（机械电子工程专业论文）燃料电池空压机测试平台及供气系统的控制策略研究.pdf

摘要 摘要 燃料电池能量转换效率高，无污染，是一种新型的再生能源，其应用前景十 分广阔，尤其是作为车辆的未来驱动动力源。空压机供气系统作为燃料电池的重 要组成部分，为其提供必须的反应气体之一空气，保障燃料电池顺利工作。本论 文对燃料电池空气供应系统进行系统的研究，主要是针对其关键部件空气压缩机 的研究：设计和实现了空气压缩机系统的测试平台，以及在此基础上对其供气系 统进彳瞬态控制研究，通过该测试平台，为对燃料电池用空压机的进一步研究提 供实验依据。全文共分五章： 第一章首先扼要叙述了燃料电池系统的原理及应用前景，然后介绍了燃料电 池用空压机的国内外研究现状及发展趋势，以及空压机测控技术的发展概况，指 出进行本课题研究的重要意义，最后说明了本课题研究的主要内容。 第二章阐述了燃料电池用空压机测试系统的整体概况，包括建立该台架的目 的，主要测试对象，测试项目，以及主要测试技术、方法等。在此着重对测试项 目及相关测试技术、方法进行着重阐述，并提出解决方案。 第三章详细描述了燃料电池空气压缩机自动化测试台架的软、硬件实现，包 括该测试平台的管道设计，硬件控制系统设计，下位机p l c 程序设计，触摸屏程 序设计，变频控制器串口通信程序设计，上位机数据分析、显示软件的设计等。 为进。步进行空压机性能及相关控制策略分析提供一个实验平台。 第四章通过对单螺杆空压机的实验研究，分析该空压机的性能，以及在不同 的喷水条件下对空压机性能的影响，为空压机优化设计提供实验依据。 第五章对空压机供气系统瞬态控制进行研究，包括瞬态响应，压力、流量复 合控制方式以及该系统的简单模型，最后通过p i d 控制及模糊控制对该供气系统 进行恒压控制，提供切实可行的控制策略。 第六章对课题内容的总结并进一步展望。 关键字：空气供应系统，空压机，测试平台，瞬态控制，p i d 控制，模糊控制 a b s t r a c t a b s t r a c t f u e lc e l l sc o u l dp o t e n t i a l l yr e p l a c et h ei n t e r n a ic o m b u s t i o ne n g i n ea n dm a n y o t h e re n e r g yg e n e r a t i o nd e v i c e su s e dt o d a y r e d u c e de m i s s i o n so f g r e e n h o u s eg a s e sa n di n c r e a s e de f f i c i e n c ya r et w oo ft h em a j o rr e a s o n st h a t f u e lc e l l sa r eb e i n gs e r i o u s l yr e s e a r c h e da sar e p l a c e m e n tt ot h ei n t e r n a l c o m b u s t i o ne n g i n ea i rs u p p l ys y s t e mw i t hac o m p r e s s o ri sa ni m p o r l a n t s e c t i o no ff u e ic e l ls y s t e m a n do f f e r st h ea i rf o rf u e ic e l it ow o r kn o r m a l l ym y t h e s i sm a i n l yr e s e a r c ht h ea i rc o m p r e s s o ri nt h ea i rs u p p l ys y s t e mf o rf u e lc e l l i n c l u d i n gb u i l d i n g t h et e s t i n gb e n c ho fa i rc o m p r e s s o r ，t r a n s i e n tc o n t r o l r e s e a r c ho fa i rs u p p l ys y s t e ma n da i rc o m p r e s s o rp e r f o r m a n c ea n a l y s i sb a s e d o ne x p e r i m e n t t h ew h o l et h e s i sc o n s i s t so ff o u rs e c t i o n s ： c h a p t e ro n ef i r s tb r i e f l ys t a t e st h et h e o r ya n da p p l i c a t i o no ff u l ec e l l ，t h e n i n t r o d u c e sl h er e s e a r c hs i t u a t i o na n dd i r e c t i o na n dd e v e l o p i n g h i s t or