器。

本发明的目的之二在于提供一种燃料电池电动车的空气压缩机测试试验方法，可进行下列实验：

一），将测试试验设备空气压缩机调整为直接排放模式，通过可切换排气模块直接对压气机性能进行测试，标定压气机的流量、压力、功率、效率等指标，完成压气机试验。

二），将测试试验设备空气压缩机调整为经中冷器、流阻模拟器、膨胀机的排放模式，通过可切换排气模块直接标定膨胀机的流量、压力、功率、效率等指标，完成膨胀机试验。

三），通过可切换排气模块将测试试验设备空气压缩机调整为经过或不经过中冷器和流阻模拟器、以及经过或不经过膨胀机等多种复杂工艺条件下的综合排放模式，对压气机、电机和膨胀机性能进行综合测试，标定空气压缩机在指定工艺条件下的流量、压力、功率、效率等指标，完成综合性能试验。

四），通过可切换排气模块将测试试验设备空气压缩机调整为经中冷器、流阻模拟器、空气流量计、背压阀的模拟电堆排放模式，直接对模拟电堆工况条件下的空气压缩机性能进行测试，标定模拟电堆工况条件下的空气压缩机的流量、压力、功率、效率等指标，完成燃料电池模拟电堆试验试验。

本发明的有益效果是：

本发明试验设备简单，试验方法拓展性强，能够很好的检测空气压缩机的综合性能，同时也能针对空气压缩机的压气机和膨胀机进行独立的试验和检测，起到空气压缩机研制验证要求；另外，本发明考虑到了空气压缩机的效率测试、启停特性测试、寿命测试、环境适应性测试，同时也考虑到空气压缩机最终使用工作状态，包括流量、压损、冷却、加热等各种现实条件，提出了模拟燃料电池运行状态的性能测试设备和方法。

附图说明

图1是本发明专利测试设备的结构示意图；

图2是本发明辅助进气模块的结构示意图；

图3是本发明电机冷却模块的结构示意图；

图4是本发明空气冷却模块的结构示意图；

图5是本发明可切换排气模块的结构示意图；

图6是本发明膨胀压缩模块的结构示意图。

图中标记说明：1—辅助进气模块，11—空气过滤器，12—空气加热器，13—旁路电磁阀，14—第一空气流量计，15—压气机，16—电机，2—电机冷却模块，21—第一膨胀水箱，22—手动阀，23—第一过滤器，24—第一变频水泵，25—第一水流量计，26—压力计，27—温度表，28—第一冷凝器，3—空气冷却模块，31—第二膨胀水箱，33—第二过滤器，34—第二变频水泵，35—第二水流量计，36—第二冷凝器，37—中冷器，4—可切换排气模块，40—流阻模拟器，41—第一换向电磁阀，42—第一混合阀，43—第二换向电磁阀，44—第二混合阀，45—第三换向电磁阀，46—第三混合阀，47—第二空气流量计，48—球阀，49—背压阀，5—膨胀压缩模块，50—膨胀机，51—第四换向电磁阀，52—第三空气流量计，53—第四混合阀，6—消音器。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明中，如果没有特别的说明，本文所提到的所有技术特征以及优选特征可以相互组合形成新的技术方案。

本发明中，除非另有说明，各个反应或操作步骤可以顺序进行，也可以不按照顺序进行。优选地，本文中的反应方法是顺序进行的。

除非另有说明，本文中所用的专业与科学术语与本领域熟练人员所熟悉的意义相同。此外，任何与所记载内容相似或均等的方法或材料也可应用于本发明中。

本发明的核心在于本发明的发明人发现，现有的测试设备和测试方法仅虽然能够很好的检测空气压缩机的综合性能，但是没有针对空气压缩机的压气机和膨胀机进行独立的试验和检测，起不到空气压缩机研制验证要求；同时，现有测试设备和测试方法，考虑到了空气压缩机的效率测试、启停特性测试、寿命测试，但是没有考虑到空气压缩机最终使用工作状态，包括流量、压损、冷却、加热等各种现实条件，并没有模拟燃料电池运行状态的性能测试设备和方法。

