CN113153728A - 一种燃料电池空压机气封泄漏量的测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种燃料电池空压机气封泄漏量的测试方法，将空压机转速从怠速转速到峰值转速等间距分成4~10个元素的速度向量N，将空压机流量等间距分成10~20个元素的流量向量Q；将空压机运行于指定转速V1，使空压机入口流量为Q1，测得空压机进堆等效流量、空压机出气压力、1级和2级增压端泄漏量以及总综合泄漏量；重复上述测量步骤，依次调整主出气机构的电子阀门，使空压机入口流量分别为Q2、Q3…QMAX，得到数据向量；重复上述测量步骤，依次调整电机转速为V2、V3…VMAX，得到数据矩阵；对上述数据进行处理，得到关于等效进堆流量和空压机出气压力的1级和2级气封泄漏量以及综合气封泄漏量MAP图。

Description

一种燃料电池空压机气封泄漏量的测试方法

技术领域

本发明涉及燃料电池空压机测试的技术领域，具体地说是一种燃料电池空压机气封泄漏量的测试方法。

背景技术

随着能源的逐渐匮乏和人们环保意识的提高，新能源汽车技术越来越受到重视，氢燃料电池电动汽车凭借其零污染、高能效、续航里程长、加氢燃料时间短等优势，被认为是新能源汽车发展的重要方向之一，而燃料电池系统则为其中最为核心的部分。

氢燃料电池专用空压机作为燃料电池系统的核心部件，空压机作为供气子系统中重要的部件，其主要作用是将大气中的空气加压至燃料电池系统最佳的工作压力，并根据实际工况需求提供所需的空气质量流量。而合适的供气流量和压力可以大幅提高燃料电池的功率密度和效率，大幅减小燃料电池系统的尺寸和成本，并改善水平衡；空压机气封结构可以有效降空压机内部的气体泄漏量，其密封效果极大的影响了空压机的气动性能、效率以及电机的温升，因此如何有效设计气封结构、准确测量气封泄露量并评判气封效果对电机温升的影响成为业内一个重要的研究热点。

但由于空压机出气温度高达150～200℃，目前行业内的高精度质量流量计无法长时间运行于此温度下，所以很难有效并准确的测出空压机实际出气流量，所以无法得出准确的空压机系统的气动特性，因而无法有效测得空压机系统的整体密封结构的泄漏量。

因此，如果精确测试得出燃料电池空压机的气封泄漏量，是目前本领域急需要解决的一个技术难题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种改进的燃料电池空压机气封泄漏量的测试方法，本发明通过特定的公式和测试方法的组合，可以准确获得空压机系统的整体密封结构的泄漏量，进而整体评估两端气封结构以及整体的密封效果，并对后续迭代产品的密封设计起指导性作用。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：一种燃料电池空压机气封泄漏量的测试方法，其特征在于：采用测试系统进行测试，测试方法包括如下步骤： a、将空压机转速从怠速转速到峰值转速等间距分成4ˉ10个元素的速度向量N： V1、V2、V3…VMAX；从怠速喘振线下边界流量到峰值转速堵塞线上边界流量，将空压机入口流量等间距分成10ˉ20个元素的流量向量Q：Q1、Q2、Q3… QMAX；b、将空压机运行于指定转速V1，调整测试系统中主出气机构的电子阀门的阀门开度，使空压机入口流量为Q1，然后测得该工况下的空压机进堆等效流量Qsys1-1、空压机出气压力Pout1-1、1级增压端泄漏量Qleak1-1-1、2级增压端泄漏量Qleak2-1-1以及总综合泄漏量Qleakall1-1，若此工况空压机发生喘振，则测量下一个流量点工况；c、重复上述测量步骤，依次调整主出气机构的电子阀门的阀门开度，使空压机入口流量分别为Q2、Q3…QMAX，得到数据向量：空压机进堆等效流量Qsys1-2、Qsys1-3…Qsys1-MAX；空压机出气压力Pout1-2、Pout1-3…Pout1-MAX；1级增压端泄漏量Qleak1-1-2、Qleak1-1-3…Qleak1-1-MAX；2级增压端泄漏量Qleak2-1-2、Qleak2-1-3… Qleak2-1-MAX以及总综合泄漏量Qleakall1-2、Qleakall1-3…Qleakall1-MAX，若电子阀门开度调至最大，空压机入口流量也达不到QMAX，则直接测量下一转速段工况；d、重复上述测量步骤，依次调整电机转速为V2、V3…VMAX，得到数据矩阵Qsys、Pout、Qleak1、Qleak2、Qleakall；e、对上述数据进行处理，得到关于等效进堆流量Qsys、空压机出气压力Pout的1级气封泄漏量Map1、 2级气封泄漏量Map2以及综合气封泄漏量Map综合。