yo f t e s t i n gt e c h n o l o g yo fa i rc o m p r e s s o rf o rf u e lc e l l ，i ti sp o i n t e do u tw h ym y t h e s i si sd o n e i nt h ee n d t h i sc h a p t e rs h o w st h es u b j e c t so fm a i nr e s e a r c h w o r k c h a p t e rt w oi n t r o d u c e st h ew h o l ef i g u r eo fa i rc o m p r e s s o rt e s t i n gb e n c h ， i n c l u d i n gt e s t i n go b j e c t t e s t i n gi t e m sa n dt e s t i n gt e c h n o l o g y e s p e c i a l l yt h e t e s t i n gi t e m sa n dt e s t i n gm e t h o d sa r ed e s c r i b e di nd e t a i l i nc h a p t e rt h r e e ，a na u t o m a t i o nt e s t i n gb e n c hi sd e v e l o p e df o ri n v e s t i g a t i n g t h ea i r c o m p r e s s o rf o r f u e i c e l l i n c l u d i n g t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e d e v e l o p m e n t t h e r ea r ep i p l ed e s i g no ft e s t i n gb e n c h ，e l e c t r i c a lc o n t r o ls y s t e m d e s i g n ，p l cp r o g r a m ，t o u c h s c r e e nd e s i g n ，s e r i a lc o m m u n i c a t i o np r o g r a m w i t hv a r i a b l ef r e q u e n c yc o n t r o l l e ra n ds o f t w a r ed e v e l o p m e n tw i t ha n a l y s i sa n d d i s p l a yo fa c q u i r e dd a t a i np c i tp r o v i d e sa ne x p e r i m e n tp l a t f o r mf o r i m p r o v i n ga n do p t i m i z i n g t h e p e r f o r m a n c ea n dt r a n s i e n tc o n t r o l o fa i r c o m p r e s s o rf o rf u e lc e l l c h a p t e rf o u rm a i n l y r e s e a r c h st h ea i r c o m p r e s s o rp e d o r m a n c ea n d i n f l u e n c eo fd i f f e r e n tw a t e rs p r a y e do na i rc o m p r e s s o r c h a p t e rf i v es t a t e st h el r a n s i e n tc o n t r o lo fa i rs u p p l ys y s t e mf o rf u e lc e l l i n c l u d i n gt r a n s i e n tr e s p o n s e c o m p l e xc o n t r o im e t h o d so fp r e s s u r ea n df l o w a n ds i m p l em o d e lo fa i rs u p p l ys y s t e m 1 nl h ee n d p i dc o n t r o la n df u z z y c o n t r o ia r ee x p e r i m e n t e dt of i n dar i g h ts y s t e mc o n t r o l c h a p t e rs i xi st h ec o n c l u s i o na n de x p e c t a t i o no fm yt h e s i s k e yw o r d ：a i rs u p p l ys y s t e m ；c o m p r e s s o r ；t e s t i n gb e n c h ；t r a n s i e n tc o n t r o f u z z yc o n t r o l ；p i dc o n t r o l 第一章绪论 第一章绪论 近二三十年来，各国的汽车使用量不断增加，汽车排出尾气对城市环境的污 染已经成为不可忽视的问题；同时一次能源如石油、天然气等矿物能源储量有限， 难以作为永久性能源。