CN1808163A - 一种燃料电池系统用空压机性能自动检测平台 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种燃料电池系统用空压机性能自动检测平台，其主要设备及管路包括动力电供电控制装置，运行及性能测控单元，连接空压机的空气管路及水管路，其中电机控制器的输入端与运行及性能测控单元相连，电机控制器的输出端与空压机主电机的接线端子相连，主电机的输出轴安装于空压机的主轴上，并一起置放在电子称重器上，设置于空气管路、水管路中的各执行元件、检测元件分别与运行及性能测控单元相连接；运行及性能测控单元以工业控制计算机为控制核心，该工业控制计算机内部存有数据采集及处理程序。本发明具有检测准确、误差小，提高工作效率，并方便设备选型，是专门针对空压机各项性能指标的检测系统，填补了国内空白，应用前景广阔。
Description
技术领域
本发明涉及一种空压机性能自动检测装置，具体地说是一种燃料电池系统用空压机性能自动检测平台。
背景技术
燃料电池在九十年代得到了长足的发展，为了更好的应用燃料电池，需要了解其各组成部件的性能指标。空压机作为燃料电池的主要部件，其各项性能指标更为重要。燃料电池按电化学原理将化学性能转化为电能，工作时，必须不断地向电池内部送入燃料与氧化剂(氢气和氧气)，与此同时，还要排出等摩尔的反应产物水，其中氧化剂的供给一般采用纯氧或空气，当采用空气作氧化剂时，空气的供给方式有两种，一种是采用风机或风扇常压供气，另一种是采用加压的空压机供气，低成本、低功耗、低质量体积比的空压机开发已成为研究的热点。
为保证空压机在燃料电池系统中正常使用，需对空压机各项性能指标进行检测，如对空压机不同频率下的空气流量、压力、功率检测，对经配置燃料电池系统相关零部件后空气的湿度及温度检测、空压机的重量、体积检测。由于空压机有干式和湿式两种，每种空压机都有其附属部件，这就需要为空压机在燃料电池系统中的应用提供出详细的空压机附属装置所需要的相关参数，如电机冷却水水量及进出口温度等的检测。
目前，对燃料电池空压机尚没有系统的检测手段，也就是说还没有专门针对空压机各项性能指标的检测系统，检测时，都是将燃料电池空压机等设备置于电子秤上称重，然后将燃料电池空压机从电子秤上搬动下来，再对燃料电池空压机进行其它项目的分别检测。不仅检测人员劳动强度高，而且浪费时间，并由于各参数即相对独立又相互关联，造成数据检测的不准确性，如空压机的流量、压力、温度及功率是相互关联的，其中任何一个发生变化，其余数据等都将或多或少有所改变，增大了测量数据的误差。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中存在的检测数据误差大、工作费时、费力等技术问题，提供一种可对燃料电池空压机多种性能指标进行自动连续准确检测的燃料电池系统用空压机性能自动检测平台。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
其主要设备及管路包括动力电供电控制装置，运行及性能测控单元，连接空压机的空气管路及水管路，其中电机控制器的输入端与运行及性能测控单元相连，电机控制器的输出端与空压机主电机的接线端子相连，主电机的输出轴安装于空压机的主轴上，并一起置放在电子称重器上，设置于空气管路、水管路中的各执行元件、检测元件分别与运行及性能测控单元相连接；运行及性能测控单元以工业控制计算机为控制核心，该工业控制计算机内部存有数据采集及处理程序。