优选的，测试系统通过主出气机构的第三压力传感器(301)，测出空压机的出气压力Pout，再通过P*airin＝Pout–Plink公式计算出经过中冷后的等效进气压力目标值P*airin，并将其作为冷却气箱(401)的输入冷却气目标压力值；其中Plink为中冷设备的等效压降，可根据实时计算的空压机出口流量，从中冷设备的流量-气阻曲线中插值得到。

更进一步，测试系统通过第一流量计(104)、第二流量计(202)、冷却进气流量计(402)和冷却出气流量计(405)分别测得主气路进气流量Qin、主气路中间管流量Qmid、冷却气路进气流量Qairin、冷却气路出气流量Qairout；测试系统可通过第一温度传感器(106)、第三温度传感器(302)、冷却进气温度传感器(404)和冷却出气温度传感器(407)分别测得主气路中间管温度Tmid、主气路出气温度Tout、冷却气路进气温度Tairin；

测试系统可根据如下公式计算得到：

空压机出气流量Qout＝Qin+Qairin-Qairout；

空压机进堆等效流量Qsys＝Qin–Qairout；

1级增压端泄漏量Qleak1＝Qin–Qmid；

2级增压端泄漏量Qleak2＝Qmid-Qout；

总综合泄漏量Qleakall＝Qleak1+Qleak2＝Qairout–Qairin；

有效冷却气流量Qcooling＝Qairin+Qleak2；

有效冷却气温度Tcooling＝(Qairin*Tairin+Qleak2*Tout)/

(Qairin+Qleak2)；

相对于现有技术，本发明的技术方案除了整体技术方案的改进，还包括很多细节方面的改进，具体而言，具有以下有益效果：

1、本发明所述的改进方案，可准确测出空压机出口实际流量以及经过中冷分流后的进堆流量，进而准确得到空压机系统的气动特性，检测方法准确高效，误差极小；

2、本发明的技术方案的中，对指定工况，采用特定公式和测试方法的组合，可分别准确测出1级增压端气封结构、2级增压端气封结构以及整体密封结构的泄漏量，从而可以测得全气动工况点下的一级增压端、二级增压端和综合气封泄漏量MAP，对于指定工况，还可以准确测得实际流经定转子的气冷流量和温度，进而整体评估两端气封结构以及整体的密封效果，并对后续迭代产品的密封设计起指导性作用；

3、本发明的测试方法和公式的组合使用，通过此方法和公式计算得到的有效气冷流量和温度，可以用于建立准确的电机传热模型，有利于迭代产品的电磁与散热设计，并提高热仿真的准确度；

4、本发明测试方法准确、高效、便捷，便于推广和利用。

附图说明

图1为本发明的测试系统的结构示意图。

图2为本发明的具体实施中全气动工况下的一级增压端泄漏量图表。

图3为本发明的具体实施中全气动工况下的二级增压端泄漏量图表。

图4为本发明的具体实施中全气动工况下的综合气封泄漏量图表。

附图标记：

1空压机模块、2主进气机构、3主出气机构、4冷却气机构；

101空压机本体、102空压机1级增压及密封结构、103空压机2级增压及密封结构、104第一流量计、105第一压力传感器、106第一温度传感器、107中间管；

201空气滤清器、202第二流量计、203第二压力传感器、204第二温度传感器，205进气管路；

301第三压力传感器、302第三温度传感器、303电子阀门、304消音器、 305出气管路；

401冷却气箱、402冷却进气流量计、403冷却进气压力传感器、404冷却进气温度传感器，405冷却出气流量计、406冷却出气压力传感器、407冷却出气温度传感器，408冷却进气管路。

