燃料電池發(fā)動機(jī)用離心式空氣壓縮機(jī)試驗(yàn)方法編制說明

燃料電池發(fā)動機(jī)用離心式空氣壓縮機(jī)試驗(yàn)方法 編制說明一、工作簡況1.1 任務(wù)來源燃料電池發(fā)動機(jī)用離心式空氣壓縮機(jī)試驗(yàn)方法團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)是由中國汽車工程 學(xué)會批準(zhǔn)立項(xiàng)。項(xiàng)目任務(wù)編號為：2018-11。本標(biāo)準(zhǔn)由中國汽車工程學(xué)會汽車測試 技術(shù)分會提出，中國汽車技術(shù)研究中心有限公司、勢加透博(上海)能源科技有限 公司、廣東廣順新能源科技有限公司、深圳市氫藍(lán)時(shí)代動力科技有限公司、北京新 能源汽車股份有限公司、北京新能源汽車技術(shù)創(chuàng)新中心聯(lián)合起草。1.2 編制背景與目標(biāo)燃料電池電動汽車的能量轉(zhuǎn)換裝置燃料電池發(fā)動機(jī)利用氫氣和氧氣發(fā)生反應(yīng)生 成電、水、熱。其中反應(yīng)所需要的氧氣來自環(huán)境大氣，只要燃料電池發(fā)動機(jī)開始工 作，就需要空氣源源不斷輸送到燃料電池中。為了保證足夠的氧氣供應(yīng)，就必須提 供過量的空氣，同時(shí)要求把空氣進(jìn)行壓縮來產(chǎn)生一定的壓力，一方面把新鮮的空氣 及時(shí)送到極板處供給化學(xué)反應(yīng)，另一方面需要把反應(yīng)產(chǎn)生的水和廢氣輸送出去。這 個(gè)產(chǎn)生適當(dāng)高壓的空氣的裝置就是空氣壓縮機(jī)。簡單說燃料電池發(fā)動機(jī)是燃料電池 電動汽車的核心動力部分，而燃料電池發(fā)動機(jī)的工作離不開空壓機(jī)供應(yīng)壓縮空氣， 壓縮機(jī)的性能直接影響著燃料電池發(fā)動機(jī)的效率、動態(tài)性能、噪聲等關(guān)鍵性能指 標(biāo)，從而間接影響汽車性能，其主要工作要求如下：(1)無油。因?yàn)闈櫥碗S著空氣進(jìn)入燃料電池堆中，會使得催化劑發(fā)生中 毒，從而影響燃料電池壽命和性能。(2)高效。由于空壓機(jī)自身功耗較大，有些占到燃料電池發(fā)動機(jī)功率20流右，這就直接影響燃料電池系統(tǒng)的整體性能。(3)小型化和低成本。在汽車上安裝，空壓機(jī)的小型化和低成本是燃料電池 電動汽車產(chǎn)業(yè)化的必然要求。(4)低噪聲?？諌簷C(jī)是燃料電池電動汽車的最大噪聲源，高速時(shí)噪聲較大， 且離心式空壓機(jī)的轉(zhuǎn)速高達(dá)10萬rpm以上。(5)離心式空壓機(jī)的喘振線在小流量區(qū)。這是燃料電池系統(tǒng)在小流量、高壓比工況下高效運(yùn)行的基本保障。(6)動態(tài)性能好。汽車對動力需求變化加大，空氣流量和壓力能夠快速跟蹤 需求功率的變化，這就要求空壓機(jī)的轉(zhuǎn)速超高。從具體應(yīng)用來看，燃料電池發(fā)動機(jī)用空氣壓縮機(jī)明顯不同于傳統(tǒng)汽車使用的空 氣壓縮機(jī)，倒是跟柴油機(jī)的渦輪增壓器非常相似。特殊的要求決定了其性能測試方 法跟傳統(tǒng)空壓機(jī)的不同。目前，傳統(tǒng)汽車和發(fā)動機(jī)使用的空壓機(jī)和增壓器的相關(guān)性 能測試標(biāo)準(zhǔn)主要有：GB/T 4980-2003容積式壓縮機(jī)噪聲測定、GB/T 1859往復(fù) 式內(nèi)燃機(jī) 輻射的空氣噪聲測量 工程法及簡易法、GB/T 23341.1渦輪增壓器 第 1部分：一般技術(shù)條件、GB/T 23341.2渦輪增壓器 第2部分：試驗(yàn)方法、QC/T 29078汽車用空氣壓縮機(jī)性能要求及臺架試驗(yàn)方法等，都不適用燃料電池發(fā)動機(jī)用空壓機(jī)的性能測試。國內(nèi)外關(guān)于燃料電池發(fā)動機(jī)空壓機(jī)標(biāo)準(zhǔn)也比較缺乏，目前只有中國汽車工業(yè)協(xié) 會發(fā)布的一個(gè)團(tuán)標(biāo)T/CAAMTB 14-2019燃料電池電動車用空氣壓縮機(jī)試驗(yàn)方法。 T/CAAMTB 14-2019勺內(nèi)容針對燃料電池用空壓機(jī)給出了通用試驗(yàn)方法，對目前常用 的螺桿式和離心式空壓機(jī)都能適用。正因?yàn)?T/CAAMT團(tuán)標(biāo)需要兼顧這兩類空壓機(jī)的 測試，就對一些不能共用的試驗(yàn)方法沒有給出，可以說測試內(nèi)容不夠全面和具體。