所述空气管路包括串联连接的空气入口管路、被测空压机及空气出口管路，空气入口管路中设有空气过滤器，该空气过滤器经空气加热器接至被测空压机；空气出口管路中，自空压机排气口依次串联设有分水器、冷干机、检测空压机排气量的质量流量计及控制空压机压力的调节阀；在该空气出口管路的末端还设有消音器；水管路包括分水器排水路以及水经总供水管路进入设有水加热器的水箱后，分为电机控制器冷却水路、空压机电机冷却水路及空压机增湿水路，其中分水器排水路依次为空气出口管路的始端经分水器，又经第四电磁阀及第四流量计后至检测平台外；所述电机控制器冷却水路自电机控制器冷却水进口管路至电机控制器冷却水出口管路依次串联设有第一电磁阀、第一流量计，再经电机控制器、第一出水口至检测平台外；主电机冷却水路自主电机冷却水进口管路至主电机冷却水出口管路依次串联设有第二电磁阀、第二流量计，再经主电机、第二出水口至检测平台外；空压机增湿水路依次串联设有第三电磁阀、第三流量计，最后进入空压机；在总供水管路入口处设有加压水泵；所述运行及性能测控单元以工业控制计算机为中心，其模拟量输入模块的接口接入来自压力、温度、湿度、流量变送器的输入信号，数字量输入模块的接口接入来自接触器辅助触点的状态输入信号；模拟量输出模块的接口接至电机控制器和调节阀，数字量输出模块的接口分别接至控制冷干机启停、空压机电源、水加热器、空气加热器、第一～第四电磁阀以及水泵启停的第一～第九中间继电器的线圈，每个中间继电器的常开接点串联于上各用电设备的控制回路中；
所述数据采集及处理程序包括初始化处理子程序、数据采集处理子程序、数据保存处理子程序以及结束处理子程序，系统首先进行初始化处理后进行数据采集处理，判断备份周期是否已到，如已到，则进入数据保存处理子程序，否则判断数据采集周期是否已到，如已到，则转到数据采集处理子程序，否则等待数据采集周期结束；
本发明具有以下优点：
1.检测准确，误差小。本发明通过模拟电池工作条件，用电机控制器改变空压机的转速，用调节阀及电加热器改变空气出口的压力、流量、电机冷却水的流量以及空气、增湿水的温度，以控制电机温度最终检测空压机在不同频率、不同压力、不同温度下的流量、功率，通过系统自动化控制，保证了检测数据的准确可靠性，使检测工作省时、省力，提高了工作效率。
2.方便设备选型。由于本发明检测准确，所检测出的准确数据可用以选择合适的空压机指标与燃料电池系统相匹配，并同时为选择空压机附属部件提供选型依据。
3.本发明是专门针对空压机各项性能指标的检测系统，填补了国内空白，应用前景广阔。
附图说明
图1为本发明总体结构示意图；
图2为本发明电气原理图(一)；
图3为本发明电气原理图(二)；
图4为本发明软件系统构成图；
图5为本发明数据采集处理程序流程图。
具体实施方式
如图1所示，本发明主要设备及管路包括动力电供电控制装置，运行及性能测控单元，连接空压机4的空气管路及水管路，其中电机控制器15的输入端接至自动检测平台运行及性能测控单元，电机控制器15的输出端与空压机电机5的接线端子相连，主电机5的输出轴与空压机4的主轴相连并一起置放在电子称重器6上，设置于空气管路、水管路中的各执行元件、检测元件分别与运行及性能测控单元相连接；运行及性能测控单元以工业控制计算机为控制核心，该工业控制计算机内部存有数据采集及处理程序；
