鮑歡歡 ，付建勤 ?，張磊 ，吳全 ，劉敬平 ，劉琦

（1.湖南大學(xué) 先進動力總成技術(shù)研究中心，湖南 長沙 410082；2.廣東廣順新能源科技有限公司，廣東 佛山 528216）

在能源危機和雙碳目標背景下，氫燃料電池技術(shù)迎來了快速發(fā)展期.氫燃料電池是一種通過電極反應(yīng)將氫和氧的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置，這種能量轉(zhuǎn)換方式具有零排放、高效率、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點，因而氫燃料電池被普遍認為是未來最有可能替代傳統(tǒng)內(nèi)燃機的車輛動力源［1］.作為燃料電池空氣供應(yīng)系統(tǒng)的核心部件，空壓機的耐久性直接決定了燃料電池系統(tǒng)使用壽命和可靠性，但由于工況復(fù)雜、影響因素多等原因，空壓機的耐久性和可靠性測試技術(shù)目前尚有一些問題未得到有效解決，因此是燃料電池產(chǎn)業(yè)化急需突破的關(guān)鍵技術(shù)之一［2］.

圍繞燃料電池空壓機的耐久性和性能衰減特性，國內(nèi)外許多研究工作者開展了相關(guān)研究［3-5］.宋明昌［6］分析了進氣壓力對空壓機主要性能的影響，發(fā)現(xiàn)隨著進氣壓力降低，壓縮進氣量減少，單位質(zhì)量氣體壓縮功增加.Wang 等［7］分析了空壓機定壓控制過程多個參數(shù)之間的耦合關(guān)系，建立了受控自回歸積分移動平均模型.陳海蓉等［8］利用實驗數(shù)據(jù)和熱力學(xué)機理校正，建立了燃料電池增壓系統(tǒng)的空壓機模型，并進行了相應(yīng)的仿真計算.Dhayanandh 等［9］研究了噴油參數(shù)對螺桿式空壓機性能的影響，通過對螺桿式空壓機油耗和排氣量的測量，對其性能進行了評價.Ilman 等［10］采用標準失效分析方法評估了結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料類型和動載荷等因素對空壓機失效的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)失效的主要原因是低周疲勞.

不難看出，空壓機的設(shè)計參數(shù)、運行工況以及所處環(huán)境等都會對其性能和使用壽命產(chǎn)生影響，即空壓機性能與壽命受多種因素耦合影響［11］.但目前的研究大都局限于定性和仿真研究，定量和試驗研究相對較少［12］.另外，目前國內(nèi)外相關(guān)企業(yè)和科研機構(gòu)針對空壓機產(chǎn)品設(shè)計、關(guān)鍵性能和耐久性測試技術(shù)等方面開展了大量研究工作，但對空壓機性能衰減特性的量化分析還較少，真實道路循環(huán)工況下空壓機的耐久試驗數(shù)據(jù)更是匱乏.為了解決上述問題，本文針對一款自主開發(fā)并已量產(chǎn)的燃料電池空壓機開展了真實道路循環(huán)工況下的耐久性試驗研究.通過對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，得到燃料電池空壓機性能衰減特性與影響因素，為燃料電池空壓機的耐久性設(shè)計和研究提供重要參考.

1 空壓機耐久性試驗

1.1 試驗對象

本文研究對象為我國某企業(yè)自主設(shè)計開發(fā)并已經(jīng)量產(chǎn)的機械增速、單級離心式燃料電池用空壓機，適用于30 kW 功率級別的電堆.截至目前，該空壓機已裝車近1 000臺，是當(dāng)前中低功率級燃料電池發(fā)動機的主流空壓機之一，其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示.

表1 空壓機技術(shù)參數(shù)Tab.1 The specifications of air compressor

需要說明的是，表中給出的是電機轉(zhuǎn)速，該機械軸承空壓機的增速比為12.7，即空壓機的實際轉(zhuǎn)速為電機轉(zhuǎn)速的12.7 倍.圖1 所示為該燃料電池空壓機的幾何結(jié)構(gòu).

圖1 燃料電池空壓機幾何結(jié)構(gòu)Fig.1 Geometry structure of fuel cell air compressor

1.2 試驗工況

為了對空壓機壽命和性能衰減做出準確評估并為后續(xù)研究提供有效參考，首先需要制定能反映空壓機實際運行情況且具有普適性意義的壽命測試工況.與國內(nèi)燃料電池整車及系統(tǒng)供應(yīng)商共同就臺架實驗、汽車路況測試、實車運營等方面開展調(diào)研，圍繞空壓機壽命工況、城市路況、高速路況等總結(jié)了符合實際的測試驗證方案.根據(jù)采集的燃料電池汽車實際道路循環(huán)工況特征，得到燃料電池發(fā)動機的功率需求，結(jié)合燃料電池的過量空氣比推導(dǎo)出空壓機的供氣量需求，由此確定燃料電池空壓機壽命測試工況譜，如圖2 所示.從圖中可以看到，該循環(huán)測試工況譜持續(xù)時間約4 000 s，兼顧了城市工況和高速工況，以及坡道和啟停等復(fù)雜工況的影響.

