CN113250947A - 一种燃料电池空压机耐久性测试系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及空压机检测技术领域，具体公开了一种燃料电池空压机耐久性测试系统及方法，测试系统包括综合环境试验箱，综合环境试验箱内用于放置待检测的空压机，测试系统还包括与空压机连接的空压机进气管路、与空压机连接的空压机出气管路、第一出气管路和尾气排放管路，空压机出气管路的出气端通过第一出气管路与尾气排放管路连通。本发明可实现多种结构类型空压机的耐久性测试，模拟车载环境实现加速的评测方法，缩短了研发实验周期，节约时间成本，提高产品合格率。

Description

一种燃料电池空压机耐久性测试系统及方法
技术领域
本发明属于空压机检测技术领域，具体是一种燃料电池空压机耐久性测试系统及方法。
背景技术
空压机耐久性直接决定了燃料电池系统使用寿命和可靠性，但由于工况复杂、影响因素多和测试周期长等因素，其耐久性加速测试方法目前还不成熟。瑞士Opcon、德国Liebherr、美国Honeywell和MiTi等国外公司均已推出了专用于车载燃料电池的空压机产品，但未见其公布耐久性加速老化测试方法及原理。国内公司开发了燃料电池用空压机产品，在流体性能测试方面投入了研究，但在耐久性测试技术上研究甚少，具有耐久性加速系数的测试方法及系统搭建技术研究几乎处于空白。导致燃料电池用空压机在出厂检测符合的情况下，在车载环境燃料电池系统运行时依然存在故障率偏高的情况，无法满足后续燃料电池系统的需求，对示范运营带来了不良的影响。鉴于此，亟需设计一种可实现多种结构类型空压机的具有耐久性加速系数的燃料电池空压机测试系统来填补这一空白。
发明内容
本发明的目的是提供一种燃料电池空压机耐久性测试系统及方法，可实现多种结构类型空压机的耐久性测试，可实现模拟车载环境下车载运行工况，通过振动、位移、加速度、能耗、频次监测与曲线分析等实现具有加速预测的评测方法。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种燃料电池空压机耐久性测试系统，所述测试系统包括综合环境试验箱，所述综合环境试验箱内用于放置待检测空压机，所述测试系统还包括与所述空压机连接的空压机进气管路、与所述空压机连接的空压机出气管路、第一出气管路、尾气排放管路和控制系统，所述空压机出气管路的出气端通过所述第一出气管路与所述尾气排放管路连通，所述控制系统用于对所述测试系统进行数据采集、存储、处理和通讯。
进一步地，所述综合环境试验箱内设有振动装置、温度控制装置和湿度控制装置。
进一步地，所述空压机的蜗壳或电机轴中的任意一个上设有位移传感器和加速度传感器，所述位移传感器包括X轴位移传感器和Y轴位移传感器。
进一步地，所述空压机连接有膨胀机，所述空压机设有电机，所述空压机出气管路的出气端并联有与所述电机连通的第二出气管路和与所述膨胀机连通的第三出气管路；所述电机的出气端与所述尾气排放管路之间设有电机出气管路；所述膨胀机的出气端与所述尾气排放管路之间设有膨胀机出气管路，所述膨胀机出气管路设有控制阀。
进一步地，所述空压机进气管路上依次设有过滤器和第一空气加热器，所述过滤器与所述第一空气加热器之间的管路上设有减压阀；
所述空压机出气管路上设有第一中冷器，所述第一中冷器连接有四通阀，所述四通阀分别与所述第一出气管路、第二出气管路连接；
所述第一出气管路上依次连接有质量流量计、第一节气门、三通阀和球阀一，所述球阀一与所述四通阀之间连接有电子流阻模拟阀；
所述第二出气管路上依次连接有第二中冷器和流量调节阀；
所述第三出气管路与所述三通阀连接，所述第三出气管路上依次连接有球阀二和第二空气加热器；
所述尾气排放管路上依次设有消音器和背压阀；
所述空压机进气管路上、第二出气管路上、第三出气管路、电机出气管路和膨胀机出气管路均设有若干流量计、温度传感器和压力传感器。