实施例1

本实施例是一种燃料电池电动车的空气压缩机测试试验设备，如图1所示，包括设置在电动车上的中冷器37、设置在空气压缩机上的压气机15、电机16、膨胀机50，以及辅助进气模块1、电机冷却模块2、空气冷却模块3、可切换排气模块4和膨胀压缩模块5。通过辅助进气模块1、电机冷却模块2和可切换排气模块4，配合压气机15试验方法，可以完成空气压缩机压气机15详细的独立的性能试验。

如图2所示，所述的辅助进气模块1由空气过滤器11、空气加热器12、第一空气流量计14顺序连接组成，第一空气流量计14与压气机15连接，用于辅助空气进入。

所述的空气加热器12两端还并联有旁路电磁阀13，空气过滤器11和空气加热器12之间以及空气加热器12和第一空气流量计14之间依次设置有温度传感器和压力传感器。辅助进气模块1的目的是实现大气环境中的空气被吸入压气机15，以提高空气压力。

如图3所示，所述的电机冷却模块2由第一冷凝器28、第一膨胀水箱21、第一过滤器23、第一变频水泵24和第一水流量计25顺序连接组成，第一冷凝器28和第一水流量计25分别与电机16连接，用于对电机16进行液体冷却。

所述的第一水流量计25与电机16之间依次连接手动阀22、压力计26和温度表27，第一冷凝器28与电机16之间依次连接压力计26和温度表27，第一过滤器23两端分别连接手动阀22。电机冷却模块2的目的是对空气压缩机的电机16进行冷却，防止过热。

如图4所示，所述的空气冷却模块3由第二冷凝器36、第二膨胀水箱31、第二过滤器33、第二变频水泵34、第二水流量计35顺序连接组成，第二冷凝器36和第二水流量计35分别与中冷器37连接，用于对被空气压缩机处理后的空气进行冷却。

所述的第二水流量计35与中冷器37之间依次连接手动阀22、压力计26和温度表27，中冷器37与第二冷凝器36之间依次连接压力计26和温度表27，第二过滤器33两端分别连接手动阀22。空气冷却模块3的目的是对被空气压缩机处理后的空气进行冷却。

如图5所示，所述的可切换排气模块4包括分别与压气机15和中冷器37连接的第一换向电磁阀41以及与第一换向电磁阀41连接的第一混合阀42，第一混合阀42通过消音器6连接排空口，还包括与中冷器37连接的流阻模拟器40和连接流阻模拟器40的第二换向电磁阀43，第二换向电磁阀43引出一个流道依次连接第二空气流量计47、球阀48、背压阀49、第二混合阀44后与第一混合阀42连接，第二换向电磁阀43引出的另一个流道依次连接第三换向电磁阀45、球阀48、第三混合阀46后与第二混合阀44连接，以完成不同测试试验功能要求的相互切换。

所述的压气机15和第一换向电磁阀41之间以及中冷器37和流阻模拟器40之间依次设置有温度传感器和压力传感器。可切换排气模块4的目的是使从压气机15处理的空气经过温度传感器、压力传感器和消音器6之后，直接排出测试系统。其中从压气机15处理的空气经过温度传感器、压力传感器，进入消音器6之前，会经过流阻模拟器40、第二空气流量计47和背压阀49，再排出测试系统，模拟真实燃料电池运行状态。

如图6所示，所述的膨胀压缩模块5由第四混合阀53、球阀48、第四换向电磁阀51和第三空气流量计52顺序连接组成，第三空气流量计52与膨胀机50连接，辅助完成经空气压缩机压缩之后的空气进入膨胀机50，所述的膨胀机50还通过球阀48与第四混合阀53连接。

所述的膨胀机50与第三空气流量计52和球阀48之间还分别设置有温度传感器和压力传感器。膨胀压缩模块5的目的是辅助完成经空气压缩机压缩之后的空气进入空气压缩机的膨胀机50，提高空气压缩机电机16的工作效率。