圖2 空壓機壽命試驗工況Fig.2 Life test conditions of air compressor

1.3 試驗過程

為了開展燃料電池空壓機耐久性測試，搭建了燃料電池空壓機試驗臺，試驗臺測試原理和臺架實物場景分別如圖3和圖4所示.試驗臺可測試的參數(shù)覆蓋空壓機全工況范圍內(nèi)的性能、運行和控制參數(shù).同時，自主開發(fā)了基于嵌入式架構(gòu)的高頻、多通道數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)軟硬件，以及具有高容錯性的高速數(shù)據(jù)采集、傳輸、儲存、監(jiān)控軟硬件，用于避免高速控制信號與采集傳輸信號耦合失真及數(shù)據(jù)處理滯后帶來的測量延誤.基于該空壓機測試臺，按照圖2 所示的空壓機壽命試驗工況開展了4 000 h 燃料電池空壓機耐久試驗.試驗過程說明如下：

圖3 空壓機臺架試驗原理示意Fig.3 Schematic diagram of air compressor bench test

圖4 燃料電池空壓機臺架試驗場景Fig.4 Frame test scenario of fuel cell air compressor

1）在耐久試驗開始前進行首次性能測試、振動測試和溫升測試；

2）每天對累計磨合時間進行更新，并檢查有無漏油、異響、輸出軸竄動的情況；

3）當(dāng)空壓機按圖2 所示的壽命試驗工況磨合一定時間（例如400～500 h）后，開展額定工況點的性能測試，檢查不同磨合時間后空壓機的性能變化.

在試驗時，通過改變空壓機驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速使空壓機轉(zhuǎn)速等差增長，同時通過改變空壓機閥度調(diào)節(jié)其流量，從而使空壓機按照圖2 所示工況運行（出口壓力與流量達到既定目標）.采用壓力和流量傳感器等采集不同工況下空壓機的性能、運行與控制參數(shù).對不同磨合時間下空壓機的性能試驗數(shù)據(jù)進行分類整理，由此可評估空壓機在耐久試驗過程中的性能變化特性，并為后續(xù)研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與對比基準.

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 磨合前后空壓機性能對比分析

首先將空壓機磨合4 000 h 后的外特性（閥門全開）與磨合前進行對比.圖5（a）為磨合前后空壓機外特性下的出口壓力（相對大氣壓力）與流量隨轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系.其中，磨合前的數(shù)據(jù)用虛線表示，作為空壓機耐久性對比分析的基準，磨合4 000 h 后的數(shù)據(jù)用實線表示（下同）.由圖可知：一方面，隨著轉(zhuǎn)速增加，空壓機外特性下的出口壓力一直單調(diào)增加，但是出口流量先增加然后保持不變（當(dāng)電機轉(zhuǎn)速增加到9 000 r/min）.這是因為當(dāng)電機轉(zhuǎn)速增加到9 000 r/min 時，空壓機出現(xiàn)堵塞，此時進一步增加轉(zhuǎn)速只會導(dǎo)致壓力增加而流量保持不變.另一方面，經(jīng)歷 4 000 h 耐久磨合后，空壓機外特性下的壓力變化很小，但是空氣流量出現(xiàn)明顯衰減，且轉(zhuǎn)速越高，空氣流量衰減越明顯.與此同時，圖5（b）比較了磨 合4 000 h 前后空壓機的出口氣溫.可以看到，經(jīng)歷 4 000 h耐久磨合后，空壓機的出口氣溫明顯上升，在整個外特性下大約上升6～8 ℃.這是因為經(jīng)過4 000 h耐久后，空壓機旋轉(zhuǎn)部件（尤其是軸承）磨損以及空氣顆粒物沉積，導(dǎo)致摩擦、氣流撞擊等不可逆損失增加［13］.整個壓縮過程偏離等熵壓縮過程，最終導(dǎo)致空壓機出口氣溫上升.由熱力學(xué)理論可知，偏離等熵壓縮過程越遠，需要消耗的壓縮功越多，從而導(dǎo)致空壓機消耗的電源功率增加，如圖5（b）所示.