进一步地，所述测试系统还包括与所述电机连接的电机进气管路，所述电机进气管路上依次设有气浮轴承气源、第二节气门和第三空气加热器，所述电机进气管路还设有流量计、温度传感器和压力传感器。
进一步地，所述测试系统还包括与所述空压机连接的空压机温控回路，所述空压机温控回路包括依次设置的第一散热器、第一加热水箱和第一水泵，所述第一水泵的出液口与所述空压机的进液口连接，所述空压机的出液口与所述第一散热器的进液口连接，所述空压机温控回路还设有流量计、温度传感器和压力传感器。
进一步地，所述第一中冷器与所述第二中冷器之间串联有中冷器温控回路，所述中冷器温控回路包括依次设置的第二散热器、第二加热水箱和第二水泵，所述第二水泵的出液口与所述第二中冷器的进液口连接，所述第二中冷器的出液口与所述第一中冷器的进液口连接，所述第一中冷器的出液口与所述第二散热器的进液口连接；所述中冷器温控回路还设有流量计、温度传感器和压力传感器。
进一步地，所述电机与所述空压机之间的主轴上设有噪声计，所述电机还连接有供电电路，所述供电电路上依次设有电源、电流传感器、电压传感器和熔断器。
根据一种燃料电池空压机耐久性测试系统进行空压机耐久性测试的方法，包括以下步骤：
S1.通过综合环境试验箱为空压机耐久性测试提供模拟车载工况的振动源、温度源、湿度源，真实模拟车载恶劣的使用环境，实现加速系数10以上的试验指标；
S2.模拟空气环境进行空压机耐久性测试；空气从空压机进气管路依次流经过滤器、减压阀、空气加热器，经过空气加热器加热的空气进入空压机；
S3.关闭流量调节阀、球阀二和电子流阻模拟阀，打开球阀一，加热空气经过第一中冷器降温后通过四通阀流经质量流量计、第一节气门、三通阀、球阀一、背压阀、消音器排出；可通过质量流量计测得空压机出气总管总流量；
S4.步骤S3中打开电子流阻模拟阀，模拟现实流量衰减情况，进行空压机测试；
S5.打开流量调节阀，对电机进行供气；
S6.打开球阀二，关闭或调小球阀一，对膨胀机进行供气及测试；
S7.当空压机出气管路不提供气源的时候，通过电机进气管路对电机进行供气；
S8.通过测量第一散热器散发的热量值，可以得到空压机散发的热量值；
S9.进行各流量计、温度传感器和压力传感器的数据采集，控制系统将采集的数据进行分析处理后发出指令驱动各管路；通过对噪声计、X轴位移传感器、Y轴位移传感器和加速度传感器的数据进行采集，控制系统将采集的数据与设定好的数据进行实时对比，超过设定数值，即判定空压机损坏或衰减；
S10.进行电流传感器和电压传感器的数据实时采集，控制系统将采集的数据进行分析处理后发出指令，对电机电路进行实时保护及功耗评测。
本发明的有益效果是：
本发明通过在空压机上装有X轴Y轴位移传感器、加速度传感器，实现不破坏空压机原有外形的前提下对空压机的轴向位移与径向位移进行监测；
本发明通过设置综合环境试验箱，为空压机耐久性测试提供模拟车载工况的振动源、温度源、湿度源，通过整个环境模拟系统真实模拟车载恶劣的使用环境，实现加速系数10以上的试验指标，解决了空压机台架测试与装车使用寿命相差甚远问题；
本发明通过电机和膨胀机进气管路的分别另行设置，实现对不同结构类型的空压机进行测试，使用范围广；
本发明缩短了耐久性测试时间，降低企业运营成本，并提升产品质量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。
图1是本发明示意图；