由于離心式空壓機(jī)是當(dāng)前的技術(shù)主流和發(fā)展趨勢，針對這種現(xiàn)狀，有必要對燃 料電池發(fā)動機(jī)用離心式空氣壓縮機(jī)試驗(yàn)方法進(jìn)行研究，形成適合專用產(chǎn)品測試的標(biāo) 準(zhǔn)方法。1.3主要工作過程本標(biāo)準(zhǔn)于2018年7月正式立項(xiàng)，期間由于該團(tuán)標(biāo)負(fù)責(zé)人更換的原因，直到 2019年8月重新起動標(biāo)準(zhǔn)的制訂工作。2019年8月到10月，項(xiàng)目組對國內(nèi)相關(guān)專業(yè)廠家進(jìn)行了調(diào)研，主要有福建雪 人集團(tuán)、勢加透博(上海)能源科技有限公司、勢加透博潔凈動力如皋有限公司、 廣東廣順新能源科技有限公司、北京伯肯新能源設(shè)備有限公司、深圳市氫藍(lán)時(shí)代動 力科技有限公司、北京新能源汽車股份有限公司、上汽前瞻技術(shù)研究部、北京新能 源汽車技術(shù)創(chuàng)新中心等。通過對調(diào)研結(jié)果的分析，確定了離心式空壓機(jī)試驗(yàn)方法作 為團(tuán)標(biāo)具體研究方向，起草了標(biāo)準(zhǔn)草案，并聯(lián)合部分單位成立了團(tuán)標(biāo)工作組。2019年11月6日在天津召開了團(tuán)標(biāo)起動討論會，會議上中國汽車技術(shù)研究中 心有限公司對標(biāo)準(zhǔn)思路和內(nèi)容框架進(jìn)行了介紹，參會人員對標(biāo)準(zhǔn)的測試主要測試內(nèi)容進(jìn)行了討論，期間對草案內(nèi)容記性了討論，確定了具體分工，并且安排勢加透博 公司對測試方法進(jìn)行驗(yàn)證。在驗(yàn)證測試的基礎(chǔ)上，2020年1月10日在項(xiàng)目組又在江蘇如皋召開討論會， 針對這一階段的試驗(yàn)驗(yàn)證取得結(jié)果進(jìn)行分析。通過對標(biāo)準(zhǔn)的測試細(xì)節(jié)及試驗(yàn)方法進(jìn) 行了充分的討論和交流，初步完成了標(biāo)準(zhǔn)草案的制定，勢加透博公司繼續(xù)對提出的 額問題進(jìn)行驗(yàn)證。其后由于疫情影響，項(xiàng)目組小范圍內(nèi)多次進(jìn)行網(wǎng)上討論。在2020年4月17日的討論會上，確定由牽頭單位對標(biāo)準(zhǔn)草案內(nèi)容進(jìn)行進(jìn)一步細(xì)化修改。此后中汽中心 內(nèi)部技術(shù)人員組織了兩次專題討論會，對該標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容進(jìn)行了進(jìn)一步完善，并初步定 稿。二、標(biāo)準(zhǔn)編制原則和主要內(nèi)容2.1 標(biāo)準(zhǔn)制定原則在充分總結(jié)和比較了國內(nèi)外車用空氣壓縮機(jī)測試方法的基礎(chǔ)上，對空壓機(jī)用驅(qū) 動電機(jī)、泵頭、變速裝置、控制器等進(jìn)行了技術(shù)分析，參考了 GB/T 4980-2003容 積式壓縮機(jī)噪聲測定、GB/T 1859往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)輻射的空氣噪聲測量工程法及 簡易法、GB/T 23341.1渦輪增壓器 第1部分：一般技術(shù)條件、GB/T 23341.2渦輪增壓器 第2部分：試驗(yàn)方法、QC/T 29078汽車用空氣壓縮機(jī)性能要求及臺 架試驗(yàn)方法、GB/T 18488.1-2015電動汽車用驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng) 第1部分：技術(shù)條件、 GB/T 18488.2-2015電動汽車用驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng) 第2部分：試驗(yàn)方法對本標(biāo)準(zhǔn)中 有關(guān)內(nèi)容進(jìn)行了初步編寫。本標(biāo)準(zhǔn)對驅(qū)動電機(jī)及其控制器的測試方法主要以電動汽 車用驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)的測試方法為準(zhǔn)，基本按照能用則直接采用的原則，而對噪聲、 動態(tài)響應(yīng)、EMC工作特性測試則進(jìn)行了詳細(xì)的測試或者比較分析，對具體的測試方 法方面做了較明確的規(guī)定，并通過對實(shí)際測試對標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容進(jìn)行了調(diào)整及驗(yàn)證，以 確保測試方法的準(zhǔn)確性和可行性。