所述空气管路包括串联连接的空气入口管路P1、被测空压机4及空气出口管P2，空气入口管路P1中设有空气过滤器2，该空气过滤器2经空气加热器3接至被测空压机4；空气出口管路P2中，自空压机排气口依次串联设有分水器7、冷干机8、检测空压机排气量的质量流量计9及控制空压机压力的调节阀10；在该空气出口管路P2的末端还设有消音器11；水管路包括分水器排水路P9以及水经总供水管路P3进入设有水加热器12的水箱后，分为电机控制器冷却水路、空压机电机冷却水路、空压机增湿水路，其中分水器排水路P9依次为空气出口管路P2的始端经分水器7，又经第四电磁阀20及第四流量计21后至检测平台外；所述电机控制器冷却水路自电机控制器冷却水进口管路P4至电机控制器冷却水出口管路P5依次串联设有第一电磁阀13、第一流量计14，再经电机控制器15、第一出水口至检测平台外；主电机冷却水路自主电机冷却水进口管路P6至主电机冷却水出口管路P7依次串联设有第二电磁阀16、第二流量计17，再经主电机5、第二出水口至检测平台外；空压机增湿水路P8依次串联设有第三电磁阀18、第三流量计19，最后进入空压机4；在总供水管路P3入口处设有加压水泵22；分别在第一流量计14、第二流量计17及第三流量计19上加设手动调节阀；
如图2～4所示，所述运行及性能测控单元1以工业控制计算机为中心，其模拟量输入模块的接口接入来自压力、温度、湿度、流量变送器的输入信号，数字量输入模块的接口接入来自接触器辅助触点的状态输入信号；模拟量输出模块的接口接至电机控制器15和调节阀10，数字量输出模块的接口分别接至控制冷干机8启停、空压机电源、水加热器12、空气加热器3、第一～第四电磁阀以及水泵启停的第一～第九中间继电器K1～K9的线圈，每个中间继电器的常开接点串联于上述各对应用电设备的控制回路中；
所述控制回路设有串联连接的自动/手动转换开关ZH、紧急停止按钮ET及总手动启停控制按钮QT，各控制回路中的手动启动按钮分别与串联于上述各用电设备的控制回路中的中间继电器常开接点并联连接，并在每个手动启动按钮所在的并联支路中串联上述对应中间继电器的常闭接点进行手动与自动操作的互锁；所述各控制回路中的手动启动按钮两端通过并联其所在控制回路的交流接触器的常闭接点进行自锁；在该控制回路中还设有电源插座P；
如图5所示，所述数据采集及处理程序包括初始化处理子程序、数据采集处理子程序、数据保存处理子程序以及结束处理子程序，系统首先进行初始化处理后进行数据采集处理，判断备份周期是否已到，如已到，则进入数据保存处理子程序，否则判断数据采集周期是否已到，如已到，则转到数据采集处理子程序，否则等待数据采集周期结束；
所述初始化处理子程序的具体流程为：读取设定文件，生成文件保存路径，生成数据保存格式，数据采集卡初始化和通讯端口的初始化处理，初始化结束；
所述数据采集处理子程序的具体流程为：通过模拟量输入模块或数字量输入模块的接口读取所联接的设备的输入数据，将数据保存到内部存储数组，处理结束；
所述数据保存处理子程序的具体流程为：将内部存储数组的数据全部保存到文件中，清空内部存储数组，处理结束；
所述结束处理子程序的具体流程为：采集卡和通讯端口(采用RS485/RS232)的内存开放，关闭数据采集处理子程序程序，处理结束。
本发明运行时，空气经空气过滤器2过滤掉空气中的灰尘、悬浮物等杂质后，通过空气加热器3加热后进入空压机4内，以改变入口空气的温湿度；空气在空压机4内增湿加压后，先通过分水器7分水，然后进入冷干机8除湿，再通过消音器11消音降噪后排出系统。在冷干机8与消音器11之间安装有控制空压机压力的调节阀10(本实施例采用气动比例调节阀)，以改变空气出口的压力，在调节阀10前还设有检测空压机排气量的质量流量计9；
水路包括总供水管路及分水器排水管路。来水经总供水管路P3进入水箱，在水箱里进行加热后分为三路，即电机控制器冷却水路、主电机冷却水路及空压机增湿水路：
a.电机控制器冷却水进口管路P4，冷却水通过第一电磁阀13经第一流量计14检测流量后进入电机控制器15，带走电机控制器15产生的热量，控制电机控制器15的温升；电机控制器冷却水出口管路P5，冷却水经过电机控制器15升温后排出系统；
