基于道路循環工況的燃料電池空壓機瞬態性能試驗研究*

鮑歡歡，張 磊，劉 琦，付建勤，王書千，吳 全，劉敬平

（1. 湖南大學先進動力總成技術研究中心，長沙 410082；2. 湖南大學重慶研究院，重慶 401120；3. 廣東廣順新能源科技有限公司，佛山 528216）

前言

隨著石油資源枯竭和環境污染的日益嚴重，機動車排放法規愈發嚴格，世界各國汽車行業也因此經歷巨大的變革。“雙碳”政策的推行，更是有效推動了新能源汽車的發展。其中，尤以氫燃料電池汽車得到了廣泛的關注。氫燃料電池汽車以氫燃料電池作為動力輸出源，不同于常規電動汽車，其工作原理為利用電極反應將氫和氧的化學能直接轉化為電能，進而驅動車輛行駛。氫燃料電池同時兼具了內燃機和鋰離子電池的優點，續駛里程長、加氫時間短、零排放且高效率等，因而被認為是一種潛力巨大的能源利用方式。空壓機是燃料電池系統核心部件之一，其主要作用是為燃料電池系統提供足量的壓縮空氣，以保障燃料電池系統的穩定運行，由于汽車行駛工況復雜多變，空壓機的空氣流量和壓比也不斷變化，因此空壓機的動態工作特性直接決定了燃料電池系統的工作性能及效率。

目前，針對燃料電池空壓機的工作特性，國內外專家學者已經開展了大量相關研究工作。馬明俊等開展了離心式空壓機氣動設計與性能試驗研究，分析了葉輪葉型設計對空壓機流動損失與氣動效率的影響。Liu 等分析了結構參數對空壓機的性能影響，發現隨著葉頂間隙增加，空壓機出口流速的均勻性變差，流動損失增加，進而導致空壓機效率降低。趙冬冬等研究了飛機燃料電池用空壓機的壓力、流量、轉速和高度之間的非線性耦合關系，采用動態模型分析了隨著高度變化時空壓機流量、壓力和轉速的動態特性。Chen等搭建了空壓機空氣動力學性能仿真模型并開展了空壓機系統穩定性分析，研究表明，在恒定轉速下，隨著氣閥開度降低至特定值，空壓機發生失穩，而氣閥開度一定時，空壓機失穩現象發生于轉速降低至某特定值的工況。Wan等發現離心式空壓機搭載于燃料電池上時主要工作區域處于低流量系數和高水頭系數的狹長區域，并對空壓機設計策略進行改進研究，結果表明，新的設計策略有效改善了空壓機在低流量區域的運行特性，提高了燃料電池系統的工作效率。

綜上，空壓機的性能受結構參數、運行參數和環境等因素的影響，從而影響燃料電池系統的整體工作性能。但目前的研究大都局限于空壓機的穩態運行特性。另一方面，空壓機在動態變載工況條件下性能劇烈變化，其瞬態運行特性對空壓機與燃料電池系統的匹配和性能優化尤為重要。Han等開發了一種可預測喘振的空壓機非線性動態模型，并引入一種模型參考自適應控制算法以避免燃料電池系統在動態變載工況下發生喘振，結果表明，自適應控制對喘振控制的響應優于反饋控制，空氣流量恢復穩定時間縮短約2.5 s。Zhao 等基于內點法利用狀態方程構建了空壓機半經驗模型，并應用于一臺10 kW 燃料電池模型中。仿真結果表明，基于負載轉矩控制空氣流量的動態前饋控制器可消除瞬態工況下空壓機負載產生的干擾，同時在動態變載工況下能保證空壓機和燃料電池高效運行。Liu 等針對某重型燃料電池車空氣供給系統建立了半機械半經驗模型，并耦合一種離心式空壓機復合前饋PID 控制策略。結果表明，在電堆電流躍變過程，所提出的控制策略可將空壓機轉速和空氣流量的動態響應時間由4-5 s縮短至1-2 s。Jin等通過仿真研究了變脈譜空壓機的性能特性，結果表明，所設計的空壓機峰值效率達到77%，且喘振裕度增加了28.1%～42.7%。

目前國內外相關企業和科研機構對于燃料電池空壓機的瞬態性能研究多集中于空壓機代理模型與控制策略開發，鮮有基于真實道路循環工況對空壓機性能參數變化規律與動態響應特性進行系統分析和總結。為了解決上述問題，本文中針對一款自主開發并已量產的燃料電池用空壓機開展了道路循環工況下的瞬態循環測試，并選取其中單次測試循環的試驗數據進行統計分析，得到燃料電池空壓機瞬態工作特性與影響因素，為燃料電池用空壓機匹配和性能優化提供重要參考。