图中：1-综合环境试验箱，2-空压机，3-膨胀机，4-电机，5-过滤器，6-第一空气加热器，7-第一中冷器，8-四通阀，9-第二中冷器，10-流量调节阀，11-质量流量计，12-第一节气门，13-三通阀，14-球阀一，15-电子流阻模拟阀，16-球阀二，17-第二空气加热器，18-消音器，19-背压阀，20-外部气源，21-球阀三，22-气浮轴承气源，23-第二节气门，24-第三空气加热器，25-第一散热器，26-第一加热水箱，27-第一水泵，28-第二散热器，29-第二加热水箱，30-第二水泵，31-熔断器，32-控制阀。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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作出创造性劳动的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。
实施例一，如图1所示，一种燃料电池空压机耐久性测试系统，包括综合环境试验箱1，综合环境试验箱内1用于放置待检测的空压机2，测试系统还包括与空压机2连接的空压机进气管路、与空压机2连接的空压机出气管路、第一出气管路、尾气排放管路和控制系统，空压机出气管路的出气端通过第一出气管路与尾气排放管路连通，控制系统用于对测试系统进行数据采集、存储、处理和通讯。
综合环境试验箱1内设有振动装置、温度控制装置和湿度控制装置，为空压机耐久性测试提供模拟车载工况的振动源、温度源、湿度源，真实模拟车载恶劣的使用条件，是实现加速系数10以上耐久性试验指标的核心，解决了台架测试与装车使用寿命相差甚远问题，缩短了耐久性测试时间，降低企业运营成本。
空压机2连接有膨胀机3，空压机2设有电机4，空压机出气管路的出气端并联有与电机4连通的第二出气管路和与膨胀机3连通的第三出气管路；电机4的出气端与尾气排放管路之间设有电机出气管路；膨胀机3的出气端与尾气排放管路之间设有膨胀机出气管路，膨胀机出气管路设有控制阀32；
膨胀机3还可以连接一外部气源20，通过球阀三21并联入第三出气管路，用于对单独的膨胀机进行测试时供气，此时关闭控制阀32。
空压机进气管路上依次设有过滤器5和第一空气加热器6，过滤器5与第一空气加热器6之间的管路上设有减压阀；
空压机出气管路上设有第一中冷器7，第一中冷器7连接有四通阀8，四通阀8分别与第一出气管路、第二出气管路连接；
第一出气管路上依次连接有质量流量计11、第一节气门12、三通阀13和球阀一14，球阀一14与四通阀8之间连接有电子流阻模拟阀15；
第二出气管路上依次连接有第二中冷器9和流量调节阀10；
第三出气管路与三通阀13连接，第三出气管路上依次连接有球阀二16和第二空气加热器17；
尾气排放管路上依次设有消音器18和背压阀19；
空压机进气管路上、第二出气管路上、第三出气管路、电机出气管路和膨胀机出气管路均设有若干流量计、温度传感器和压力传感器。
测试系统还包括与电机4连接的电机进气管路，电机进气管路上依次设有气浮轴承气源22、第二节气门23和第三空气加热器24，电机进气管路还设有流量计、温度传感器和压力传感器；电机进气管路用于空压机出气管路不对电机进行供气的情况下，单独给电机进行供气。
测试系统还包括与空压机2连接的空压机温控回路，空压机温控回路包括依次设置的第一散热器25、第一加热水箱26和第一水泵27，第一水泵27的出液口与空压机2的进液口连接，空压机2的出液口与第一散热器25的进液口连接，空压机温控回路还设有流量计、温度传感器和压力传感器；第一散热器25用于给空压机电机散热及空压机散热量的测评；第一加热水箱26用于空压机散热后进行温度补偿，使进入空压机的水路保持恒定的温度。
第一中冷器7与第二中冷器9之间串联有中冷器温控回路，中冷器温控回路包括依次设置的第二散热器28、第二加热水箱29和第二水泵30，第二水泵30的出液口与第二中冷器9的进液口连接，第二中冷器9的出液口与第一中冷器7的进液口连接，第一中冷器7的出液口与第二散热器28的进液口连接；中冷器温控回路还设有流量计、温度传感器和压力传感器；中冷器温控回路用于对第一中冷器7与第二中冷器9进行散热以及温度补偿。
电机4与空压机2之间的主轴上设有噪声计，电机4还连接有供电电路，供电电路上依次设有电源、电流传感器、电压传感器和熔断器31。