实施例2

本发明的一种燃料电池电动车的空气压缩机测试试验方法，可进行下列实验。

一），将测试试验设备空气压缩机调整为直接排放模式，通过可切换排气模块4直接对压气机15性能进行测试，标定压气机15的流量、压力、功率、效率等指标，完成压气机15详细的独立的性能试验。

二），将测试试验设备空气压缩机调整为经中冷器37、流阻模拟器40、膨胀机50的排放模式，通过可切换排气模块4直接标定膨胀机50的流量、压力、功率、效率等指标，完成膨胀机50详细的独立的性能试验。

三），通过可切换排气模块4将测试试验设备空气压缩机调整为经过或不经过中冷器37和流阻模拟器40、以及经过或不经过膨胀机50等多种复杂工艺条件下同时存在的综合排放模式，对压气机15、电机16和膨胀机50性能进行综合测试，标定空气压缩机的流量、压力、功率、效率等指标，完成综合性能试验。

四），通过可切换排气模块4将测试试验设备空气压缩机调整为经中冷器37、流阻模拟器40、空气流量计14、背压阀49的模拟电堆排放模式，直接对模拟电堆工况条件下的空气压缩机性能进行测试，标定模拟电堆工况条件下的空气压缩机流量、压力、功率、效率等指标，完成燃料电池模拟电堆试验试验。

最后，使用模拟电堆试验方法，由可切换排气模块4调整测试试验设备为经中冷器37、流阻模拟器40、空气流量计14、背压阀49的模拟电堆排放模式，直接对模拟电堆工况条件下的空气压缩机性能进行测试，标定模拟电堆工况条件下的空气压缩机流量、压力、功率、效率等指标，完成模拟燃料电池真实条件状态下的空气压缩机的性能试验，指导燃料电池发动机系统的研制。

本发明方法通过辅助进气模块1、电机冷却模块2和可切换排气模块4，配合压气机试验方法，可以完成压气机详细的独立性能试验。

本发明方法通过辅助进气模块1、电机冷却模块2、空气冷却模块3、可切换排气模块4和膨胀压缩模块5，配合膨胀机试验方法，可以完成膨胀机详细的独立性能试验。

本发明方法通过辅助进气模块1、电机冷却模块2、空气冷却模块3、可切换排气模块4和膨胀压缩模块5，配合综合性能试验方法，可以完成空气压缩机的性能试验、寿命试验和环境适应性试验。

本发明方法通过辅助进气模块1、电机冷却模块2、空气冷却模块3、可切换排气模块4和膨胀压缩模块5，配合模拟电堆试验方法，可以完成模拟燃料电池真实条件状态下的空气压缩机的性能试验，得到流量、压力、功率、效率等指标参数模型，指导燃料电池发动机系统的研制。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，以及部分运用的实施例，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种燃料电池电动车的空气压缩机测试试验设备，其特征在于：包括中冷器（37）、设置在空气压缩机上的压气机（15）、电机（16）、膨胀机（50），以及辅助进气模块（1）、电机冷却模块（2）、空气冷却模块（3）、可切换排气模块（4）和膨胀压缩模块（5）；

所述的辅助进气模块（1）由空气过滤器（11）、空气加热器（12）、第一空气流量计（14）顺序连接组成，第一空气流量计（14）与压气机（15）连接，用于辅助空气进入；

所述的电机冷却模块（2）由第一冷凝器（28）、第一膨胀水箱（21）、第一过滤器（23）、第一变频水泵（24）和第一水流量计（25）顺序连接组成，第一冷凝器（28）和第一水流量计（25）分别与电机（16）连接，用于对电机（16）进行液体冷却；

所述的空气冷却模块（3）由第二冷凝器（36）、第二膨胀水箱（31）、第二过滤器（33）、第二变频水泵（34）、第二水流量计（35）顺序连接组成，第二冷凝器（36）和第二水流量计（35）分别与中冷器（37）连接，用于对被空气压缩机处理后的空气进行冷却；