在这样严峻的形势下，人们迫切需要不依赖于不可再生资 源，无污染的新能源来为车辆提供未来的驱动动力源。燃料电池由于具有能量转 换效率高、对环境几乎无污染等优点而有可能实现可持续发展，成为主要动力来 源之一。美国矿物能源部长助理克两格尔说：“燃料电池技术在2 l 世纪卜半叶 在技术卜的冲击影响，会类似于2 0 世纪上半叶内燃机所起的作用”。福特汽车公 司主管p n g v 经理鲍伯默尔称，燃料电池必会给汽车动力带来一场革命，燃料电 池是唯一同时兼备无污染、高效率、适用广、无噪声，具有连续工作和积木化的 动力装置。预期燃料电池会在国防和民用的电力、汽车、通信等多领域发挥重要 作用“- 。 1 1 燃料电池系统 1 1 1 原理及组成 燃料电池是一种通过化学反应将氢能转换成为电能的装置。其工作原理为所 需燃料( 氢气或通过甲烷、天然气、煤气、甲醇、乙醇、汽油等石化燃料或生物 能源重整制取) 和氧化剂( 通常是氧气) 在催化剂的作用下发生化学反应，产生电 流、水和热量，该电流经过稳压，整流等一系列处理之后可以驱动各种电动设备， 从而加以利用。依据电解质的不同，燃料电池分为碱性燃料电池( a f c ) 、磷酸型 燃料电池( p a f c ) 、熔融碳酸盐燃料电池( m c f c ) 、固体氧化物燃料电池( s o f c ) 及质子交换膜燃料电池( p e m f c ) 等“”“。各应用范围如图1 1 所示。 主要应用 便携式电子设备 汽车、电动车、船等 电站、公共汽车等 功率( w ) l1 01 0 01 k1 0 k1 0 0 kl ml o m 各种 a c fm c f c 燃料电池 s o f c p e m f c 应用范围 1pafc 图i - 1 各类燃料电池应用 其中质子交换膜燃料电池除具有燃料电池一般特点( 如能量转化效率高、无 污染等) 外，还具有可在室温下快速启动、无电解液流失、水易排出、寿命长、 第章绪论 比功率与比能量高等突出特点，所以特别适于作为移动动力源，是电动汽车的理 想候选电源之一“1 。因此被广泛研究，目前世界上研究燃料电池规模较大的1 1 0 家公司中就有6 6 ”3 从事质子交换膜燃料电池的开发，技术也相对比较成熟。 p e m f c 其主要原理如下图1 2 所示，燃料氢气由阳极( a n o d e ) 进入燃料电 池，在铂等催化剂的作用下，变成两个日和两个电子，其中电子通过外面负载 电路回到电池的阴极( c a t h o d e ) ，从而产生电流；而质子则通过质子交换膜( 不允 许电子通过) 达到阴极。同时通入的0 2 在燃料电池的阴极通过催化剂形成两个氧 原子，每个氧原子都有很强的负电荷，这个负电荷吸引两分子的h ，形成一分 子的水，同时产生热量。所以只要向燃料电池不断供给燃料( 氢) 和氧化剂( 氧气) ， 就会不断地产生直流电。 f l o wf i e l d 心 - 。墅s u a i l e 1 e c t o l y t e 黧 司 霾4匡 圈- ：；圆 f l o wf i e l d 2 e 心o 图卜2 燃料电池蟓理 一般来说单片的燃料电池是没有实际用处的，由于其产生的电压或是电流非 常微小，不足以满足实际应用的需要，因此需将单片的燃料电池串联起来，并同 时提供反应物使之同时进行，形成燃料电池栈。比如说p e m f c 每片只能产生 1 o v 1 1 v 左右的电压，接负载一般o 5 v 左右，当1 0 0 片连在一起形成电池栈 就能产生5 0 v 1 1 0 v 左右范围的电压，从而满足实际应用的需要。 由于燃料电池要求氢气( 燃料) 和氧气( 氧化剂) ，需要在一定的条件下( 如温 度、湿度等) 反应，因此还需要其他子系统以便保障燃料电池能正常工作。如下 图卜3 是p e m f c 燃料电池系统图，主要包括空气供应系统、燃料储存和供应系 统、冷却系统、电能输送系统等。当栈内反应气体压力增加时，燃料电池热效率 也会增加；因此为了提高燃料电池反应效率，需要配套的空气供应系统和氢气供 应系统分别为燃料电池提供潮湿的压缩氧气和潮湿的压缩氢气，其中空气供应系 统核心部件是空气压缩机，这是本课题研究的主要内容，在后续章节中将详细介 绍；氢气供应系统则是研究如何储备高压氢气的问题。潮湿化反应气体是为了防 止由于燃料电池栈内部湿度不够而导致其物理材料的永久性损坏。另外增加反应 温度也町以使燃料电池的效率捉高，但是燃料电池设备一般被限制到定温度 ( 1 0 0 左右) 范围，再高就会受到损坏；根据反应原理燃料电池本身在反应过程 第一章绪论 中会产生大量的热，阁此需要冷却系统以控制燃料电池栈内温度。由于燃料电池 的输出功率跟效率不成正比，当燃料电池的输出功率较小或是特别大时其效率也 不高，因此单纯应用燃料电池直接输出是不现实的，必须采用混合驱动的方式将 燃料电池与其它储能元件结合起来，进行控制，使其工作效率比较高，这是电能 输送系统所必需完成的_ l 作。