Thử nghiệm động cơ máy nén khí pin nhiên liệu: Xác nhận máy thổi ly tâm tốc độ cao cho hệ thống pin nhiên liệu PEM

Tại sao động cơ máy nén khí lại quan trọng đối với hiệu suất của pin nhiên liệu

Trong màng trao đổi proton (PEM) ngăn xếp pin nhiên liệu, Sản lượng điện hóa tỷ lệ thuận với tốc độ oxy đến cực âm. Hệ thống cung cấp không khí—máy nén ly tâm điện tốc độ cao không dầu được điều khiển bởi động cơ BLDC hoặc PMSM—là bộ phận duy nhất chịu trách nhiệm chính trong việc chuyển lượng nhiên liệu hydro sẵn có thành phương tiện sử dụng được hoặc nguồn điện cố định. Nếu máy nén cung cấp luồng không khí không đủ, ngăn xếp chết đói. Nếu nó cung cấp luồng không khí dư thừa ở áp suất cao hơn mức cần thiết, tiêu thụ điện năng ký sinh làm giảm hiệu suất hệ thống dưới mục tiêu. Nếu động cơ hoặc vòng bi của động cơ làm khí nén bị nhiễm hơi dầu hoặc các hạt, màng ngăn xếp xuống cấp không thể phục hồi.

Xe chạy bằng pin nhiên liệu như xe tải hydro, xe buýt, và xe khách, cũng như hệ thống điện dự phòng pin nhiên liệu cố định và nguyên mẫu máy bay hydro, tất cả đều phụ thuộc vào động cơ máy nén khí có đặc tính chính xác. Việc đánh giá các động cơ này đòi hỏi các quy trình kiểm tra nằm ngoài thực hành kiểm tra động cơ tiêu chuẩn, bao gồm hiệu suất khí động học, giới hạn ô nhiễm, độ bền ổ trục không dầu, và thử nghiệm ở mức độ tích hợp với các ngăn pin nhiên liệu thực tế hoặc mô phỏng.

Kiến trúc của động cơ máy nén khí pin nhiên liệu

• Phạm vi tốc độ: Máy nén ly tâm cho pin nhiên liệu PEM ô tô thường hoạt động ở tốc độ 60.000–120.000 vòng/phút, được điều khiển bởi PMSM tốc độ cao với vòng bi lá không khí, vòng bi từ tính hoạt động, hoặc ổ lăn bằng gốm có chất bôi trơn khô.
• Yêu cầu không có dầu: Cụm điện cực màng trong ngăn xếp PEM rất nhạy cảm với ô nhiễm dầu. Ngay cả một lượng nhỏ hơi dầu bôi trơn hydrocarbon được vận chuyển bằng khí nén cũng có thể phủ lên chất xúc tác bạch kim và làm giảm vĩnh viễn công suất phát ra của ống khói.. Máy nén phải được chứng nhận không dầu ở mức thường dưới đây 0.01 mg/m³.
• Tỷ lệ áp suất và lưu lượng: Máy nén pin nhiên liệu ô tô cung cấp 1,5–3,0:1 Tỷ số áp suất với tốc độ dòng chảy khối lượng là 50–200 g/s, có kích thước để xếp nguồn điện từ 80 kW để 400 kW. Hiệu suất tại điểm thiết kế rất quan trọng vì tổn thất ký sinh của máy nén chiếm 10–15% tổng công suất ngăn xếp ở mức đầy tải.
• Điện tử truyền động tích hợp: Biến tần thường được đóng gói cùng với động cơ để giảm thiểu độ tự cảm của cáp ở tần số chuyển mạch cao, yêu cầu thử nghiệm đồng thời động cơ và điện tử công suất như một hệ thống.

Mục kiểm tra cốt lõi

1. Bản đồ hiệu suất máy nén

Đặc tính khí động học cơ bản vẽ biểu đồ tỷ số áp suất của máy nén so với lưu lượng khối lượng đã hiệu chỉnh ở một loạt các đường tốc độ đã hiệu chỉnh.. Bàn thử kiểm soát tốc độ động cơ một cách chính xác trong khi van tiết lưu ở hạ lưu thay đổi áp suất ngược. Đồng hồ đo lưu lượng khối ngược dòng và bộ chuyển đổi áp suất chính xác ở đầu vào và đầu ra của máy nén ghi lại bản đồ hoàn chỉnh. Đường tăng áp và đường cuộn cảm xác định phạm vi hoạt động có thể sử dụng.