1 空壓機瞬態循環測試

1.1 試驗對象

本研究選用某國產自主研發的量產型30 kW 燃料電池用單級離心式空壓機，是當前中低功率級燃料電池發動機的主流產品之一（目前已裝車近1 000臺），其幾何結構如圖1 所示。空壓機主要技術參數如表1 所示。值得注意的是，由于本文所選取的空壓機為機械增速單級離心式，因此空壓機的實際轉速為電機轉速與增速比的乘積，即空壓機的實際轉速為電機轉速的12.7 倍。由于試驗直接測試的是電機轉速，因此以電機轉速進行討論。

圖1 燃料電池空壓機幾何結構

表1 空壓機技術參數

1.2 試驗工況

由于燃料電池用空壓機壽命與耐久測試技術尚不成熟，缺乏權威的測試標準，因此本文中提出一種基于真實道路循環的空壓機壽命測試工況，以分析在道路循環工況下空壓機的瞬態工作特性，并用于對空壓機壽命和性能衰減做出準確評估。通過與國內燃料電池汽車與系統廠商等多方合作，采集燃料電池汽車實際道路循環工況特征，推算道路行駛工況下燃料電池系統的功率需求，并結合燃料電池過量空氣比獲取空壓機的需求供氣量，從而構建了燃料電池空壓機壽命測試工況譜，如圖2所示。

從圖2 中可以看到，該測試工況譜持續時間約為4 100 s，包括了城市工況（0- 2 100 s）、坡道復合工況（2 100-2 630 s）、高速工況（2 630-3 970 s）和停機冷卻工況（3 970-4 100 s）等工況的疊加，全面覆蓋了燃料電池汽車常規行駛的工況特征，能夠充分反映空壓機在道路行駛工況下的工作特性。

圖2 空壓機壽命試驗工況譜

1.3 試驗過程

為了開展燃料電池空壓機壽命測試，搭建了燃料電池空壓機試驗臺，試驗場景如圖3 所示。其中，空壓機臺架試驗原理如圖4 所示。試驗臺架中采用了自主開發的基于嵌入式架構高頻、多通道數據采集與分析系統軟硬件，以及具有高容錯性的高速數據采集、傳輸、儲存和監控軟硬軟件，用于避免高速控制信號與采集傳輸信號耦合失真和數據處理滯后帶來的測量延誤。試驗臺可測試的參數覆蓋空壓機全工況范圍內的性能、運行和控制參數。

圖3 燃料電池空壓機臺架試驗場景

圖4 空壓機臺架試驗原理示意

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譜開展了燃料電池空壓機瞬態循環測試。試驗過程中，通過調節空壓機驅動電機轉速以實現空壓機轉速等差增長，同時通過調節空壓機氣閥開度改變其出口流量，使空壓機按照圖2 所示測試循環工況運行。測試過程中，試驗臺通過瞬態壓力和流量等傳感器實時采集并記錄不同時刻的空壓機性能、運行與控制參數。

2 試驗結果與分析

2.1 空壓機瞬態性能變化特性

從圖2 可以看出，在整個瞬態測試循環工況中，轉速和流量的變化趨勢基本保持一致。隨著行駛工況由城市工況向高速工況轉移，燃料電池空氣需求量增加，因此在高速工況下空壓機的轉速和流量均有所上升。在城市工況區域，空壓機電機轉速主要集中于3 600-7 500 r/min，而高速工況則主要集中于9 900-10 200 r/min。坡道復合工況主要是模擬車輛在坡道行駛的情況，需要較大的功率輸出，因此空壓機工作區域也位于相對較高的轉速區域，即6 500-10 000 r/min。

空壓機在與燃料電池系統匹配時通常要求工作點分布于高效率工作區間內，同時應當避免發生喘振、堵塞等不穩定現象。圖5 所示為空壓機單次瞬態循環的性能測試結果與穩態外特性脈譜圖對比，其中紅色散點為基于圖2 壽命工況譜進行單次循環試驗獲得的空壓機運行工況點。可以發現，空壓機在道路循環工況下的運行工況主要分布于穩態性能脈譜圖的中間窄帶部分，處于較高效率的工作區間，同時也避免了喘振和堵塞等不穩定現象的發生。此外，瞬態循環工況下空壓機最大運行轉速為10 200 r/min，距離最大工作轉速區域仍具有一定距離，保留了一定的性能裕度。