反应气体的流向如图中箭头所示。 1 2 2 特点及应用 图1 _ 3 燃料电池系统结构 根据以上燃料电池系统的原理，可得出燃料电池具有以下特点。 1 能量转换效率高。由于反应过程中不涉及燃烧，而是直接转化成电能， 因此其能量转换过程不受“卡诺循环”的限制，理论上可以达到8 3 的能量转换 效率。因此，燃料电池能量转换效率比热机和发电机能量转换效率高得多。目前 汽轮机或柴油机的效率最大值为4 0 5 0 ，当用热机带动发电机时，其效率仅为 3 5 4 0 ，而燃料电池的有效能效可达6 0 7 0 ，其理论能量转换效率可达9 0 。 其他物理电池，如温差电池效率为1 0 ，太阳能电池效率为2 0 ，均无法与燃 料电池相比“。 2 污染小、噪声低，燃料电池作为大、中型发电装置使用时其突出的优点 是减少污染排放。对于氢燃料电池而言，发电后的产物只有水，可实现零污染。 另外，由于燃料电池无热机活塞引擎等机械传动部分，故操作环境无噪声污染。 3 高度可靠性、自由性和部分负载效率高。燃料电池发电装置由单个电池 堆叠至所需规模的电池组构成，可自由组合，产生所需的电能。由于这种电池组 是模块结构，因而维修十分方便。另外，当燃料电池的负载有变动时，它会很快 响应，故无论处于额定功率以上过载运行或低于额定功率运行，它都能承受且效 率变化不大。这种优良性能使燃料电池在用电高峰时可作为调节的储能电池使 用。 第一章绪论 4 适用能力强，具有燃料的多样性，燃料电池可以使用多种多样的初级燃 料，如天然气、煤气、甲醇、乙醇、汽油；也可使用发电厂不宜使用的低质燃料， 如褐煤、废木、废纸，甚至城市垃圾，但需经专门装置对它们重整制取。 由于燃料电池具有以上一些优点，特别适合应用于车辆系统。尤其是质子交 换膜燃料电池的出现，解决了燃料电池在汽车动力成本和技术方面存在的若干问 题，使燃料电池电动车的开发和使用成为可能。目前几乎所有的汽车生产者都在 研究燃料电池技术，通用、福特、戴克、本田和丰田汽车公司处于领先地位。其 中b a l l a r d 的全资予公司x c e l l s i s 已经和戴克一起在2 0 0 2 年末将装备燃料电池的 3 0 台奔驰大客车推向市场了。戴克还说，近几年他们将批量生产几百台a 级轿 车作为服务行业用车，用于客户使用试验。福特和通用也有类似的计划。戴克总 裁施伦普先生说，到2 0 2 0 年全世界有2 0 的轿车将装备燃料电池动力源“。 在国内，中国科学院曾启动4 5 0 0 万元投人燃料电池发动机的研发工作巾。由 中科院组织、中科院大连化学物理所牵头的“九五”燃料电池技术重点项目，经 过3 年攻关，在质子交换膜、熔融碳酸盐、固体氧化物三种燃料电池方面都取得 突破性进展，质子交换膜燃料电池已建立整套生产体系，组装了第一台轻型试用 客车；项目组计划在2 0 0 5 年完成燃料电池汽车技术平台，2 0 0 8 年奥运会时用上自 行研发的燃料电池大巴“。 当然，燃料电池也可建立中型电站和移动电源。被用于发电，提供住宅区电 力的需要，如美m p l u gp o w e r 公司2 0 0 1 年向市场推广一种家电燃料电池，功率 7 0 0 0 w ，价格5 0 0 0 美元，可供给2 8 0 m 2 住宅采暖等用电。而且更小的燃料电池被 ， ：发去代替便携式设备的电池，如笔记本电脑的备用电池，手机的电板等，在同 等重量下，燃料电池系统的体积大约比目前的电池要小两倍左右，在同等体积下， 其供电能力可能要比一般电池长十倍左右。因此燃料电池系统被称为未来最有希 望的主要动力之一。 1 2 燃料电池空压机国内外发展综述 空气压缩机的研究已经经历了相当长的时期，产生了多种不同类型和原理的 压缩机，基本上满足了工业应用的需要。空气压缩机根据压缩气体方式的不同， 有容积式和动力式；根据改变气体容积方式的不同，可分为往复式压缩机和回转 压缩机；根据转子结构特点的不同，可分为螺杆式、滚动转子式、滑片式和涡旋 式。具体可参考下图1 - 4 。 4 第一章绪论 i 冬i 卜4 空气乐缩机类型 与此同时，随着近几年来车载燃料电池的兴起，为空气压缩提供了更f “阔的 应用前景。但是对其各种性能( 尤其是在效率、质量、体积、可靠性、噪声等方 面) 也提出了更高的要求。燃料电池中的压缩机实际上是拓宽了普通压缩机的使 用范围，全新的应用对象对压缩机的性能研究、结构设计和加工工艺提出许多更 为严格的要求，受到世界各国的广泛研究。 1 往复式压缩机 往复式压缩机历史悠久，制造简单，目前还是一种应用广泛的基本机型。具 有压力范围，热效率高；但体积比较庞大，排气不稳定。世界各国正在采用现 代化技术( 例如c a d 、c a m 等) 进一步挖掘潜力、降低成本。当前对于住复式压 缩机仍应在工作过程模拟与测试，结构优化设计，以及变额调速技术等方面进行 深入研究”。美国v a i r e x 公司，致力于该方面研究，其研制的变排量的活塞式 压缩机”“，第二代样机体积大于4 8 公升，质量大于2 7 k g ( 以上均不包括电机) ， 在3 个标准大气压( 表压) 下，提供1 2 5 s ，具有优异的性能。 