Số liệu chính: Tỷ số áp suất ở lưu lượng thiết kế, hiệu suất đẳng entropy tại điểm thiết kế, biên độ tăng đột biến theo phần trăm, giới hạn dòng chảy sặc, sự hoàn thiện của đường tốc độ tại 60/70/80/90/100% tốc độ định mức.

2. Hiệu suất động cơ dưới tải khí động học

Động cơ phải được đặc trưng trong điều kiện tải khí động học thực tế, không chỉ chống lại phanh điện trở. Bởi vì mô-men xoắn của máy nén thay đổi theo tỷ lệ áp suất và lưu lượng, bản đồ hiệu suất của động cơ được đo đồng thời với bản đồ hiệu suất máy nén. Máy phân tích công suất chính xác dạng sóng thu năng lượng điện đầu vào trong khi công suất đầu ra nhiệt động của máy nén được tính toán từ sự thay đổi entanpy đầu vào-đầu ra. Tỷ lệ này mang lại hiệu quả điện khí động học tổng thể.

Số liệu chính: Hiệu suất điện của động cơ ở điểm thiết kế và ở mức đột biến, hiệu suất ở tốc độ tối thiểu khi pin nhiên liệu không hoạt động, tổng hiệu suất hệ thống từ đầu vào điện đến đầu ra khí nén.

3. Phát hiện đột biến và ngừng hoạt động

Sự tăng vọt của máy nén—sự đảo ngược dòng chảy nhanh chóng xảy ra khi áp suất ngược vượt quá khả năng của máy nén—tạo ra các xung áp suất có biên độ cao và sự đảo ngược lực đẩy dọc trục có thể phá hủy các ổ trục lá gió trong một phần nghìn giây. Bàn thử nghiệm mô tả điểm bắt đầu đột biến và xác nhận thuật toán kiểm soát bảo vệ đột biến. Cảm biến đo biên độ và tần số dao động áp suất; đột biến có thể được phát hiện dưới dạng dấu hiệu âm thanh và áp suất riêng biệt ở tần số đặc trưng 10–200 Hz tùy thuộc vào hình dạng máy nén.

Số liệu chính: Tỷ lệ áp suất khởi phát đột biến ở mỗi đường tốc độ, độ trễ phát hiện đột biến tính bằng mili giây, thời gian phục hồi đột biến sau khi tăng tốc độ bảo vệ, chữ ký âm thanh khi bắt đầu đột biến.

4. Mức độ ô nhiễm dầu trong không khí được cung cấp

Đối với máy nén được chứng nhận không dầu, các mẫu khí nén được phân tích về tổng hàm lượng hydrocarbon theo ISO 8573-1 yêu cầu lớp độ tinh khiết. Các mẫu được thu thập tại nhiều điểm vận hành—khởi động nguội, đánh giá ấm áp, và ngâm nhiệt - để nắm bắt bất kỳ sự thay đổi nào về ô nhiễm nhiệt độ. Máy quang kế sương mù dầu hoặc máy phân tích sắc ký khí đo mức độ ô nhiễm ở mức dưới ppm. Kết quả kiểm tra trở thành một phần của gói đánh giá khả năng tương thích ngăn xếp.

Số liệu chính: Tổng hàm lượng sol khí dầu tính bằng mg/m³ ở mỗi điều kiện vận hành, số lượng hạt trên mỗi ISO 8573-1 Lớp học 1, hàm lượng hơi nước ở đầu ra của máy nén.

5. Chạy lên và chạy xuống vòng bi Air Foil

Vòng bi lá không khí nhấc lên — chuyển từ tiếp xúc cọ xát sang bay lên thủy động lực hoàn toàn — ở tốc độ đặc trưng được gọi là tốc độ nâng lên. Dưới mức cất cánh, sự mài mòn vòng bi xảy ra. Bàn thử nghiệm đo nhiệt độ vòng bi theo thời gian trong quá trình chạy lên và xuống dốc, xác minh rằng lực nâng xảy ra dưới 5.000–10.000 vòng/phút và thời gian cọ xát theo đà nằm trong giới hạn tuổi thọ của vòng bi. Chu kỳ khởi động nguội lặp đi lặp lại mô phỏng sự hao mòn tích lũy dự kiến ​​trong suốt vòng đời của xe.

Số liệu chính: Tốc độ nâng hạ tính bằng RPM, đỉnh nhiệt độ vòng bi trong giai đoạn chạy lên, thời gian chạy dọc dưới tốc độ cất cánh cho mỗi sự kiện bắt đầu, bắt đầu tích lũy đến ngưỡng mài mòn vòng bi.