空压机2的蜗壳或电机轴中的任意一个上设有位移传感器和加速度传感器，位移传感器包括X轴位移传感器和Y轴位移传感器；实现不破坏空压机原有外形的前提下对空压机的轴向位移与径向位移进行监测，将位移信号采集传输至控制系统，控制系统的上位机分析软件进行分析。
一种燃料电池空压机耐久性测试方法，根据一种燃料电池空压机耐久性测试系统进行空压机耐久性测试，包括以下步骤：
S1.通过综合环境试验箱为空压机耐久性测试提供模拟车载工况的振动源、温度源、湿度源，真实模拟车载恶劣的使用环境，实现加速系数10以上的试验指标；
S2.模拟空气环境进行空压机耐久性测试；空气从空压机进气管路依次流经过滤器、减压阀、空气加热器，经过空气加热器加热的空气进入空压机；
S3.关闭流量调节阀、球阀二和电子流阻模拟阀，打开球阀一，加热空气经过第一中冷器降温后通过四通阀流经质量流量计、第一节气门、三通阀、球阀一、背压阀、消音器排出；可通过质量流量计测得空压机出气总管总流量；
S4.步骤S3中打开电子流阻模拟阀，模拟现实流量衰减情况，进行空压机测试；
S5.打开流量调节阀，对电机进行供气；
S6.打开球阀二，关闭或调小球阀一，对膨胀机进行供气及测试；
S7.当空压机出气管路不给电机提供气源的时候，通过电机进气管路对电机进行供气；
S8.通过测量第一散热器散发的热量值，可以得到空压机散发的热量值；
S9.进行各流量计、温度传感器和压力传感器的数据采集，控制系统将采集的数据进行分析处理后发出指令驱动各管路；通过对噪声计、X轴位移传感器、Y轴位移传感器和加速度传感器的数据进行采集，控制系统将采集的数据与设定好的数据进行实时对比，超过设定数值，即判定空压机损坏或衰减；
S10.进行电流传感器和电压传感器的数据实时采集，控制系统将采集的数据进行分析处理后发出指令，对电机电路进行实时保护及功耗评测。
以上所揭露的仅为本发明的一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种燃料电池空压机耐久性测试系统，其特征在于，所述测试系统包括综合环境试验箱(1)，所述综合环境试验箱内(1)用于放置待检测的空压机(2)，所述测试系统还包括与所述空压机(2)连接的空压机进气管路、与所述空压机(2)连接的空压机出气管路、第一出气管路、尾气排放管路和控制系统，所述空压机出气管路的出气端通过所述第一出气管路与所述尾气排放管路连通，所述控制系统用于对所述测试系统进行数据采集、存储、处理和通讯。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池空压机耐久性测试系统，其特征在于，所述综合环境试验箱(1)内设有振动装置、温度控制装置和湿度控制装置。
3.根据权利要求1所述的一种燃料电池空压机耐久性测试系统，其特征在于，所述空压机(2)的蜗壳或电机轴中的任意一个上设有位移传感器和加速度传感器，所述位移传感器包括X轴位移传感器和Y轴位移传感器。
4.根据权利要求1所述的一种燃料电池空压机耐久性测试系统，其特征在于，所述空压机(2)连接有膨胀机(3)，所述空压机(2)设有电机(4)，所述空压机出气管路的出气端并联有与所述电机(4)连通的第二出气管路和与所述膨胀机(3)连通的第三出气管路；所述电机(4)的出气端与所述尾气排放管路之间设有电机出气管路；所述膨胀机(3)的出气端与所述尾气排放管路之间设有膨胀机出气管路，所述膨胀机出气管路设有控制阀(32)。
5.根据权利要求4所述的一种燃料电池空压机耐久性测试系统，其特征在于，所述空压机进气管路上依次设有过滤器(5)和第一空气加热器(6)，所述过滤器(5)与所述第一空气加热器(6)之间的管路上设有减压阀；
所述空压机出气管路上设有第一中冷器(7)，所述第一中冷器(7)连接有四通阀(8)，所述四通阀(8)分别与所述第一出气管路、第二出气管路连接；