所述的可切换排气模块（4）包括分别与压气机（15）和中冷器（37）连接的第一换向电磁阀（41）以及与第一换向电磁阀（41）连接的第一混合阀（42），第一混合阀（42）通过消音器（6）连接排空口，还包括与中冷器（37）连接的流阻模拟器（40）和连接流阻模拟器（40）的第二换向电磁阀（43），第二换向电磁阀（43）引出一个流道依次连接第二空气流量计（47）、球阀（48）、背压阀（49）、第二混合阀（44）后与第一混合阀（42）连接，第二换向电磁阀（43）引出的另一个流道依次连接第三换向电磁阀（45）、球阀（48）、第三混合阀（46）后与第二混合阀（44）连接，以完成不同测试试验功能要求的相互切换；

所述的膨胀压缩模块（5）由第四混合阀（53）、球阀（48）、第四换向电磁阀（51）和第三空气流量计（52）顺序连接组成，第三空气流量计（52）与膨胀机（50）连接，辅助完成压缩之后的空气进入，所述的膨胀机（50）还通过球阀（48）与第四混合阀（53）连接。

2.根据权利要求1所述的一种燃料电池电动车的空气压缩机测试试验设备，其特征在于，所述的空气加热器（12）两端还并联有旁路电磁阀（13），空气过滤器（11）和空气加热器（12）之间以及空气加热器（12）和第一空气流量计（14）之间依次设置有温度传感器和压力传感器。

3.根据权利要求1所述的一种燃料电池电动车的空气压缩机测试试验设备，其特征在于，所述的第一水流量计（25）与电机（16）之间依次连接手动阀（22）、压力计（26）和温度表（27），第一冷凝器（28）与电机（16）之间依次连接压力计（26）和温度表（27），第一过滤器（23）两端分别连接手动阀（22）。

4.根据权利要求1所述的一种燃料电池电动车的空气压缩机测试试验设备，其特征在于，所述的第二水流量计（35）与中冷器（37）之间依次连接手动阀（22）、压力计（26）和温度表（27），中冷器（37）与第二冷凝器（36）之间依次连接压力计（26）和温度表（27），第二过滤器（33）两端分别连接手动阀（22）。

5.根据权利要求1所述的一种燃料电池电动车的空气压缩机测试试验设备，其特征在于，所述的压气机（15）和第一换向电磁阀（41）之间以及中冷器（37）和流阻模拟器（40）之间依次设置有温度传感器和压力传感器。

6.根据权利要求1所述的一种燃料电池电动车的空气压缩机测试试验设备，其特征在于，所述的膨胀机（50）与第三空气流量计（52）和球阀（48）之间还分别设置有温度传感器和压力传感器。

7.一种如权利要求1所述测试设备的实验方法，其特征在于，将空气压缩机调整为直接排放模式，通过可切换排气模块（4）直接对压气机（15）性能进行测试，标定压气机（15）的流量、压力、功率、效率，完成压气机试验。

8.一种如权利要求1所述测试设备的实验方法，其特征在于，将空气压缩机调整为经中冷器（37）、流阻模拟器（40）、膨胀机（50）的排放模式，通过可切换排气模块（4）直接标定膨胀机（50）的流量、压力、功率、效率，完成膨胀机试验。

9.一种如权利要求1所述测试设备的实验方法，其特征在于，通过可切换排气模块（4）将空气压缩机调整为经过或不经过中冷器（37）和流阻模拟器（40）、以及经过或不经过膨胀机（50）的综合排放模式，对压气机（15）、电机（16）和膨胀机（50）性能进行综合测试，标定空气压缩机在指定工艺条件下的流量、压力、功率、效率，完成综合性能试验。

10.一种如权利要求1所述测试设备的实验方法，其特征在于，通过可切换排气模块（4）将空气压缩机调整为经中冷器（37）、流阻模拟器（40）、空气流量计（14）、背压阀（49）的模拟电堆排放模式，直接对模拟电堆工况条件下的空气压缩机性能进行测试，标定模拟电堆工况条件下的空气压缩机流量、压力、功率、效率，完成燃料电池模拟电堆试验试验。

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