2 滑片式压缩机 滑片式压缩机其滑片可采用石墨等自润滑材料制成，故无需添加任何润滑 剂，可保证压缩气体的洁净、干燥。具有结构简单、 排气稳定的优点，比较适合与低压场合，但由于滑片 与转子、气缸之间有很大摩擦，产生较大能量损失， 因此效率比较低，比同参数的螺杆式压缩机要低很多。 当前，除了对滑片周围润滑特性的数学模拟进行研究 以外，应用于汽车冷气装置，有吸气口形状经过改进 的制冷量自调式压缩机的系列研究和液体压缩特性研 图卜5v p _ 2 5 0 外观 究。美国d y n e c o 公司主要设计叶片式结构的空气压缩机，主要代表产品为 1 2 0 8 5u n i v a n e 。，其特点在于几乎无摩擦设计，非接触式密封和耐磨损的轴承， 代表着世界较高水平。美国v a i r e x 公司也对叶片式燃料电池压缩机作了相关的 第一章绪论 研究”，产品的相关图片见图1 5 ，v p 一2 5 0 ( 包括电机) 整体尺寸为4 0 0 * 2 5 0 * 2 5 0 ( n l n l ) ，质量为2 0 k g ，转速在5 0 0 0 r p m 时，在2 5 标准大气压的压力下提供9 0 9 s 宁气流量的压缩机空气，大约消耗9 k w 的能量。 3 螺杆式压缩机 具有结构紧凑、零部件数少、无易损件、体积小、重量轻、排气稳定、可靠 性好等优点。可分为双螺杆压缩机和单螺杆压缩机，其中单螺杆压缩机由于结构 更简单，力平衡性好，作为燃料电池 用空气压缩机的首选。目前主要研究 动向是不喷水和喷水参数对机器性 能的影响、转子型线的开发、进一步 降噪及提高效率，以及排气孔口开设 的形状和部位等。瑞士的o p c o n a u t o r o t o r a b 公司以双螺杆压缩机 的基本机理制造了燃料电池的空气 图卜6o p c o na u t o r o t o r a b 的螺杆压缩机 压缩机，以其o a l 0 5 0 压缩机为例，每转排量0 5 升，外形尺寸2 3 2 * 9 2 * 1 3 5 ( m m ) ， 最高转速1 8 0 0 0 r p m ，最大流量8 3 m 3 m i n ，质量4 8 千克，使用永磁材料的同步直 流电机直接驱动”“。g a l e nwk u l p 在2 0 0 1 年对o p c o n 压, 缩机进行了燃料电池系 统应用测试”，结果表明该种压缩机具有宽广的压力变化区间和在燃料电池低负 载工作时提供优异的水平衡特性，同时也发现了o a l 0 5 0 压缩机具有工作时的噪 声比较大和需要有供油润滑轴承的缺点。西安交通大学压缩机研究所在“十五” 8 6 3 计划“电动汽车重大专项”中的“燃料电池发动机”课题中，研制了可以应 用于燃料电池的l g 3 0 0 型无油螺杆空气压缩机”。其样机转速为3 0 0 0 r p m 时，排 气量为5 m 3 m i n 。浙江大学流体传动与控制国家重点实验室对燃料电池用空气压 缩机作了数年的研究。研制了一系列基于螺杆结构的空气压缩机，排气量在 3 6 m 3 m i n ，转速在3 0 0 0 转左右，排气压力为2 个标准大气压( 表压) 。 4 涡旋式压缩机 涡旋式压缩机的工作原理是通过运动涡 旋盘和固定涡旋盘的配合，产生工作容积的 往复变化，使空气进行压缩，图1 7 是涡旋式 压缩机的结构示意。由于涡旋式压缩机的压 缩过程主要通过动、静涡旋盘之间的挤压来 实现气体的压缩过程，所以减少了由于运动 部件啮合所产生的噪声。涡旋式压缩机因其 性能优异和运转平稳而受到人们重视，近年 来，一直是研究的热门课题。如何降低制造 图卜7 涡旋式压缩机结构 第一章绪论 成本，提高机器性能，将计算机技术全面引入涡旋式压缩机的设计开发和制造巾 是该研究工作的首位。这包括谋求涡盘的简便制造方法，提高效率，减少涡盘运 动的机械损失，减少发生在涡盘处的气体泄漏，进行几何参数及涡旋盘型线的优 化，气量调节方式的研究，工作过程计算机模拟软件的开发等研究方面”“。西安 交通大学对无油涡旋压缩机在燃料电池系统中的应用有过研究。，其样机转速在 5 0 0 0 r p m 时，排气量为1 0 0 m 3 h ( 1 6 6 m 3 m i n ) 。美国s c r o l l 公司主要设计涡旋结构 的燃料电池空气压缩机，截至到2 0 0 0 年，完成了两代的样机的设计和制造”， 第一代样机用于2 8 k w 的燃料电池，在2 2 标准大气压( 表压) 压力下提供4 2 e c s 的排气量。第二代样机实现满足5 0 k w 燃料电池的需求，提供了7 6 9 s 的排气量， 体积为2 7 公升，质量为3 6 k g ( 不包括电机) 。随后研制了涡轮和涡旋混合结构的 空气压缩机”。样机在3 2 标准大气压( 绝对压力) 下，提供7 6 s 的排气量，体 积为9 公升，质量为1 2 k g ，功耗5 1 k w 。 5 涡轮式压缩机 涡轮式压缩机，属于离心式的压缩机。其增压原理是通过高速叶轮将能量传 递给空气，使气体获得非常高的速度，然后使用扩压管降低气体的流速，增大气 体的压力。该种压缩机具有非常高的效率，通常可以达到7 5 以上。“，同时在高 速电机的支持下，可以提供小体积下提供相当的流量。因为具有这些优点，涡轮 式压缩机被部分研究人员认为是未来燃料电池空气压缩机的发展方向。