圖6 給出了磨合前后空壓機全工況下性能曲 線（簡稱MAP）對比.可以看到，在電機轉(zhuǎn)速為 3 000 r/min 時，空壓機磨合前后的出口壓力曲線幾乎重合.也就是說，經(jīng)過4 000 h 耐久試驗后，在低轉(zhuǎn)速下該空壓機的出口壓力并未出現(xiàn)明顯衰減.但隨著轉(zhuǎn)速增加，磨合前后空壓機出口壓力曲線間隔增大，表明壓力衰減越來越明顯.圖7 更直觀地展示了全工況范圍空壓機磨合4 000 h 后出口壓力和空氣流量的衰減量.需要說明的是，圖7 實際上是由圖6在相同工況下（流量或壓力）進行差值計算得到的.可以看到，在整個工況范圍內(nèi)，空壓機出口壓力衰減主要受轉(zhuǎn)速影響，隨轉(zhuǎn)速增加而單調(diào)增大.在電機達到額定轉(zhuǎn)速11 000 r/min 時，空壓機出口壓力衰減最大達到6.5 kPa、相對衰減量達到7.5%.原因分析如下：當(dāng)轉(zhuǎn)速為3 000 r/min 時，空壓機出口壓力接近于進氣壓力，空壓機幾乎處于空載狀態(tài)［如圖5（b）中轉(zhuǎn)速為3 000 r/min 時最大電機功率仍低于0.5 kW］，因此空壓機性能退化對低轉(zhuǎn)速空壓機特性影響甚微.而在轉(zhuǎn)速11 000 r/min 時空壓機出口壓力達到最高水平，見圖5（a），且隨著轉(zhuǎn)速增加，空壓機的振動更為強烈，空壓機軸承磨損以及空氣顆粒物沉積等造成的摩擦、泄露、傳熱損失等壓縮過程不可逆損失也增加，各種因素加劇了出口壓力的衰減.空氣流量（負荷）對空壓機出口壓力的衰減影響很小，只有在高轉(zhuǎn)速下（例如10 000 r/min），壓力衰減隨空氣流量變化會出現(xiàn)明顯振蕩.與壓力衰減不同的是，空壓機空氣流量衰減對轉(zhuǎn)速和出口壓力均很敏感，空氣流量衰減隨轉(zhuǎn)速和出口壓力的增加而單調(diào)增大，如圖7（b）所示.在電機達到額定轉(zhuǎn)速11 000 r/min 時，在相同壓力條件下空氣流量衰減最大達到41.2 m3/h、相對衰減量達到29.7%.

圖5 磨合前后空壓機外特性下性能對比Fig.5 Comparison of air compressor performance before and af?ter running in（full load）

圖6 磨合前后不同轉(zhuǎn)速空壓機MAP對比Fig.6 Comparison of air compressor’s MAP under different speeds before and after running in

圖7 全工況范圍空壓機磨合4 000 h性能衰減Fig.7 Performance attenuation of air compressor running in 4 000 hours in whole working condition range

2.2 空壓機性能衰減過程分析

接下來進一步討論空壓機性能衰減過程，探索性能衰減隨磨合時間的變化規(guī)律.如前所述，在整個4 000 h 耐久試驗過程中，每磨合一段時間后進行空壓機性能測試，并重點考慮額定工況點的性能（本文考慮了額定工況點附近三個轉(zhuǎn)速：10 800 r/min、10 900 r/min、11 000 r/min），據(jù)此分析空壓機性能的衰減規(guī)律及其影響因素.圖8（a）-（c）展示了不同磨合時間下空壓機出口壓力的變化規(guī)律.可以看到，隨著磨合時間增加，盡管壓力曲線隨空氣流量變化趨勢一致，但空壓機出口壓力呈整體下降趨勢.換言之，在相同流量 和轉(zhuǎn)速下（工況固定），隨著磨合時間增加，空壓機出口壓力出現(xiàn)明顯衰減，但衰減速度先快后慢.在額定轉(zhuǎn)速附近的三組轉(zhuǎn)速下，空壓機轉(zhuǎn)速越高、流量越小，出口壓力衰減越明顯.在轉(zhuǎn)速11 000 r/min、流量110 m3/h 時，磨合4 000 h 后空壓機出口壓力衰減約6 kPa，與磨合前狀態(tài)相比壓力衰減6%.而在轉(zhuǎn)速10 800 r/min、流量分別為110 m3/h 和160 m3/h 時，空壓機出口壓力分別衰減約5 kPa 和 4 kPa（相對衰減量分別為5.4%和4.8%）.由此可見，空壓機衰減特性不僅受磨合時間影響，還受運行工況影響.