2.1.1 通用性原則本標(biāo)準(zhǔn)提出的燃料電池發(fā)動機(jī)用空氣壓縮機(jī)試驗(yàn)方法，針對性高壓電機(jī)驅(qū)動的 離心式超高速空氣壓縮機(jī)，基于多次討論和試驗(yàn)驗(yàn)證，適用性好，通用性高。2.1.2 指導(dǎo)性原則本標(biāo)準(zhǔn)提出的方法能為國內(nèi)燃料電池用離心式空壓機(jī)的性能測試提供指導(dǎo)作用。 克服了傳統(tǒng)空壓機(jī)試驗(yàn)方法的不適用性，以及現(xiàn)有團(tuán)標(biāo)的在某些方法的缺失，對空 壓機(jī)動態(tài)響應(yīng)、特性測試方法進(jìn)行了明確規(guī)定，用以引導(dǎo)專用空壓機(jī)的測試。2.1.3 協(xié)調(diào)性原則由于燃料電池汽車用離心式空壓機(jī)的特殊性，目前國內(nèi)外還缺乏針對性強(qiáng)的此 類標(biāo)準(zhǔn)的測試方法，本標(biāo)準(zhǔn)提出的方法與目前使用的國家標(biāo)準(zhǔn)中的方法協(xié)調(diào)統(tǒng)一、 互不交叉，是一種新標(biāo)準(zhǔn)。2.1.4 兼容性原則本標(biāo)準(zhǔn)提出的試驗(yàn)方法充分考慮了車用燃料電池發(fā)動機(jī)用離心式空壓機(jī)的使用 環(huán)境要求和不同構(gòu)型，具有普遍適用性。2.2 標(biāo)準(zhǔn)主要技術(shù)內(nèi)容本標(biāo)準(zhǔn)共分為4章，規(guī)定了燃料電池發(fā)動機(jī)用空壓機(jī)的試驗(yàn)方法。內(nèi)容包括范 圍、規(guī)范性引用文件、術(shù)語和定義、設(shè)備與儀器要求、具體試驗(yàn)方法等主要內(nèi)容。2.3 關(guān)鍵技術(shù)問題說明本標(biāo)準(zhǔn)提出的方法基本是針對驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)和空壓機(jī)系統(tǒng)的整體性能。其中一 般性能測試方法可以說是完全按照車用驅(qū)動電機(jī)的基本性能測試方法，這一點(diǎn)是基 于空壓機(jī)的驅(qū)動電機(jī)跟車用驅(qū)動電機(jī)的高度一致性考慮而給出的。目前燃料電池空 壓機(jī)的驅(qū)動電機(jī)功率范圍基本在 10-30kW,工作電壓范圍在200-800V。雖然在車上 的安裝位置稍有不同，但從驅(qū)動電機(jī)的意義上看，只有功率大小的差別。同時(shí)需要 看到現(xiàn)有GB/T 18488.2-2015電動汽車用驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng) 第2部分：試驗(yàn)方法 是2015年版的，在使用過程中發(fā)現(xiàn)有些內(nèi)容如轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩等控制精度、外殼強(qiáng)度等已經(jīng)有些不適用。因此本團(tuán)標(biāo)在采用車用驅(qū)動電機(jī)一般性能試驗(yàn)方法的同時(shí)，也根據(jù) 電機(jī)專家的意見對一些不適用的部分進(jìn)行了適當(dāng)刪改。空壓機(jī)動態(tài)響應(yīng)性能的問題。動態(tài)性能好就是當(dāng)汽車對動力需求變化加大時(shí)， 空氣流量和壓力能夠快速跟蹤需求功率的變化，這就要求空壓機(jī)的轉(zhuǎn)速超高；同時(shí) 在需求減小時(shí)能夠迅速降低轉(zhuǎn)速；另外還需要從起動時(shí)能夠迅速進(jìn)入工作狀態(tài)，因 此本團(tuán)標(biāo)選擇10麻定流量到100喊定流量的升降時(shí)間，以及從起動到最低工作轉(zhuǎn) 速的時(shí)間作為空壓機(jī)的動態(tài)響應(yīng)性能表征參數(shù)?？諌簷C(jī)的轉(zhuǎn)速、流量和功率的折算問題，傳統(tǒng)的車用壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速流量和功率 測試時(shí)，測得值直接用于相關(guān)性能分析計(jì)算；但是對于渦輪增壓器的試驗(yàn)方法中，全部采用了所謂折合系數(shù)的概念。