Испытание двигателя воздушного компрессора на топливных элементах: Проверка высокоскоростных центробежных вентиляторов для систем топливных элементов PEM

Почему двигатель воздушного компрессора имеет решающее значение для производительности топливных элементов

В протонообменной мембране (ПЕМ) стопка топливных элементов, выходная электрохимическая мощность прямо пропорциональна скорости, с которой кислород достигает катода.. Система подачи воздуха — безмасляный высокоскоростной электрический центробежный компрессор с приводом от двигателя BLDC или PMSM — является единственным компонентом, наиболее ответственным за преобразование наличия водородного топлива в полезную для транспортного средства или стационарную энергию.. Если компрессор подает недостаточный поток воздуха, стек голодает. Если он обеспечивает избыточный поток воздуха при давлении, превышающем необходимое, паразитное энергопотребление снижает эффективность системы ниже целевого значения. Если двигатель или его подшипники загрязняют сжатый воздух парами масла или твердыми частицами., мембрана стека необратимо разрушается.

Электромобили на топливных элементах, такие как водородные грузовики., автобусы, и легковые автомобили, а также стационарные системы резервного питания на топливных элементах и ​​прототипы водородных самолетов., все зависит от точно подобранных двигателей воздушных компрессоров. Квалификация этих двигателей требует протоколов испытаний, выходящих далеко за рамки стандартной практики испытаний двигателей., охватывающий аэродинамические характеристики, пределы загрязнения, долговечность безмасляного подшипника, и тестирование на уровне интеграции с реальными или смоделированными стопками топливных элементов..

Архитектура двигателя воздушного компрессора на топливных элементах

• Диапазон скоростей: Центробежные компрессоры для автомобильных топливных элементов PEM обычно работают со скоростью 60 000–120 000 об/мин., с приводом от высокоскоростного PMSM с аэродинамическими подшипниками, активные магнитные подшипники, или керамические подшипники качения с сухой смазкой.
• Требование отсутствия масла: Мембранные электроды в пакетах PEM очень чувствительны к загрязнению маслом.. Даже следовые количества паров углеводородной смазки, переносимые сжатым воздухом, могут покрыть платиновый катализатор и навсегда снизить выходную мощность батареи.. Компрессор должен быть сертифицирован как безмасляный до уровня, обычно ниже 0.01 мг/м³.
• Степень давления и расход: Компрессоры автомобильных топливных элементов обеспечивают производительность 1,5–3,0:1 перепад давления при массовых расходах 50–200 г/с., рассчитан на накопление энергии от 80 кВт до 400 кВт. КПД в расчетной точке имеет огромное значение, поскольку паразитные потери компрессора составляют 10–15% полной мощности батареи при полной нагрузке..
• Интегрированная электроника привода: Инвертор обычно поставляется в комплекте с двигателем, чтобы минимизировать индуктивность кабеля при высоких частотах переключения., требующие одновременного тестирования двигателя и силовой электроники как системы.

Основные тестовые задания

1. Карта производительности компрессора

Фундаментальные аэродинамические характеристики отображают степень сжатия компрессора в зависимости от скорректированного массового расхода на ряде скорректированных линий скорости.. Испытательный стенд точно контролирует скорость двигателя, в то время как расположенный ниже по потоку дроссельный клапан изменяет противодавление.. Массовый расходомер на входе и прецизионные датчики давления на входе и выходе компрессора записывают полную карту.. Линия перенапряжения и дроссельная линия определяют полезный рабочий диапазон..

Ключевые показатели: Степень сжатия при расчетном расходе, изэнтропический КПД в расчетной точке, запас прочности в процентах, предел расхода на дросселе, комплектность скоростной линии при 60/70/80/90/100% номинальная скорость.

2. КПД двигателя при аэродинамической нагрузке

Двигатель должен быть протестирован в условиях реальной аэродинамической нагрузки., не только против резистивного тормоза. Поскольку крутящий момент компрессора зависит от степени сжатия и расхода., карта эффективности двигателя измеряется одновременно с картой производительности компрессора. Анализатор мощности с точной формой сигнала фиксирует входную электрическую мощность, в то время как термодинамическая выходная мощность компрессора рассчитывается на основе изменения энтальпии на входе и выходе.. Это соотношение дает общую электроаэродинамическую эффективность..

Ключевые показатели: Электрический КПД двигателя в расчетной точке и при запасе по перенапряжению, эффективность на минимальной скорости на холостом ходу топливного элемента, общая эффективность системы от электрического входа до выхода сжатого воздуха.

3. Обнаружение скачков напряжения и остановок

Помпаж компрессора — быстрое изменение направления потока, которое происходит, когда противодавление превышает возможности компрессора, — генерирует импульсы давления высокой амплитуды и реверс осевой тяги, которые могут разрушить аэродинамические подшипники за миллисекунды.. Испытательный стенд характеризует точку возникновения помпажа и проверяет алгоритм управления защитой от перенапряжения.. Датчики измеряют амплитуду и частоту колебаний давления; помпаж обнаруживается как отчетливые акустические характеристики и характеристики давления на характерных частотах 10–200 Гц в зависимости от геометрии компрессора..