b.主电机冷却水进口管路P6，冷却水通过第二电磁阀16经第二流量计17检测流量后进入主电机5，带走主电机5产生的热量，控制主电机5的温升；主电机5冷却水出口管路，冷却水经过主电机5升温后排出系统；
c.空压机增湿水路P8，增湿水通过第三电磁阀18经第三流量计19检测后进入空压机4，对空压机4进入密封、润滑及冷却，改变增湿水的流量、温度，以控制主电机温度，最终检测空压机在不同频率、不同压力、不同温度下的流量、功率，以选择合适的空压机指标与燃料电池系统相匹配。
分水器排水管路P9：含水的出口空气经过分水器7所分出的水通过第四电磁阀20经第四流量计21检测累积流量后排出系统。
本发明通过运行及性能测控单元1实现如下功能：
控制电机控制器15的输出频率，进而控制空压机4的转速，并采集电机控制器15的频率信号；
控制空气加热器3，通过模拟环境的温度变化以测得在环境温度变化时空压机性能参数的影响；
采集空压机4进气的温度及相对湿度；
采集空压机4出气的温度及相对湿度；
控制第四电磁阀20，即分水器7所分离的水经电磁阀20排出；
采集分水器7分水的温度；
控制流量计21，并采集分水器20分水的累积流量；
控制冷干机8，空气经分水器7分水后，再经过冷干机8除湿，使空气的相对湿度低于100％，以保证空压机4排气量的准确性；
采集空压机出口空气经冷干机8除湿后的温度、相对湿度；
控制质量流量计9，并采集空压机4的排气量；
采集空压机出口空气的压力，以准确控制调节阀10的开度；
控制调节阀10的开度；
控制水加热器12，以便模拟电池变频器、电机冷却循环水的入口温度，及电池生成水的温度，为选择散热器提供依据；
采集加热水的温度；
控制第三电磁阀18；
控制第三流量计19并采集流量，并加手动调节阀调节流量；
控制第二电磁阀16；
控制第二流量计17并采集流量，并加手动调节阀调节流量；
采集主电机冷却水出口的温度；
控制第一电磁阀13；
控制第一流量计14并采集流量，并加手动调节阀调节流量；
采集电机控制器冷却水出口的温度；
本发明通过电机控制器15改变空压机的频率，通过调节阀改变空气出口的压力，改变空气加热器的温度及增湿水的流量和温度，改变主电机冷却水的流量以控制电机温度最终检测空压机在不同频率、不同压力、不同温度下的流量和功率，以选择合适的空压机指标与燃料电池系统相匹配，并同时为选择空压机附属部件提供选型依据。
Claims (10)
1.一种燃料电池系统用空压机性能自动检测平台，其特征在于：其主要设备及管路包括动力电供电控制装置，运行及性能测控单元，连接空压机(4)的空气管路及水管路，其中电机控制器(15)的输入端与运行及性能测控单元相连，电机控制器(15)的输出端与空压机主电机(5)的接线端子相连，主电机(5)的输出轴安装于空压机(4)的主轴上，并一起置放在电子称重器(6)上，设置于空气管路、水管路中的各执行元件、检测元件分别与运行及性能测控单元相连接；运行及性能测控单元以工业控制计算机为控制核心，该工业控制计算机内部存有数据采集及处理程序。
2.按权利要求1所述的燃料电池系统用空压机性能自动检测平台，其特征在于：所述空气管路包括串联连接的空气入口管路(P1)、被测空压机(4)及空气出口管路(P2)，空气入口管路(P1)中设有空气过滤器(2)，该空气过滤器(2)经空气加热器(3)接至被测空压机(4)；空气出口管路(P2)中，自空压机排气口依次串联设有分水器(7)、冷干机(8)、检测空压机排气量的质量流量计(9)及控制空压机压力的调节阀(10)。
3.按权利要求2所述的燃料电池系统用空压机性能自动检测平台，其特征在于：在该空气出口管路(P2)的末端还设有消音器(11)。