但是目前 涡轮式压缩机也还存在一些问题制约着其实际应用： ( a ) 外观图( b ) 内部结构 图卜8h o n e y w e l l 的透平压缩机 1 ) 转子轴承的可靠性。由于涡轮式压缩机的转速非常高，通常可以达到 1 0 ，0 0 0 r p m ，在这样高转速的工况下，普通的轴承将产生大量的热量，同时也会 带来润滑，冷却，维护等一系列问题。所以需要应用一些新型无摩擦的轴承，如： 空气轴承，这些类型的轴承本身还存在许多问题需要被进一步的研究解决。 2 ) 大工作范围的适应性。由于汽车工况的相当多的时间处于低负荷的条件 下，比如，汽车的慢速运行，这样压缩机的出气量也应该相应的减小，降低功耗。 第一章绪论 而涡轮式压缩机由于喘振现象的存在，不能在保持比较恒定的输出压力的情况 下，提供比较小的流量。 美国h o n e y w e l l 公司设计了用于燃料电池的涡轮压缩机。2 3 。样机最大转 数为1 1o k , - p m ，排气量7 6 s ，排气压力大约在2 2 5 标准大气压( 表压) 左右。 其质量小于8 2 公斤，体积为9 9 公升。但是在整机的可靠性，无故障运行时间 以及小流量供气等方面还存在一些问题。 从以上目前世界各国相对具有代表性研究的分析中，可以得到以下一些车载 燃料电池空气压缩机发展趋势： 1 ) 普遍采用直接轴连的高转速无刷直流电机 采用高速电机可以实现压缩机系统的小型化：车辆系统要求空气压缩机具 有非常小的体积和质量，例如，中国科技部要求5 0 k w 的燃料电池空气压缩机( 包 括驱动电机，膨胀器) 的质量不大于5 0 k g ，而能够提供满足流量的普通工业压 缩机的质量般在2 0 0 k g 以上，体积、质量上的要求使得空气压缩机必须缩小尺 寸，从而引起了排量的减小，为了保持要求的流量，采用高转速的电机也就成为 了必然的选择。同时，无刷直流电机相对于其他类型驱动电机，本身也具有体积 小，重量轻的优点。通过改变电机转速实现流量调节，在系统设计上可以省去 复杂的变速机构。 2 ) 旋转容积式压缩机和涡轮式压缩机成为研究重点 上面提到的多种空压机属于旋转容积式的有双螺杆，涡旋式，叶片式，这些 压缩机通过压缩封闭基元容积中的空气体积来实现压力增加，他们都具有内压缩 机过程，可以在大流量调节范围内为燃料电池提供比较稳定压力的压缩气体。 涡轮式压缩机通过加速气体使其具有一定的动能，然后通过扩压管来实现气 体的增压。这种类型的压缩机效率比较高，在高速电机( 1 0 0 ，0 0 0 r p m ) 的支持下， 可以提供大流量的气体。 除此之外，其他的一些压缩机结构，如活塞式压缩机等，也曾经被列入燃料 电池用空气压缩机的候选名单，但是经过一段时间的试研制之后，因为原始设计 中的缺陷，被研究机构放弃。 涡轮机压缩机在正常工作段中的效率非常高，但在低速条件下会发生喘振现 象，会造成压缩机的损坏，为了避免这种现象的发生，就必然会提高系统在低功 耗条件下的能量损耗，造成系统整体效率的下降。而旋转容积式压缩机这一特性 非常好，可以在当转速变换非常大的时候，保持比较恒定的压力比， 但是如果 考虑车辆的实际运行情况，双螺杆压缩机应当比涡轮式压缩机更具效率。 此外，文献中“”还提到在产生的噪声方面，涡轮式压缩机要低于双螺杆结构。 所以这两大类压缩机都各具特点，需要人们对其弱点进行研究并加以克服， 从而满足燃料电池的需要。 第一章绪论 3 ) 追求高的空间利用率 在相同体积的压缩机中，提高空间利用率可以增大基元容积的大小，在较高 转速的驱动下，可以获得明显的流量增益。上文中t i v m 结构的设计正是从这个 考虑出发，从而在低转速( 5 0 0 0 r p m ) 下获得了相同体积涡轮压缩机( 1 0 0 ，0 0 0 r p m ) 的流量，另一方面，从实用的角度来看，低转速的电机相对于高转速的电机更具 可靠性和可维护性。 1 3 燃料电池空压机测控技术的发展及研究现状” 测控系统的功能就是：采集数据、对采集的数据进行分析处理、然后将处理 的结果输出，其结构如图卜9 所示。测控系统的发展就是围绕这三部分的功能而 不断演进的。 旧采集h 数糌h 出l 图卜9 测控系统组成 从测控系统的发展来看，测控系统的概念是由测试仪器生产厂家首先提出来 的，他们在传统测试系统的基础上增加控制功能构成了测控系统。这样构成的测 控系统其控制功能主要是保障测试的，整体结构继承了传统测试系统的特点。测 试系统的发展在过去一直是以仪器为中心的，早期的测控系统由功能单一的模拟 仪表构成，各个仪表只能完成一定的数据测量和显示功能，而数据的采集、分析 和处理需要人工完成。这时的测控系统只有检测的功能，仅能完成数据采集的一 部分工作。 随着数字电子技术的出现，逐渐出现了数字化的检测设备，它可以将检测的 数据保存起来，供人们进行数据分析和计算。这时的测试仪表功能比较复杂，可 以实现多项数据采集和处理的任务，实现了真正意义上的数据采集自动化。但是 由这类仪表构成的测控系统，功能更趋向固定和专用性，而灵活性较差。微型计 算机逐步成熟和小型化，使得检测仪器向智能化发展，智能检测仪器可以实现更 为复杂的测试工作，可以进行多参量的检测和数据处理，输出检测结果。智能检 测仪器开始具备通过专用仪器总线交换数据的能力，多个仪器问可以交换数据。 