這樣做的目的就是為了當(dāng)實(shí)驗(yàn)環(huán)境狀況有別于標(biāo) 準(zhǔn)環(huán)境狀況時(shí)，為了便于性能對比，對空壓機(jī)流量、轉(zhuǎn)速、功率相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境狀 況進(jìn)行折算；本標(biāo)準(zhǔn)參考渦輪增壓機(jī)的折算方法，對離心式空壓機(jī)的轉(zhuǎn)速、流量和 功率進(jìn)行相應(yīng)折算。由于折合計(jì)算公式采用的都是行業(yè)內(nèi)通用公式，這里不再做進(jìn) 一步解釋。額定工作點(diǎn)的問題，空壓機(jī)的額定工作點(diǎn)是在空壓機(jī)設(shè)計(jì)是確定的參數(shù)點(diǎn)，對 應(yīng)具體的轉(zhuǎn)速、流量、壓力和功率。這個(gè)參數(shù)的確定就是為了給空壓機(jī)的一個(gè)基本 性能表征，一般是對應(yīng)規(guī)定的轉(zhuǎn)速和流量情況下，壓力不應(yīng)該低于某一個(gè)規(guī)定值， 功率語音大于某一個(gè)規(guī)定值0空壓機(jī)工作特性曲線的問題。在空壓機(jī)工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，對應(yīng)于不同轉(zhuǎn)速情況 下，空壓機(jī)的流量壓力特性曲線和流量功率特性曲線是表征空壓機(jī)在整個(gè)工作范圍 的性能。對于空氣壓泵頭的輸入輸出效率計(jì)算某前都是基于一種假設(shè)進(jìn)行的，對于 整車廠家少有關(guān)心，往往是關(guān)注系統(tǒng)消耗的功率情況。耐久壽命試驗(yàn)的問題。本標(biāo)準(zhǔn)實(shí)際沒有對此進(jìn)行規(guī)定，留給配套廠家跟主機(jī)廠 家協(xié)商完成，主要是根據(jù)實(shí)際情況給出的，目前對空壓機(jī)的循環(huán)工況還沒有統(tǒng)一標(biāo) 準(zhǔn)也很難有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)；另外關(guān)于耐久壽命的問題，業(yè)內(nèi)現(xiàn)在基本把選擇權(quán)留給了市 場。振動測試時(shí)，空壓機(jī)工作的問題。現(xiàn)在超高速空壓機(jī)基本是都采用空氣軸承， 沒有空氣承受的支撐，在劇烈的振動情況下電機(jī)轉(zhuǎn)子軸回對空氣軸承等造成損害，因此本團(tuán)標(biāo)要求離心式空壓機(jī)的振動試驗(yàn)必須處于額定工作狀態(tài)下。2.4 標(biāo)準(zhǔn)主要內(nèi)容的論據(jù)本標(biāo)準(zhǔn)測試方法的提出，是經(jīng)過充與多家燃料電池空壓機(jī)專業(yè)廠家、系統(tǒng)集成 商、整車廠溝通的調(diào)研的結(jié)果。本標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)方法充分參考了 GB/T 23341.2渦輪增壓器 第2部分：試驗(yàn)方 法、QC/T 29078汽車用空氣壓縮機(jī)性能要求及臺架試驗(yàn)方法、GB/T 18488.2- 2015電動汽車用驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng) 第2部分：試驗(yàn)方法，并考慮了離心式空壓機(jī) 的特點(diǎn)，整體內(nèi)容符合現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的制定思路。2.5 標(biāo)準(zhǔn)工作基礎(chǔ)編寫組牽頭單位中國汽車技術(shù)研究中心有限公司具備完整的汽車產(chǎn)品檢測能 力。在燃料電池電動汽車的整車及系統(tǒng)部件測試方面積累了大量的經(jīng)驗(yàn)和測試數(shù) 據(jù)。另外幾家合作機(jī)構(gòu)包括空壓機(jī)專業(yè)廠家、系統(tǒng)集成廠家、整車廠等，都有具體 的開發(fā)和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。自項(xiàng)目開展以來，中汽中心同合作單位在國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)文 獻(xiàn)研究上方面做了大量工作，開發(fā)了相關(guān)測試設(shè)備、探討測試方法，并進(jìn)行了多次 測試，初步檢驗(yàn)了相關(guān)測試方法的可行性。本標(biāo)準(zhǔn)提出的燃料電池發(fā)動機(jī)用空氣壓 縮機(jī)試驗(yàn)方法具有一定的先進(jìn)性、通用性、科學(xué)性和可操作性。三、主要試驗(yàn)（或驗(yàn)證）情況分析1）試驗(yàn)過程簡單，無復(fù)雜難行的操作。