Ключевые показатели: Коэффициент начала помпажа на каждой линии скорости, задержка обнаружения перенапряжения в миллисекундах, время восстановления после скачка скорости после защитного повышения скорости, акустическая сигнатура в начале помпажа.

4. Уровень загрязнения масла в подаваемом воздухе

Для безмасляных сертифицированных компрессоров, пробы сжатого воздуха анализируются на общее содержание углеводородов согласно ISO 8573-1 Требования к классу чистоты. Пробы отбираются в нескольких рабочих точках — холодный старт, теплый рейтинг, и термическое вымачивание — для фиксации любых изменений загрязнения в зависимости от температуры.. Фотометры масляного тумана или газохроматографические анализаторы измеряют загрязнение до уровня ниже ppm.. Результаты испытаний становятся частью пакета квалификации совместимости стека..

Ключевые показатели: Общее содержание масляных аэрозолей в мг/м³ при каждом рабочем режиме, количество частиц по ISO 8573-1 Сорт 1, содержание водяного пара на выходе компрессора.

5. Разбег и выбег аэродинамического подшипника

Подшипники с аэродинамическим крылом отрываются (переход от трущегося контакта к полной гидродинамической левитации) с характерной скоростью, называемой скоростью отрыва.. Ниже взлета, происходит износ подшипников. Испытательный стенд измеряет температуру подшипников в зависимости от времени во время разгона и выбега., проверка того, что трогание происходит при частоте вращения ниже 5 000–10 000 об/мин и что продолжительность трения при выбеге находится в пределах срока службы подшипника.. Повторяющиеся циклы холодного запуска моделируют совокупный износ, ожидаемый в течение срока службы автомобиля..

Ключевые показатели: Скорость отрыва в об/мин, пик температуры подшипника на этапе разгона, продолжительность выбега ниже скорости отрыва в каждом стартовом событии, совокупное количество запусков до порога износа подшипника.

6. Управление температурой и охлаждение двигателя

При полной нагрузке компрессора, двигатель рассеивает 1–3 кВт в зависимости от КПД и номинальной мощности.. Охлаждение достигается путем стравливания части сжатого воздуха через корпус двигателя или с помощью специального контура охлаждающей жидкости.. Испытательный стенд измеряет температуру горячих точек обмотки при номинальной нагрузке и проверяет, что охлаждение двигателя не ухудшает чистоту воздушного потока компрессора из-за попадания влаги из утечек в системе охлаждения..

Ключевые показатели: Температура обмотки при номинальной нагрузке для каждой конфигурации охлаждения, процент отбора охлаждающего воздуха от общего расхода компрессора, Термическое сопротивление двигателя при номинальном расходе охлаждающей жидкости.

7. Выносливость при ездовом цикле FCEV

Типичный цикл движения автомобиля на топливных элементах — город с остановками и движениями, круиз по шоссе, и холостой ход топливного элемента — преобразуется в последовательность «скорость-давление-расход» компрессора и воспроизводится в течение сотен или тысяч эквивалентных часов вождения.. Стенд отслеживает динамику эффективности двигателя, изменение температуры подшипника, и карта компрессора меняется со временем. Приемлемые критерии окончания срока службы включают падение эффективности ниже 2% первоначальной стоимости, запас по всплеску сужается ниже определенного минимума, или температура подшипника превышает порог оповещения.

Ключевые показатели: Время работы до порога снижения эффективности, Изменение температуры запуска подшипника в течение срока службы, количество выполненных холодных пусков, сдвиг карты компрессора в конце срока службы по сравнению с началом срока службы.

Конфигурация испытательного стенда для двигателей воздушных компрессоров на топливных элементах

Полная испытательная установка компрессора топливных элементов включает в себя калиброванный входной массовый расходомер кориолисового или термического массового типа., прецизионное измерение давления и температуры на входе и выходе компрессора, задний дроссельный клапан и система контроля давления для стабилизации рабочей точки, многоканальный анализатор мощности с точной формой сигнала для измерения входной мощности двигателя, анализатор загрязнения масла, подключенный к выходу компрессора, и терморегулируемая среда для испытаний на холодный запуск и выдержку при высоких температурах..

Что это означает для выбора испытательного стенда

Испытание воздушного компрессора на топливных элементах требует опыта в области испытаний электродвигателей., турбо-аэродинамика, прецизионное измерение качества воздуха, и интеграция систем топливных элементов — дисциплины, которые редко объединяются у одного поставщика испытаний.. Программа испытаний должна быть скоординирована со спецификациями разработчика системы загрязнения и целевыми показателями эффективности системы производителя транспортного средства.. Если ваша команда разрабатывает или аттестует систему подачи воздуха на топливных элементах, наша команда инженеров может помочь составить программу испытаний, охватывающую характеристики компрессора., КПД двигателя, безмасляная проверка, и долговечность при вашем конкретном соотношении давлений и требованиях к расходу. Поговорите с нашей командой об уровне мощности вашего топливного элемента и диапазоне скоростей компрессора.