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。

本发明提供了一种燃料电池空压机气封泄漏量的测试方法，采用测试系统进行测试，测试方法包括如下步骤：a、将空压机转速从怠速转速到峰值转速等间距分成具有4ˉ10元素的速度向量N：V1、V2、V3…VMAX；从怠速喘振线下边界流量到峰值转速堵塞线上边界流量，将空压机入口流量等间距分成具有10ˉ20个元素的流量向量Q：Q1、Q2、Q3…QMAX；b、将空压机运行于指定转速V1，调整测试系统中主出气机构的电子阀门的阀门开度，使空压机入口流量为Q1，然后测得该工况下的空压机进堆等效流量Qsys1-1、空压机出气压力Pout1-1、1级增压端泄漏量Qleak1-1-1、2级增压端泄漏量Qleak2-1-1以及总综合泄漏量Qleakall1-1，若此工况空压机发生喘振，则测量下一个流量点工况；c、重复上述测量步骤，依次调整主出气机构的电子阀门的阀门开度，使空压机入口流量分别为Q2、Q3…QMAX，得到数据向量：空压机进堆等效流量Qsys1-2、Qsys1-3…Qsys1-MAX；空压机出气压力Pout1-2、Pout1-3…Pout1-MAX；1级增压端泄漏量Qleak1-1-2、Qleak1-1-3…Qleak1-1-MAX；2 级增压端泄漏量Qleak2-1-2、Qleak2-1-3…Qleak2-1-MAX以及总综合泄漏量 Qleakall1-2、Qleakall1-3…Qleakall1-MAX，若电子阀门开度调至最大，空压机入口流量也达不到QMAX，则直接测量下一转速段工况；d、重复上述测量步骤，依次调整电机转速为V2、V3…VMAX，得到数据矩阵Qsys、Pout、Qleak1、 Qleak2、Qleakall；e、对上述数据进行处理，得到关于等效进堆流量Qsys、空压机出气压力Pout的1级气封泄漏量Map1、2级气封泄漏量Map2以及综合气封泄漏量Map综合。

优选的，测试系统包括空压机模块、与空压机模块相连的冷却气机构，以及与空压机模块进气端相连的主进气机构、和与空压机模块出气端相连的主出气机构。

进一步，空压机模块包括空压机本体，空压机本体的两端分别连接有空压机1级增压及密封结构102和空压机2级增压及密封结构103，空压机1级增压及密封结构和空压机2级增压及密封结构之间串联有第一流量计104、第一压力传感器105和第一温度传感器106；主进气机构包括依次串联的空气滤清器201、第二流量计202、第二压力传感器203和第二温度传感器204；主出气机构包括依次串联的第三压力传感器301、第三温度传感器302、电子阀门303和消音器304；冷却气机构包括冷却气箱401，空压机本体与冷却气机构通过冷却进气管路和冷却出气管路形成循环连接，冷却进气管路上依次串联有冷却进气流量计 402、冷却进气压力传感器403和冷却进气温度传感器404，冷却出气管路上依次串联有冷却出气流量计405、冷却出气压力传感器406和冷却出气温度传感器 407。

本发明采用上述的测试系统和公式的组合，可准确测出空压机出口实际流量以及经过中冷分流后的进堆流量，进而准确评估空压机系统的气动特性，进而准确评估低压气封结构、高压气封结构以及整体的密封效果，并对后续迭代产品的密封设计起指导性作用。

实施例1

如图1所示，本发明的测试方法基于的测试系统及结构包括：空压机模块1、主进气机构2、主出气机构3、冷却气机构4。

其中空压机模块1包括：空压机本体101、空压机1级增压及密封结构102、空压机2级增压及密封结构103、第一流量计104、第一压力传感器105、第一温度传感器106，并用中间管107将上述各结构串联连接。