2）試驗(yàn)所涉設(shè)備皆為普通機(jī)電設(shè)備，對高速運(yùn)轉(zhuǎn)的空壓機(jī)測試時(shí)采取防護(hù)措 施，只要嚴(yán)格按照測試規(guī)程和使用方法，整個(gè)試驗(yàn)過程安全可靠，充分保證了試驗(yàn) 人員和設(shè)備的安全；3）方法的針對性強(qiáng)，對于燃料電池發(fā)動機(jī)用空壓機(jī)性能進(jìn)行較全面的測試。綜上所述，本標(biāo)準(zhǔn)提出的方法對當(dāng)前燃料電池發(fā)動機(jī)用空壓機(jī)的測試具有良好 的適用性。四、標(biāo)準(zhǔn)中涉及專利的情況尚無。五、預(yù)期達(dá)到的社會效益、對產(chǎn)業(yè)發(fā)展的作用的情況燃料電池汽車技術(shù)的快速發(fā)展使得燃料電池汽車產(chǎn)品開始進(jìn)入產(chǎn)品化階段。超高速離心式空壓機(jī)的使用是大趨勢，國內(nèi)外多家都推出了自己的產(chǎn)品，產(chǎn)品的快速 發(fā)展推動了測試標(biāo)準(zhǔn)的需求。但由于離心式燃料電池汽車空壓機(jī)的起步晚發(fā)展快的 特點(diǎn)，目前國內(nèi)外還缺乏此類產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)測試方法。 通過標(biāo)準(zhǔn)形成，規(guī)范產(chǎn)品性能， 解決目前無此類標(biāo)準(zhǔn)可依的情況，服務(wù)行業(yè)發(fā)展。六、采用國際標(biāo)準(zhǔn)和國外先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)情況，與國際、國外同類標(biāo)準(zhǔn)水平的對比情況， 國內(nèi)外關(guān)鍵指標(biāo)對比分析或與測試的國外樣品、樣機(jī)的相關(guān)數(shù)據(jù)對比情況6.1 采用國際標(biāo)準(zhǔn)和國外先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)情況未采用，國際上還沒有此類標(biāo)準(zhǔn)，國內(nèi)有一個(gè)汽車工業(yè)協(xié)會的團(tuán)標(biāo)，但由于標(biāo) 準(zhǔn)具體對象的差別，制定思路的有明顯的不同，也不存在采用情況。6.2 國內(nèi)外測試樣車相關(guān)數(shù)據(jù)對比情況通過對6臺空壓機(jī)的性能測試試驗(yàn)分析，國內(nèi)產(chǎn)品性能仍然有較大提升空間， 質(zhì)量差別較大，涉及數(shù)據(jù)保密問題，此處不做具體分析對比。七、在標(biāo)準(zhǔn)體系中的位置，與現(xiàn)行相關(guān)法律、法規(guī)、規(guī)章及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，特別是強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)調(diào)性本標(biāo)準(zhǔn)屬于團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)，與現(xiàn)行法律、法規(guī)、規(guī)章和政策以及有關(guān)基礎(chǔ)和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)不矛盾。八、重大分歧意見的處理經(jīng)過和依據(jù)尚無。九、標(biāo)準(zhǔn)性質(zhì)的建議說明本標(biāo)準(zhǔn)為中國標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)，屬于團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)，供相關(guān)機(jī)構(gòu)自愿使用。十、貫徹標(biāo)準(zhǔn)的要求和措施建議本標(biāo)準(zhǔn)為首次發(fā)布。十一、廢止現(xiàn)行相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的建議本標(biāo)準(zhǔn)為新起草的團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)，無廢止現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)。十二、其他應(yīng)予說明的事項(xiàng)無。空壓機(jī)團(tuán)標(biāo)起草工作組2020年5月