能够构成较为复杂的测控系统。智能检测仪器单台的功能变得更加强大，多种功 能集于一身，可以适应多种测控要求。但是智能检测仪表属于封闭式系统，它的 软件保存在r o m 中，用户无法根据需要对其进行修改，其功能己由仪器生产厂家 确定下来，用户只能在其提供的功能中进行选择。另一方面，其通信总线难与其 他网络相连，从而不能实现数据共享。智能检测仪表常用于实现专用的测试系统。 9 0 年代以来，随着计算机技术的不断发展，基于计算机技术的虚拟仪器技术 第一章绪论 应运而生。虚拟仪器系统以计算机为硬件平台，采用各类仪器总线为传输介质， 充分利用各种插号式数据采集板( d a q ) 。采用软件技术，实现适应广泛用途的 测控系统。虚拟仪器系统的概念是测控系统的抽象，虚拟仪器系统概念的提出不 仅推进了以仪器为基础的测控系统的改造，同时也影响了以数据采集为主的测控 系统的传统构造方法的进化。 从测控系统的发展可以看出，计算机技术与测试技术相结合，测控仪器进入 智能化时代，使采用误差修正的高精度测量、实时测量和自动测量成为可能。从 而形成了两种设计思想：一是以测控技术为核心进行仪器设计，根据测试的需 要采用一个或多个微处理器来完成仪器的测量控制、数据采集、数据处理和图 形显示等功能；二是以通用p c 为基础，增加测试功能、数字接口和控制接口，充 分利用计算机的图形显示、数据处理、外设接口和软件等功能，通常仪器用户界 面就是计算机界面，女n w i n d o w s 等。其中，第一种设计思想发展方向为智能化仪 器，第：二种设计思想是近几年的最新发展。“。 就目前而看，测控系统逐步采用个人计算机作为系统平台，利用网络通信技 术进行数据的传输和交换，以软件为核心，通过软件实现绝大部分的功能，利用 软件技术保证系统的灵活性、可扩展性和开放性，采用模块化结构，使系统易于 重构。由于计算机技术和网络技术的广泛应用，测量与控制功能相互结合，具有 良好的灵活性、可扩充性和适应性的测控系统成为未来发展的方向。 国外八十年代开始研制压缩机的自动测控系统，国内测控技术起步较晚，但 发展迅速，目前，国内，以计算机组成的自动控制系统被广泛应用于各种设备性 能测试，取得较满意效果。如西安交通大学研制的制冷压缩机测试台高精度测试 系统。 1 4 课题的提出及主要研究内容 1 4 1 课题的提出 由以上可知，燃料电池具有低排放和高效率，是一种新兴再生能源，能够潜 在代替内燃机引擎和许多其他的能量产生设备，其应用前景十分广阔。空气压缩 机是燃料电池空气供应系统最关键部件，为燃料电池提供氧化剂的作用o “。燃料 电池相关研究表明：质子交换膜燃料电池( p e m f c ) 燃料和氧化剂在较高的压力 卜进行反应有两个主要优势“：随着氧分压得增加，在相同电流密度下，染料 电池电压升高，这意味着提高了其功率密度，从而有效地减小燃料电池的体积： 提高反应压力对燃料电池内部水热管理有明显改进，由于在低压情况下，水含 量增加，减缓燃料电池的电化学反应，过多的水被排放出去，水平衡就有可能被 打破。 1 0 第一章绪论 但是提高燃料电池入口气体的压力是以消耗燃料电池的输出能量作为前提 的，燃料电池在定的供气条件下产生p 。的功率，其中p 。m p 被用以驱动供气 系统，其实际能够对外输出的能量只有净功率p n o u l = p g o u t - p 。o 。研究材料表明， 在7 5 k w 的燃料电池中，如果入口空气的压力被提高到3 a t m 时，其将消耗2 0 电堆的输出功率，这足以使供气系统成为燃料电池系统最大寄生能源消费部件， 此外，供气系统还将在本已不太宽敞的汽车内部占据+ 定的空间，提高了车辆的 负载。 由此可见，空气压缩机性能的优劣直接影响到燃料电池系统的性能，因此， 需要对空气压缩机系统进行系统研究，进行大量的测试工作，以掌握描述其特性 的各种参数。压缩机的性能参数包括指示功率、轴功率、排气量、比功率等，为 了更准确、全面地描述压缩机的工作情况，需要实时地测试一些参数如压力、温 度、流量、转速等。尤其是压力，需要对压缩机密闭压缩气体进行瞬时测量，这 就使得被测参数不断增多，测试的动态速度和精度要求也不断提高。传统的需要 人工直接参与的方法已经难以满足现代化测试精度高、测点多、实时性高、结果 显示和报表形式多样的需求。尤其是在进行测试时，还需要对整个系统进行故障 诊断，进行工况的自动调节，更是传统测试手段所无法比拟的。 随着测控技术的发展，建立一个高精度空压机测控系统，为空压机的改进设 计、理论分析及控制策略分析等提供可靠的实验依据和测试手段，使其各项性能 向着高效率，轻质量，小体积，高可靠性，低噪声等方向发展。它克服了传统的 测试系统不能同时进行多个动态参数的数据采集的缺陷，不但对压缩机内部多参 数的动态测试具有重要的实用价值，而且能为其他领域的更为复杂的测试提供良 好的测试手段。这不仅能大大推动燃料电池( 尤其是车载燃料电池) 的发展，而且 对压缩机行业也将产生深远影响。因此，具有重要的学术价值和社会意义。 1 4 2 论文的主要研究内容 本课题主要任务就是搭建燃料电池用空压机测控平台，并在此基础上对空压 机性能及负载跟随控制策略进行研究。