圖5 空壓機瞬態性能與穩態性能對比

圖6所示為瞬態循環測試工況下空壓機進出口流量對比。由圖6（a）可以看出在整個瞬態循環工況下，入口流量與出口流量變化趨勢幾乎一致。隨著轉速增加，進出口流量的差值隨之變大。圖6（b）更直觀地展示了瞬態循環工況下進出口流量差值的變化趨勢，顯然空壓機進出口流量差波動更為劇烈。在城市工況區域，空壓機進出口流量差大多在6 m/h 以下，而在坡道復合工況和高速工況區域，空壓機進出口流量差主要介于3.5-8.5 m/h 之間。造成這種差異的主要原因是隨著空壓機轉速和流量增加，空壓機出口溫度變高，從而導致出口氣體密度下降，體積流量上升。從圖7（a）中可以看出，空壓機進出口壓比（出口與進口壓力之比）的變化趨勢與圖2 中轉速和流量的變化趨勢基本保持一致，高速區域壓比最高可達1.72，而在怠速工況壓比只有1.08，此時空壓機僅維持較低限度的空氣供給電堆維持系統穩定運行。圖7（b）展示了空壓機進出口溫度之比隨時間的變化。圖中溫度比為空壓機進出口氣體溫度單位轉化為開氏溫度后計算獲得。溫度比的變化趨勢顯然不同于轉速和流量的變化趨勢，但整體上仍呈現出城市工況區域溫度比較低（最大值為1.11）而高速區域溫度比較高（最高達1.22）的趨勢。這主要是因為坡道復合區域和高速區域空壓機轉速高、流量大從而導致壓縮氣體溫度升高所致。結合圖7（a）和圖7（b）發現溫度比整體低于壓比，且溫度比變化趨勢緩慢。由理想氣體狀態方程可知，對于壓縮過程，在相同質量流量下，壓力上升較快，溫度上升較慢，則會導致密度下降，從而形成圖6（a）中流量的差異。而在高轉速大流量區域，壓比增長率較高，溫度比增長率較低，從而導致高速大流量區域的密度變化更大，使得在高速區域入口流量與出口流量之差增大。

圖6 空壓機進出口流量對比

圖7 空壓機壓比和溫度比

圖8展示了空壓機在瞬態工況下的出口壓力和出口溫度。可以看到，圖8 中壓力和溫度的變化趨勢與圖7 完全一致，這主要是由于試驗過程中進氣口處溫度和壓力通常保持在恒定工況。由圖8 可以看出，空壓機出口氣壓與空壓機轉速和流量保持一致的變化趨勢，且高速區域的出口氣壓最高達到70 kPa，而城市路況由于工況多變，出口氣壓多數低于40 kPa。此外，結合圖8 和圖6（a）可以發現，在高速工況最大運行轉速區域，流量的波動相比壓力波動更加劇烈，這主要是由于空壓機溫度變化并未完全跟隨轉速和流量變化所致。從圖8 可以看出，當空壓機剛開始運轉時，空壓機出口溫度逐漸上升，在城市工況區域由于供氣需求較低，空壓機主要在中低流量區域運轉，最大出口溫度僅為53 ℃，而隨著車輛爬坡和高速行駛所需的供氣量需求上升，空壓機高速運轉，壓后溫度也隨之快速上升，最大可達88 ℃，因此出口氣體需經過中冷后再供給燃料電池系統。此外，壓后氣體溫度變化特性與壓力特性存在明顯的不同之處為：壓力的峰值幾乎與轉速和流量的峰值所對應時刻一致，而溫度峰值的變化存在明顯的滯后，甚至空壓機轉速和流量提升的時刻，溫度處于波谷。例如在高速工況處，出口氣壓上升，而出口氣溫反而先降低至70 ℃隨后再上升。在城市工況區域，出口氣溫同樣存在滯后性，先是緩慢上升至最高53 ℃，隨后緩慢降低，并沒有跟隨空壓機轉速和流量的瞬變而表現出快速響應。造成這種變化趨勢的主要原因是溫度較低的空氣流入空壓機過程中會被溫度較高的部件加熱，即空壓機出口溫度不僅受空壓機運行參數的影響，同時還受空壓機內部傳熱的影響，進而導致空壓機出口溫度變化未完全跟隨轉速和流量變化。因此，在制定空壓機中冷控制策略時應當綜合考慮空壓機內部傳熱及運行工況變化對壓后溫度的影響。