其中主进气机构2包括：空气滤清器201、第二流量计202、第二压力传感器 203、第二温度传感器204，并用进气管路205将各部件串联连接。

其中主出气机构3包括：第三压力传感器301、第三温度传感器302、电子阀门303、消音器304，并用,出气管路305将上述各部件串联连接。

其中冷却气机构4包括：冷却气箱401、冷却进气流量计402、冷却进气压力传感器403、冷却进气温度传感器404，冷却出气流量计405、冷却出气压力传感器406、冷却出气温度传感器407，并用冷却进气管路408将冷却气箱401、冷却进气流量计402、冷却进气压力传感器403、冷却进气温度传感器404与空压机本体101串联连接，用冷却出气管路409将冷却气箱401、冷却出气流量计 405、冷却出气压力传感器406、冷却出气温度传感器407、与空压机本体101串联连接。

具体测试时，采用指定工况的计算方法，当空压机运行于某一转速，某一阀门开度时：

测试系统可通过压力传感器301，可以测出空压机的出气压力Pout，再通过如下公式可以计算出经过中冷后的等效进气压力目标值P*airin；

P*airin＝Pout–Plink，其中Plink为中冷设备的等效压降，可根据实时计算的空压机出口流量，从中冷设备的流量-气阻曲线中插值得到，这部分为现有技术，这里就不再赘述中冷设备的等效压降值如何获取的；

冷却气箱401可自动设定冷却进气压力目标值P*airin和温度目标值T*airin，其中T*airin为提前预知固定值；

测试系统可通过第二流量计202、第一流量计104、冷却进气流量计402、冷却出气流量计405分别测得主气路进气流量Qin、主气路中间管流量Qmid、冷却气路进气流量Qairin、冷却气路出气流量Qairout；

测试系统可通过第一温度传感器106、第三温度传感器302、冷却进气温度传感器404、冷却出气温度传感器407分别测得主气路中间管温度Tmid、主气路出气温度Tout、冷却气路进气温度Tairin；

测试系统可根据如下公式计算得到：

1、空压机出口流量及经过气冷分流后的进推流量公式

空压机出气流量Qout＝Qin+Qairin-Qairout；

空压机进堆等效流量Qsys＝Qin–Qairout；

2、一级增压端、二级增压端气封泄漏量公式

1级增压端泄漏量Qleak1＝Qin–Qmid；

2级增压端泄漏量Qleak2＝Qmid-Qout；

3、燃料电池空压机的总综合泄漏量公式

总综合泄漏量Qleakall＝Qleak1+Qleak2＝Qairout–Qairin；

4、实际流经定转子的气冷流量和温度公式

有效冷却气流量Qcooling＝Qairin+Qleak2；

有效冷却气温度Tcooling＝(Qairin*Tairin+Qleak2*Tout)/(Qairin+ Qleak2)；

空压机全运行工况泄漏量测试方法：

将空压机转速从怠速转速到峰值转速等间距分成4ˉ10个元素的速度向量N： V1、V2…Vi…VMAX；

从怠速喘振线下边界流量到峰值转速堵塞线上边界流量，将空压机入口流量等间距分成10ˉ20个元素的流量向量Q：Q1、Q2、Q3…QMAX；

空压机运行于指定转速V1，调整电子阀门303的阀门开度，使空压机入口流量为Q1，并按上所述的指定工况测量方法测得该工况下的空压机进堆等效流量 Qsys1-1、空压机出气压力Pout1-1、1级增压端泄漏量Qleak1-1-1、2级增压端泄漏量Qleak2-1-1以及总综合泄漏量Qleakall1-1，若此工况空压机发生喘振，则测量下一个流量点工况；

依次调整出气电子阀门303使空压机入口流量分别为Q2、Q3…QMAX，重复上述测量步骤，得到数据向量Qsys1-2、Pout1-2、Qleak1-1-2、Qleak2-1-2、 Qleakall1-2，若电子阀门开度调至最大，空压机入口流量也达不到QMAX，则直接测量下一转速段工况；