圖8 不同磨合時間下空壓機出口壓力的變化Fig.8 Air compressor outlet pressure at different seating time

為了量化分析空壓機出口壓力和流量隨磨合時間的衰減特性，對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析和數(shù)學(xué)擬合.圖9 展示了幾組典型工況下空壓機出口壓力隨磨合時間的衰減特性.可以看到，在不同工況下，空壓機出口壓力隨磨合時間的衰減特性具有相似性：剛開始時壓力衰減速度很快，這說明空壓機磨合初期更容易出現(xiàn)磨損，導(dǎo)致壓力下降較快，但隨著磨合時間增加（例如磨合1 000 h 后），空壓機出口壓力衰減速度變緩，尤其是在大流量工況下出口壓力隨磨合時間的衰減趨勢不明顯.然而在小流量工況下，出口壓力在磨合3 000 h 后還有一個較為明顯的下降趨勢，最終導(dǎo)致磨合4 000 h 后出口壓力在小流量工況下出現(xiàn)較大衰減，達到6 kPa.這是因為在小流量時，空壓機出口壓力更高（見圖6），因此在經(jīng)歷耐久磨合后由于磨損、泄露、傳熱損失等因素導(dǎo)致的壓力衰減也越大.

圖9 空壓機出口壓力衰減特性Fig.9 Air compressor outlet pressure attenuation characteristics

圖10 展示了幾組典型工況（額定轉(zhuǎn)速11 000 r/min、不同出口壓力）下空壓機的氣體流量隨磨合時間的衰減特性.可以看到，在不同出口壓力下，空壓機出口流量隨磨合時間的衰減規(guī)律具有相似性.與壓力衰減特性不同的是，空氣流量衰減特性曲線幾乎呈近似線性下降趨勢，但是下降幅度因工況而異.在空壓機出口壓力分別為85 kPa、90 kPa、95 kPa 時，磨合4 000 h 后空壓機出口空氣流量衰減分別為28.2 m3/h、37.5 m3/h、42.5 m3/h.也就是說，出口壓力越大，空壓機的空氣流量隨磨合時間的衰減越明顯.由圖8（a）可知，在出口壓力為85 kPa時，空壓機流量接近最大值（180 m3/h），但此時的空氣流量衰減較小（相對衰減百分比更小，只有15.6%）；而在出口壓力為95 kPa 時，盡管此時空壓機原MAP 圖（磨合前）上的最大流量較?。ㄖ挥?43 m3/h），但是經(jīng)歷耐久試驗后流量衰減反而較大（相對衰減百分比更大，達到29.7%）.由此可見，相比壓力衰減而言，空壓機空氣流量衰減對工況更為敏感，這為提高空壓機的可靠性、設(shè)計空壓機耐久性加速試驗提供了有意義的參考.

圖10 空壓機出口流量衰減特性Fig.10 Air compressor outlet flow attenuation characteristics

3 結(jié)論

本文在國內(nèi)首次提出了一種接近真實道路循環(huán)工況的車用燃料電池空壓機耐久測試工況和方法，并開展了4 000 h 耐久試驗.通過對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，得到燃料電池空壓機的性能衰減特性及其影響因素.

1）空壓機經(jīng)歷4 000 h 道路循環(huán)工況磨合試驗后仍可正常運行，但性能出現(xiàn)明顯衰減.在額定轉(zhuǎn)速11 000 r/min 時，空壓機出口壓力衰減最大達到 6.6 kPa、相對衰減量為7.5%；在相同壓力條件下空氣流量衰減最大達到41.2 m3/h、相對衰減量為29.7%.

2）空壓機轉(zhuǎn)速和壓力是空壓機性能衰減特性的主要影響因素.在全工況范圍內(nèi)，空壓機出口壓力衰減主要受轉(zhuǎn)速影響，隨轉(zhuǎn)速增加而單調(diào)增大，受空氣流量的影響較??；空壓機空氣流量衰減對轉(zhuǎn)速和壓力均很敏感，隨轉(zhuǎn)速和壓力的增加而單調(diào)增大.

3）空壓機出口壓力隨磨合時間的衰減速度先快后慢.在磨合初期，空壓機出口壓力衰減速度較快，磨合1 000 h 后衰減速度減緩，尤其是在大流量工況下衰減趨勢不明顯.但在小流量工況下，磨合3 000 h后空壓機出口壓力還有一個較為明顯的下降趨勢.

4）與壓力衰減特性不同的是，空氣流量衰減特性曲線幾乎呈近似線性下降趨勢，但下降幅度因工況而異.出口壓力越大，空壓機空氣流量隨磨合時間的衰減越明顯.總體來說，空壓機空氣流量衰減對工況更為敏感.