进行的工作包括以下内容： 1 通过分析燃料电池用空压机测试项目及相关测试技术，设计和实现了空 压机性能测试实验硬件平台，包括台架、管路及控制系统设计。 2 在该实验平台的基础上进行测控软件编写，完成对整个系统的测试及控 制。包括使用v c 编写了基于w i n d o w s 的实时数据采集、曲线显示及报表生成 软件，使用梯形图对p l c 进行编程，根据变频控制器通讯协议，编写串口通讯 控件，以及触摸屏程序编写等。 3 使用该测试平台对单螺杆喷水空气压缩机进行试验，分析该空压机性能 参数，及不同的喷水条件下对空压机性能的影响，为其设计和优化提供实验依 第一章绪论 据。 4 研究空压机供应系统的瞬态控制，主要是对该系统地出口压力及流量进 行复合控制，对该模型进行简单研究，通过实验分析p i d 控制与模糊控制，寻 找最优控制策略。 第二章空压机测试平台整体概述 2 1 概述 第二章空压机测试平台整体概述 根据目前空压机测控技术，为了能够更加精确地分析和优化压缩机性能，本 论文采用三菱a 系列p l c 及其触摸屏、科比变频控制器和工控机等底层微处理 器与p c 机相结合的方式来完成对该空压机系统的全面测控，即保证高可靠性， 又能满足复杂数据分析、处理的需要。该平台实现了对该压缩机进行各项性能指 标测试，如电机转速、输出功率、排量等，以及废气回收、控制策略研究等不同 试验进行的需要。概括来说该测试平台主要目的是：测试空气压缩机的各项主 要性能指标：为空压机数学模型的建立提供必要的边界条件和初始条件及模型 的验证；通过理论分析和试验相结合，进行优化设计，进一步提高空气压缩机 的性能。目前，此平台具有： 1 ) 合理的台架设计，放置空压机台架与测试台架相分离，并采用标准的管路接 口，便于压缩机的固定、装卸、台架的维修及不同空压机的测试。 2 ) 对压力、温度等实验数据自动采集、分析、处理能力，根据不同的试验提供 相关性能报表。 3 ) 窄气压缩机各项性能指标测试：比如排量、轴功、容积效率、p v 图、噪音 等，设计合理的测试方案并符合国家测试标准。 4 1 提供不同的喷水条件，包括冷、暖供水及流量调节。 5 1 供应不同压力、温度、湿度的压缩空气：研究用于试验各种控制策略a 6 1 通过卜下位机控制，使各项试验容易进行，提供故障诊断、保护，可靠性高。 2 2 测试对象研究 2 2 1 燃料电池空气压缩机的选择 本课题的主要内容是为车载燃料电池提供能满足其要求的空气压缩机( 包括 压缩机本体、膨胀器、驱动电机和控制器) 。根据车载燃料电池的特点，本课题 对空气压缩机要求如下； 工作环境：2 0 8 5 0 c ，表压o 0 9 0 0 i1 m p a ； 密封形式( 防水) ；润滑形式( 全无油) ； 排气温度( 7 5 0 c ) ：进气温度( 4 5 0 c ) ； 产气量( 干空气) lo o g s e c 4 6 5 m 3 s ( 对于净输出5 0 k w 燃料电池发动机) 第二章空压机测试平台整体概述 1 5 9 5g s e c 7 4 4 m 3 s ( 对于净输出l o o k w 燃料电池发动机) 出口压力f 绝对压力) ：o 3 0 m p a o 3 2 m p a ； 电机功率( 在规定的排气量与出l j 压力条件下) ： 对于净输出5 0 k w 燃料电池发动机，不超过1 2 k w 对于净输出1 0 0 k w 燃料电池发动机，不超过2 0 k w 整机重量： 对于净输出5 0 k w 燃料电池发动机，包括电机驱动器及膨胀器，不 超过5 0 k g ； 对于净输出1 0 0 k w 燃料电池发动机，包括电机驱动器及膨胀器，不 超过8 0 k g ； 整机噪声：7 5 d b ； 不难看出，燃料电池对空压机的要求比较高，一般只需要提供比较低的出口 压力，但需要比较火的空气流量，高能量转换效率，以及严格的质量、体积和整 机噪音等的控制。 就目前空压机类型来看，以螺杆压缩机，涡旋式压缩机和涡轮压缩机最为适 合。“。它们具有结构紧凑、零部件数少、无易损件、体积小、重量轻、趣好的力 平衡性能以及运行可靠性好等优点。与其他压缩机相比，起动力矩小去掉了吸气 阀，没有了明显的吸气波动，增加了平稳性。尤其是涡轮式压缩机其转速可达上 万转，因此效率是最高的，通常高达7 5 以上，是其他压缩机所无法比拟的，被 认为是最适合于做燃料电池用的空气压缩机。但其由于在高速下运行，因此对转 子的要求比较高，而且在低速条件下易发生喘振现象，导致系统的损坏，这与燃 料电池系统经常运行在非满载情况下，要求低速运行的空压机相矛盾，因此离实 际广泛应用还有一段距离。本课题选用单螺杆压缩机作为试验对象。 2 2 2 单螺杆空气压缩机 单嫘杆压缩机源于6 0 年代法国人z i m m e m 的设想“，他于1 9 6 2 年制造出了 第一台单螺杆压缩机的样机，并申请了相关专利。单螺杆压缩机基本机构由螺杆 和卤轮组成，根据不同的外形和相对位置构成各种结构的单螺杆压缩机，晟常用 有4 种组合，c p , p p , c c 及p c 。目前，从加工和制造的角度出发，通常选择c p 型结构，该种结构如图2 1 所示，在螺杆两边对称放置两个星轮，这样在螺杆的 一次回转周期内，完成两次压缩，使基元容积增加了两倍，并使螺杆径向受力得 以平衡。单螺杆压缩机的基本优点为紧凑