依次调整电机转速为V2、V3…VMAX，重复上述测量步骤，得到数据矩阵Qsys、Pout、Qleak1、Qleak2、Qleakall；

对上述数据进行处理，目前是通过Matlab软件计算处理，这里的计算处理过程是现有技术，这里就不再展开赘述了，计算处理后即可得到关于等效进堆流量 Qsys、空压机出气压力Pout的1级气封泄漏量Map、2级气封泄漏量Map以及综合气封泄漏量Map，进而准确评估低压气封结构、高压气封结构以及整体的密封效果，并对后续迭代产品的密封设计起指导性作用。

实施例2

(1)从怠速转速30000rpm到电机峰值转速90000rpm等间距分成速度向量N：30000、5000、7000、90000rpm；

从0到最高流量120g/s等间距分成主气路入口流量向量Qin：0、10、 20、……、120g/s；

以Qin向量为横坐标，N向量为纵坐标，建立测试工况矩阵，如下表所示：

(2)空压机使用Id＝0，速度环控制，调整出气阀门开度调整主气路入口流量至指定值，对以上工况分别进行测试，气冷系统可以自动读取空压机出口压力Pout，并根据如下公式实时计算出气冷出口压力目标值P*airin，作为气冷出口压力的闭环控制量，并根据测试需求，设定气冷入口温度为恒定值Tairin＝343K；

P*airin＝Pout–Plink，其中Plink为中冷设备的等效压降，可根据实时计算的空压机出口流量，从中冷设备的流量-气阻曲线中插值得到；

工况运行稳定后，记录测试数据，得到相应测试矩阵，测试数据包括：空压机转速N、入口流量Qin、中间管流量Qmid、气冷入口流量Qairin、气冷出口流量Qairout、空压机出口温度Tout，记录成表格如下表所示，并得到相应矩阵；

(3)测试系统可根据如下公式，自动计算得到如下数据矩阵：

空压机出气流量Qout＝Qin+Qairin-Qairout；

空压机进堆等效流量Qsys＝Qin–Qairout；

1级增压端泄漏量Qleak1＝Qin–Qmid；

2级增压端泄漏量Qleak2＝Qmid-Qout；

总综合泄漏量Qleakall＝Qleak1+Qleak2＝Qairout–Qairin；

有效冷却气流量Qcooling＝Qairin+Qleak2；

有效冷却气温度Tcooling＝(Qairin*Tairin+Qleak2*Tout)/(Qairin+ Qleak2)；

本发明与现有技术相比所具有的优点或积极效果如下：

1.可准确测出空压机出口实际流量以及经过中冷分流后的进堆流量，进而准确评估空压机系统的气动特性；

2.对指定工况，可分别准确测出1级增压端气封结构、2级增压端气封结构以及整体密封结构的泄漏量，从而得到全气动工况点下的一级增压端、二级增压端和综合气封泄漏量MAP，如图2-4所示，进而准确评估低压气封结构、高压气封结构以及整体的密封效果，并对后续迭代产品的密封设计起指导性作用；

