燃料電池發(fā)動機用離心式空氣壓縮機試驗方法編制說明

燃料電池發(fā)動機用離心式空氣壓縮機試驗方法 編制說明一、工作簡況1.1 任務來源燃料電池發(fā)動機用離心式空氣壓縮機試驗方法團體標準是由中國汽車工程 學會批準立項。項目任務編號為：2018-11。本標準由中國汽車工程學會汽車測試 技術分會提出，中國汽車技術研究中心有限公司、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、深圳市氫藍時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創(chuàng)新中心聯(lián)合起草。1.2 編制背景與目標燃料電池電動汽車的能量轉(zhuǎn)換裝置燃料電池發(fā)動機利用氫氣和氧氣發(fā)生反應生 成電、水、熱。其中反應所需要的氧氣來自環(huán)境大氣，只要燃料電池發(fā)動機開始工 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，就必須提 供過量的空氣，同時要求把空氣進行壓縮來產(chǎn)生一定的壓力，一方面把新鮮的空氣 及時送到極板處供給化學反應，另一方面需要把反應產(chǎn)生的水和廢氣輸送出去。這 個產(chǎn)生適當高壓的空氣的裝置就是空氣壓縮機。簡單說燃料電池發(fā)動機是燃料電池 電動汽車的核心動力部分，而燃料電池發(fā)動機的工作離不開空壓機供應壓縮空氣， 壓縮機的性能直接影響著燃料電池發(fā)動機的效率、動態(tài)性能、噪聲等關鍵性能指 標，從而間接影響汽車性能，其主要工作要求如下：(1)無油。因為潤滑油隨著空氣進入燃料電池堆中，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。由于空壓機自身功耗較大，有些占到燃料電池發(fā)動機功率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是燃料電池電動汽車的最大噪聲源，高速時噪聲較大， 且離心式空壓機的轉(zhuǎn)速高達10萬rpm以上。(5)離心式空壓機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，這就要求空壓機的轉(zhuǎn)速超高。從具體應用來看，燃料電池發(fā)動機用空氣壓縮機明顯不同于傳統(tǒng)汽車使用的空 氣壓縮機，倒是跟柴油機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)空壓機的不同。目前，傳統(tǒng)汽車和發(fā)動機使用的空壓機和增壓器的相關性 能測試標準主要有：GB/T 4980-2003容積式壓縮機噪聲測定、GB/T 1859往復 式內(nèi)燃機 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：一般技術條件、GB/T 23341.2渦輪增壓器 第2部分：試驗方法、QC/T 29078汽車用空氣壓縮機性能要求及臺架試驗方法等，都不適用燃料電池發(fā)動機用空壓機的性能測試。國內(nèi)外關于燃料電池發(fā)動機空壓機標準也比較缺乏，目前只有中國汽車工業(yè)協(xié) 會發(fā)布的一個團標T/CAAMTB 14-2019燃料電池電動車用空氣壓縮機試驗方法。 T/CAAMTB 14-2019勺內(nèi)容針對燃料電池用空壓機給出了通用試驗方法，對目前常用 的螺桿式和離心式空壓機都能適用。正因為 T/CAAMT團標需要兼顧這兩類空壓機的 測試，就對一些不能共用的試驗方法沒有給出，可以說測試內(nèi)容不夠全面和具體。由于離心式空壓機是當前的技術主流和發(fā)展趨勢，針對這種現(xiàn)狀，有必要對燃 料電池發(fā)動機用離心式空氣壓縮機試驗方法進行研究，形成適合專用產(chǎn)品測試的標 準方法。1.3主要工作過程本標準于2018年7月正式立項，期間由于該團標負責人更換的原因，直到 2019年8月重新起動標準的制訂工作。2019年8月到10月，項目組對國內(nèi)相關專業(yè)廠家進行了調(diào)研，主要有福建雪 人集團、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、北京伯肯新能源設備有限公司、深圳市氫藍時代動 力科技有限公司、北京新能源汽車股份有限公司、上汽前瞻技術研究部、北京新能 源汽車技術創(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試驗方法作 為團標具體研究方向，起草了標準草案，并聯(lián)合部分單位成立了團標工作組。2019年11月6日在天津召開了團標起動討論會，會議上中國汽車技術研究中 心有限公司對標準思路和內(nèi)容框架進行了介紹，參會人員對標準的測試主要測試內(nèi)容進行了討論，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 公司對測試方法進行驗證。在驗證測試的基礎上，2020年1月10日在項目組又在江蘇如皋召開討論會， 針對這一階段的試驗驗證取得結(jié)果進行分析。通過對標準的測試細節(jié)及試驗方法進 行了充分的討論和交流，初步完成了標準草案的制定，勢加透博公司繼續(xù)對提出的 額問題進行驗證。其后由于疫情影響，項目組小范圍內(nèi)多次進行網(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準草案內(nèi)容進行進一步細化修改。此后中汽中心 內(nèi)部技術人員組織了兩次專題討論會，對該標準內(nèi)容進行了進一步完善，并初步定 稿。二、標準編制原則和主要內(nèi)容2.1 標準制定原則在充分總結(jié)和比較了國內(nèi)外車用空氣壓縮機測試方法的基礎上，對空壓機用驅(qū) 動電機、泵頭、變速裝置、控制器等進行了技術分析，參考了 GB/T 4980-2003容 積式壓縮機噪聲測定、GB/T 1859往復式內(nèi)燃機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：一般技術條件、GB/T 23341.2渦輪增壓器 第2部分：試驗方法、QC/T 29078汽車用空氣壓縮機性能要求及臺 架試驗方法、GB/T 18488.1-2015電動汽車用驅(qū)動電機系統(tǒng) 第1部分：技術條件、 GB/T 18488.2-2015電動汽車用驅(qū)動電機系統(tǒng) 第2部分：試驗方法對本標準中 有關內(nèi)容進行了初步編寫。