6. Quản lý nhiệt và làm mát động cơ

Ở mức tải máy nén đầy đủ, động cơ tiêu hao 1–3 kW tùy thuộc vào hiệu suất và mức công suất. Việc làm mát đạt được bằng cách xả một phần khí nén qua vỏ động cơ hoặc bằng mạch làm mát chuyên dụng. Bàn thử nghiệm đo nhiệt độ điểm nóng cuộn dây ở tải định mức và xác minh rằng việc làm mát động cơ không làm giảm độ tinh khiết của luồng khí máy nén bằng cách tạo ra hơi ẩm từ rò rỉ hệ thống làm mát.

Số liệu chính: Nhiệt độ cuộn dây ở tải định mức theo từng cấu hình làm mát, Tỷ lệ phần trăm xả khí làm mát trên tổng lưu lượng máy nén, Độ bền nhiệt của động cơ ở tốc độ dòng nước làm mát định mức.

7. Độ bền ở chu kỳ truyền động FCEV

Chu trình lái xe chạy bằng pin nhiên liệu tiêu biểu—dừng và đi trong thành phố, hành trình trên đường cao tốc, và pin nhiên liệu không hoạt động—được chuyển thành chuỗi tốc độ-áp suất-dòng máy nén và được phát lại trong hàng trăm hoặc hàng nghìn giờ lái xe tương đương. Băng ghế giám sát xu hướng hiệu suất động cơ, sự phát triển nhiệt độ vòng bi, và sự thay đổi bản đồ máy nén theo thời gian. Tiêu chí cuối đời được chấp nhận bao gồm hiệu suất giảm xuống dưới 2% có giá trị ban đầu, biên độ đột biến thu hẹp dưới mức tối thiểu được xác định, hoặc nhiệt độ vòng bi vượt quá ngưỡng cảnh báo.

Số liệu chính: Số giờ vận hành đến ngưỡng suy giảm hiệu suất, mang xu hướng tăng nhiệt độ trong suốt cuộc đời, số lần khởi động nguội đã hoàn thành, sự thay đổi bản đồ máy nén khi hết tuổi thọ so với lúc bắt đầu tuổi thọ.

Cấu hình băng ghế thử nghiệm cho động cơ máy nén khí chạy bằng pin nhiên liệu

Cơ sở thử nghiệm máy nén pin nhiên liệu hoàn chỉnh bao gồm đồng hồ đo lưu lượng khối đầu dòng đã hiệu chuẩn của Coriolis hoặc loại khối lượng nhiệt., Đo áp suất và nhiệt độ chính xác ở đầu vào và đầu ra của máy nén, một van tiết lưu ở hạ lưu và hệ thống điều khiển áp suất để ổn định điểm vận hành, máy phân tích công suất đa kênh chính xác dạng sóng để đo đầu vào động cơ, một máy phân tích ô nhiễm dầu được nối thẳng vào đầu ra của máy nén, và môi trường được kiểm soát nhiệt cho các thử nghiệm ngâm khởi động ở nhiệt độ cao và khởi động nguội.

Điều này có ý nghĩa gì đối với việc lựa chọn băng ghế thử nghiệm

Thử nghiệm máy nén khí pin nhiên liệu đòi hỏi phải có kiến ​​thức chuyên môn về thử nghiệm động cơ điện, khí động học turbo, đo lường chất lượng không khí chính xác, và tích hợp hệ thống pin nhiên liệu—các nguyên tắc hiếm khi được kết hợp trong một nhà cung cấp thử nghiệm. Chương trình thử nghiệm phải được phối hợp với các thông số kỹ thuật về ô nhiễm của nhà phát triển ống khói và các mục tiêu hiệu quả hệ thống của OEM phương tiện. Nếu nhóm của bạn đang phát triển hoặc đủ tiêu chuẩn hệ thống cung cấp không khí bằng pin nhiên liệu, nhóm kỹ thuật của chúng tôi có thể giúp xác định phạm vi chương trình thử nghiệm bao gồm đặc tính bản đồ máy nén, hiệu suất động cơ, xác nhận không dầu, và độ bền ở tỷ lệ áp suất và yêu cầu lưu lượng cụ thể của bạn. Nói chuyện với nhóm của chúng tôi về mức năng lượng pin nhiên liệu và phạm vi tốc độ máy nén của bạn.