所述第一出气管路上依次连接有质量流量计(11)、第一节气门(12)、三通阀(13)和球阀一(14)，所述球阀一(14)与所述四通阀(8)之间连接有电子流阻模拟阀(15)；
所述第二出气管路上依次连接有第二中冷器(9)和流量调节阀(10)；
所述第三出气管路与所述三通阀(13)连接，所述第三出气管路上依次连接有球阀二(16)和第二空气加热器(17)；
所述尾气排放管路上依次设有消音器(18)和背压阀(19)；
所述空压机进气管路上、第二出气管路上、第三出气管路、电机出气管路和膨胀机出气管路均设有若干流量计、温度传感器和压力传感器。
6.根据权利要求4所述的一种燃料电池空压机耐久性测试系统，其特征在于，所述测试系统还包括与所述电机(4)连接的电机进气管路，所述电机进气管路上依次设有气浮轴承气源(22)、第二节气门(23)和第三空气加热器(24)，所述电机进气管路还设有流量计、温度传感器和压力传感器。
7.根据权利要求1所述的一种燃料电池空压机耐久性测试系统，其特征在于，所述测试系统还包括与所述空压机(2)连接的空压机温控回路，所述空压机温控回路包括依次设置的第一散热器(25)、第一加热水箱(26)和第一水泵(27)，所述第一水泵(27)的出液口与所述空压机(2)的进液口连接，所述空压机(2)的出液口与所述第一散热器(25)的进液口连接，所述空压机温控回路还设有流量计、温度传感器和压力传感器。
8.根据权利要求5所述的一种燃料电池空压机耐久性测试系统，其特征在于，所述第一中冷器(7)与所述第二中冷器(9)之间串联有中冷器温控回路，所述中冷器温控回路包括依次设置的第二散热器(28)、第二加热水箱(29)和第二水泵(30)，所述第二水泵(30)的出液口与所述第二中冷器(9)的进液口连接，所述第二中冷器(9)的出液口与所述第一中冷器(7)的进液口连接，所述第一中冷器(7)的出液口与所述第二散热器(28)的进液口连接；所述中冷器温控回路还设有流量计、温度传感器和压力传感器。
9.根据权利要求4所述的一种燃料电池空压机耐久性测试系统，其特征在于，所述电机(4)与所述空压机(2)之间的主轴上设有噪声计，所述电机(4)还连接有供电电路，所述供电电路上依次设有电源、电流传感器、电压传感器和熔断器(31)。
10.一种燃料电池空压机耐久性测试方法，根据权利要求1-9任意一种燃料电池空压机耐久性测试系统进行空压机耐久性测试，其特征在于，所述测试方法包括以下步骤：
S1.通过综合环境试验箱为空压机耐久性测试提供模拟车载工况的振动源、温度源、湿度源，真实模拟车载恶劣的使用环境，实现加速系数10以上的试验指标；
S2.模拟空气环境进行空压机耐久性测试；空气从空压机进气管路依次流经过滤器、减压阀、空气加热器，经过空气加热器加热的空气进入空压机；
S3.关闭流量调节阀、球阀二和电子流阻模拟阀，打开球阀一，加热空气经过第一中冷器降温后通过四通阀流经质量流量计、第一节气门、三通阀、球阀一、背压阀、消音器排出；可通过质量流量计测得空压机出气总管总流量；
S4.步骤S3中打开电子流阻模拟阀，模拟现实流量衰减情况，进行空压机测试；
S5.打开流量调节阀，对电机进行供气；
S6.打开球阀二，关闭或调小球阀一，对膨胀机进行供气及测试；
S7.当空压机出气管路不提供气源的时候，通过电机进气管路对电机进行供气；
S8.通过测量第一散热器散发的热量值，可以得到空压机散发的热量值；
S9.进行各流量计、温度传感器和压力传感器的数据采集，控制系统将采集的数据进行分析处理后发出指令驱动各管路；通过对噪声计、X轴位移传感器、Y轴位移传感器和加速度传感器的数据进行采集，控制系统将采集的数据与设定好的数据进行实时对比，超过设定数值，即判定空压机损坏或衰减；
S10.进行电流传感器和电压传感器的数据实时采集，控制系统将采集的数据进行分析处理后发出指令，对电机电路进行实时保护及功耗评测。
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