3.对指定工况，可以准确测得实际流经定转子的气冷流量和温度，可以用于建立准确的电机传热模型，有利于迭代产品的电磁与散热设计，并提高热仿真的准确度。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明具体实施只局限于上述这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种燃料电池空压机气封泄漏量的测试方法，其特征在于：采用测试系统进行测试，测试方法包括如下步骤：a、将空压机转速从怠速转速到峰值转速等间距分成具有4~10个元素的速度向量N：V1、V2、V3 … VMAX；将空压机入口流量从怠速喘振线下边界流量到峰值转速堵塞线上边界流量等间距分成具有10~20个元素的流量向量Q：Q1、Q2、Q3 … QMAX；b、将空压机运行于指定转速V1，调整测试系统中主出气机构的电子阀门的阀门开度，使空压机入口流量为Q1，然后测得该工况下的空压机进堆等效流量Qsys1-1、空压机出气压力Pout1-1、1级增压端泄漏量Qleak1-1-1、2级增压端泄漏量Qleak2-1-1 以及总综合泄漏量Qleakall1-1，若此工况空压机发生喘振，则测量下一个流量点工况；c、重复上述测量步骤，依次调整主出气机构的电子阀门的阀门开度，使空压机入口流量分别为Q2、Q3 … QMAX，得到数据向量：空压机进堆等效流量Qsys1-2、Qsys1-3…Qsys1-MAX；空压机出气压力Pout1-2、Pout1-3…Pout1-MAX；1级增压端泄漏量Qleak1-1-2、Qleak1-1-3…Qleak1-1-MAX；2级增压端泄漏量Qleak2-1-2、Qleak2-1-3 …Qleak2-1-MAX以及总综合泄漏量Qleakall1-2、Qleakall1-3 …Qleakall1-MAX，若电子阀门开度调至最大，空压机入口流量也达不到QMAX，则直接测量下一转速段工况；d、重复上述测量步骤，依次调整电机转速为V2、V3 …VMAX，得到数据矩阵Qsys、Pout、Qleak1、Qleak2、Qleakall；e、对上述数据进行处理，得到关于等效进堆流量Qsys、空压机出气压力Pout的1级气封泄漏量Map1、2级气封泄漏量Map2以及综合气封泄漏量Map综合。

2.根据权利要求1所述的一种燃料电池空压机气封泄漏量的测试方法，其特征在于：测试系统通过主出气机构的第三压力传感器（301），测出空压机的出气压力Pout，再通过P*airin = Pout – Plink公式计算出经过中冷后的等效进气压力目标值P*airin。

3.根据权利要求1所述的一种燃料电池空压机气封泄漏量的测试方法，其特征在于：测试系统通过第一流量计（104）、第二流量计（202）、冷却进气流量计（402）和冷却出气流量计（405）分别测得主气路进气流量Qin、主气路中间管流量Qmid、冷却气路进气流量Qairin、冷却气路出气流量Qairout；测试系统可通过第一温度传感器（106）、第三温度传感器（302）、冷却进气温度传感器（404）和冷却出气温度传感器（407）分别测得主气路中间管温度Tmid、主气路出气温度Tout、冷却气路进气温度Tairin；

测试系统可根据如下公式计算得到：

空压机出气流量 Qout = Qin+Qairin-Qairout；

空压机进堆等效流量 Qsys = Qin – Qairout；

1级增压端泄漏量 Qleak1 = Qin – Qmid；

2级增压端泄漏量 Qleak2 = Qmid - Qout；

总综合泄漏量 Qleakall = Qleak1 + Qleak2 = Qairout – Qairin；

有效冷却气流量 Qcooling = Qairin + Qleak2；

有效冷却气温度 Tcooling = （Qairin*Tairin + Qleak2*Tout）/（Qairin +Qleak2）。

4.根据权利要求1所述的一种燃料电池空压机气封泄漏量的测试方法，其特征在于：测试系统包括空压机模块、与空压机模块相连的冷却气机构，以及与空压机模块进气端相连的主进气机构、和与空压机模块出气端相连的主出气机构。

5.根据权利要求3所述的一种燃料电池空压机气封泄漏量的测试方法，其特征在于：空压机模块包括空压机本体，空压机本体的两端分别连接有空压机1级增压及密封结构（102）和空压机2级增压及密封结构（103），空压机1级增压及密封结构和空压机2级增压及密封结构之间串联有第一流量计（104）、第一压力传感器（105）和第一温度传感器（106）；主进气机构包括依次串联的空气滤清器（201）、第二流量计（202）、第二压力传感器（203）和第二温度传感器（204）；主出气机构包括依次串联的第三压力传感器（301）、第三温度传感器（302）、电子阀门（303）和消音器（304）；冷却气机构包括冷却气箱（401），空压机本体与冷却气机构通过冷却进气管路和冷却出气管路形成循环连接，冷却进气管路上依次串联有冷却进气流量计（402）、冷却进气压力传感器（403）和冷却进气温度传感器（404），冷却出气管路上依次串联有冷却出气流量计（405）、冷却出气压力传感器（406）和冷却出气温度传感器（407）。

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