圖8 空壓機出口氣壓和溫度

圖9所示為在瞬態循環測試工況下電機驅動空壓機運轉所消耗的電源功率。由圖可知，電源功率的變化趨勢與空壓機轉速和流量的變化情況基本一致，最大功率消耗達到5.6 kW。相對于所匹配的30 kW 燃料電池系統而言，高速工況下空壓機運轉會造成較大的寄生功耗，即空壓機消耗的功率占燃料電池功率的18.7%，限制了燃料電池系統的能量轉換效率。

圖9 空壓機電源功率

2.2 空壓機瞬態響應性能分析

車輛行駛過程中經常需要發生急加速或者急減速等工況，因此空壓機能否及時供給足量的空氣對于燃料電池汽車的駕駛性能有較大的影響，因此接下來進一步對空壓機在瞬態工況下的響應性能進行分析。圖10（a）～圖10（c）分別展示了城市工況、坡道復合工況和高速工況下空壓機的轉速和流量隨時間的變化。其中，城市工況和高速工況由于分別包含多個重復工況的疊加，因此只選取其中一段進行分析，分別為0-670 s和2 630-2 820 s兩段。

圖10 空壓機轉速和流量特性

由前文所述可知，在整個循環工況中，出口流量能夠較好地跟隨轉速的變化，適應車輛頻繁的加減速工況需求。由圖中黑色直線標注可以發現，空壓機轉速上升時，出口流量也隨之立即上升，且出口流量的峰值點所對應的時刻幾乎與轉速的峰值點保持一致，即在急加速工況下，本文所研究的空壓機能夠在燃料電池汽車急加速工況下提供充足的空氣供給，保障其加速性能。然而在急減速工況，空壓機轉速快速降低，而出口流量的降低出現了一定的遲滯。

為了更直觀地分析減速工況下空壓機的遲滯特性，分別在城市工況、坡道復合工況和高速工況中截取有代表性的一段進行分析，如圖11（a）和圖11（b）所示。可以看到，當轉速變化幅度較低時，空壓機出口氣流遲滯性并不明顯。而在圖11（b）中第2 600-2 615 s 階段，轉速由9 750 快速降低至4 450 r/min，而空壓機流量則是滯后了約2 s才開始快速下降，且在轉速達到4 450 r/min 并保持不變時，空壓機流量仍存在下降的趨勢，由56.6 繼續降低至51.7 m/h。類似地，從圖11（c）中可以看出，當空壓機轉速快速降低至穩定值時，空壓機流量降低過程也存在短暫的滯后。這主要是因為當空壓機由高速快速降低至低速時，運行工況跨度大，且由高效率運行區轉移至低效區（圖5 左下角區域），工況突變造成空壓機運行存在不穩定從而導致流量出現遲滯，這可能會導致行駛過程中控制器仍按設定的過氧比運行，未能及時減少氫氣供給導致車輛減載遲滯、影響整車實際運行性能，因此在燃料電池系統控制策略制定過程中應當予以充分考慮。而當空壓機由低速快速升至高速時（如圖10（c）中黑線間區域），此時空壓機流量在低速時未出現遲滯，主要是因為在空壓機增速前有一段低速穩定區域，此時空壓機工況接近于穩態，運行相對穩定。

圖11 空壓機減速響應特性

3 結論

本文中構建了一種接近真實道路循環工況的車用燃料電池空壓機瞬態測試循環，并基于此針對一臺機械增速型離心式燃料電池空壓機開展了瞬態性能試驗，分析了空壓機的瞬態性能變化特性及其瞬時響應特性，得到如下結論。

（1）空壓機在瞬態測試循環下的工況點主要分布于穩態性能脈譜圖的中間窄帶部分，處于較高效率工作區間，避免了喘振和堵塞等不穩定現象發生，且保留了一定的性能裕度。

（2）空壓機進出口流量之差隨轉速上升而增大，在城市工況流量差值大多在6 m/h 以下，而在坡道復合工況和高速工況區域時，空壓機進出口流量差基本介于3.5-8.5 m/h之間。

（3）空壓機瞬態工況下出口壓力、電源功率與轉速和流量的變化規律基本一致，而出口溫度并未完全跟隨轉速和流量的變化，且溫度變化存在一定的遲滯性，溫度峰值對應時刻通常滯后于轉速的峰值時刻。

（4）空壓機轉速增加及緩慢減小時，流量變化并未呈現出明顯的遲滯，而當轉速由9 750快速降低至4 450 r/min 時，流量變化出現了2 s 的遲滯，且當轉速達到穩定值時，流量仍在降低，由56.6 繼續降低至51.7 m/h。