4.按权利要求1所述的燃料电池系统用空压机性能自动检测平台，其特征在于：水管路包括分水器排水路(P9)以及水经总供水管路(P3)进入设有水加热器(12)的水箱后，分为电机控制器冷却水路、空压机电机冷却水路及空压机增湿水路，其中分水器排水路(P9)依次为空气出口管路(P2)的始端经分水器(7)，又经第四电磁阀(20)及第四流量计(21)后至检测平台外；所述电机控制器冷却水路自电机控制器冷却水进口管路(P4)至电机控制器冷却水出口管路(P5)依次串联设有第一电磁阀(13)、第一流量计(14)，再经电机控制器(15)、第一出水口至检测平台外；主电机冷却水路自主电机冷却水进口管路(P6)至主电机冷却水出口管路(P7)依次串联设有第二电磁阀(16)、第二流量计(17)，再经主电机(5)、第二出水口至检测平台外；空压机增湿水路(P8)依次串联设有第三电磁阀(18)、第三流量计(19)，最后进入空压机(4)；在总供水管路(P3)入口处设有加压水泵。
5.按权利要求4所述的燃料电池系统用空压机性能自动检测平台，其特征在于：分别在第一流量计(14)、第二流量计(17)及第三流量计(19)上加设手动调节阀。
6.按权利要求1所述的燃料电池系统用空压机性能自动检测平台，其特征在于：所述运行及性能测控单元(1)以工业控制计算机为中心，其模拟量输入模块的接口接入来自压力、温度、湿度、流量变送器的输入信号，数字量输入模块的接口接入来自接触器辅助触点的状态输入信号；模拟量输出模块的接口接至电机控制器(15)和调节阀(10)，数字量输出模块的接口分别接至控制冷干机(8)启停、空压机电源、水加热器(12)、空气加热器(3)、第一～第四电磁阀(13、16、18、20)以及水泵(22)启停的第一～第九中间继电器(K1～K9)的线圈，每个中间继电器的常开接点分别串联于上述各对应用电设备的控制回路中。
7.按权利要求6所述的燃料电池系统用空压机性能自动检测平台，其特征在于：所述控制回路设有自动/手动转换开关(ZH)，各控制回路中的手动启动按钮分别与串联于上述对应用电设备的控制回路中的中间继电器常开接点并联连接，并在每个手动启动按钮所在的并联支路中串联可进行手动与自动操作互锁的上述对应中间继电器的常闭接点。
8.按权利要求7所述的燃料电池系统用空压机性能自动检测平台，其特征在于：所述各控制回路中的手动启动按钮两端通过并联可进行自锁的其所在控制回路中接触器的常闭接点。
9.按权利要求1所述的燃料电池系统用空压机性能自动检测平台，其特征在于：所述数据采集及处理程序包括初始化处理子程序、数据采集处理子程序、数据保存处理子程序以及结束处理子程序，系统首先进行初始化处理后进行数据采集处理，判断备份周期是否已到，如已到，则进入数据保存处理子程序，否则判断数据采集周期是否已到，如已到，则转到数据采集处理子程序，否则等待数据采集周期结束。
10.按权利要求9所述的燃料电池系统用空压机性能自动检测平台，其特征在于：所述初始化处理子程序的具体流程为：读取设定文件，生成文件保存路径，生成数据保存格式，数据采集卡初始化和通讯端口的初始化处理，初始化结束；
所述数据采集处理子程序的具体流程为：通过模拟量输入模块或数字量输入模块的接口读取所联接的设备的输入数据，将数据保存到内部存储数组，处理结束；
所述数据保存处理子程序的具体流程为：将内部存储数组的数据全部保存到文件中，清空内部存储数组，处理结束；
所述结束处理子程序的具体流程为：采集卡和通讯端口的内存开放，关闭数据采集处理子程序程序，处理结束。
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