本標準對驅(qū)動電機及其控制器的測試方法主要以電動汽 車用驅(qū)動電機系統(tǒng)的測試方法為準，基本按照能用則直接采用的原則，而對噪聲、 動態(tài)響應、EMC工作特性測試則進行了詳細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，并通過對實際測試對標準的內(nèi)容進行了調(diào)整及驗證，以 確保測試方法的準確性和可行性。2.1.1 通用性原則本標準提出的燃料電池發(fā)動機用空氣壓縮機試驗方法，針對性高壓電機驅(qū)動的 離心式超高速空氣壓縮機，基于多次討論和試驗驗證，適用性好，通用性高。2.1.2 指導性原則本標準提出的方法能為國內(nèi)燃料電池用離心式空壓機的性能測試提供指導作用。 克服了傳統(tǒng)空壓機試驗方法的不適用性，以及現(xiàn)有團標的在某些方法的缺失，對空 壓機動態(tài)響應、特性測試方法進行了明確規(guī)定，用以引導專用空壓機的測試。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的特殊性，目前國內(nèi)外還缺乏針對性強的此 類標準的測試方法，本標準提出的方法與目前使用的國家標準中的方法協(xié)調(diào)統(tǒng)一、 互不交叉，是一種新標準。2.1.4 兼容性原則本標準提出的試驗方法充分考慮了車用燃料電池發(fā)動機用離心式空壓機的使用 環(huán)境要求和不同構(gòu)型，具有普遍適用性。2.2 標準主要技術內(nèi)容本標準共分為4章，規(guī)定了燃料電池發(fā)動機用空壓機的試驗方法。內(nèi)容包括范 圍、規(guī)范性引用文件、術語和定義、設備與儀器要求、具體試驗方法等主要內(nèi)容。2.3 關鍵技術問題說明本標準提出的方法基本是針對驅(qū)動電機系統(tǒng)和空壓機系統(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)動電機的基本性能測試方法，這一點是基 于空壓機的驅(qū)動電機跟車用驅(qū)動電機的高度一致性考慮而給出的。目前燃料電池空 壓機的驅(qū)動電機功率范圍基本在 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)動電機的意義上看，只有功率大小的差別。同時需要 看到現(xiàn)有GB/T 18488.2-2015電動汽車用驅(qū)動電機系統(tǒng) 第2部分：試驗方法 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、外殼強度等已經(jīng)有些不適用。因此本團標在采用車用驅(qū)動電機一般性能試驗方法的同時，也根據(jù) 電機專家的意見對一些不適用的部分進行了適當刪改?？諌簷C動態(tài)響應性能的問題。動態(tài)性能好就是當汽車對動力需求變化加大時， 空氣流量和壓力能夠快速跟蹤需求功率的變化，這就要求空壓機的轉(zhuǎn)速超高；同時 在需求減小時能夠迅速降低轉(zhuǎn)速；另外還需要從起動時能夠迅速進入工作狀態(tài)，因 此本團標選擇10麻定流量到100喊定流量的升降時間，以及從起動到最低工作轉(zhuǎn) 速的時間作為空壓機的動態(tài)響應性能表征參數(shù)?？諌簷C的轉(zhuǎn)速、流量和功率的折算問題，傳統(tǒng)的車用壓縮機的轉(zhuǎn)速流量和功率 測試時，測得值直接用于相關性能分析計算；但是對于渦輪增壓器的試驗方法中，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實驗環(huán)境狀況有別于標 準環(huán)境狀況時，為了便于性能對比，對空壓機流量、轉(zhuǎn)速、功率相當于標準環(huán)境狀 況進行折算；本標準參考渦輪增壓機的折算方法，對離心式空壓機的轉(zhuǎn)速、流量和 功率進行相應折算。由于折合計算公式采用的都是行業(yè)內(nèi)通用公式，這里不再做進 一步解釋。額定工作點的問題，空壓機的額定工作點是在空壓機設計是確定的參數(shù)點，對 應具體的轉(zhuǎn)速、流量、壓力和功率。這個參數(shù)的確定就是為了給空壓機的一個基本 性能表征，一般是對應規(guī)定的轉(zhuǎn)速和流量情況下，壓力不應該低于某一個規(guī)定值， 功率語音大于某一個規(guī)定值0空壓機工作特性曲線的問題。在空壓機工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，對應于不同轉(zhuǎn)速情況 下，空壓機的流量壓力特性曲線和流量功率特性曲線是表征空壓機在整個工作范圍 的性能。對于空氣壓泵頭的輸入輸出效率計算某前都是基于一種假設進行的，對于 整車廠家少有關心，往往是關注系統(tǒng)消耗的功率情況。耐久壽命試驗的問題。本標準實際沒有對此進行規(guī)定，留給配套廠家跟主機廠 家協(xié)商完成，主要是根據(jù)實際情況給出的，目前對空壓機的循環(huán)工況還沒有統(tǒng)一標 準也很難有統(tǒng)一標準；另外關于耐久壽命的問題，業(yè)內(nèi)現(xiàn)在基本把選擇權留給了市 場。振動測試時，空壓機工作的問題?，F(xiàn)在超高速空壓機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轉(zhuǎn)子軸回對空氣軸承等造成損害，因此本團標要求離心式空壓機的振動試驗必須處于額定工作狀態(tài)下。2.4 標準主要內(nèi)容的論據(jù)本標準測試方法的提出，是經(jīng)過充與多家燃料電池空壓機專業(yè)廠家、系統(tǒng)集成 商、整車廠溝通的調(diào)研的結(jié)果。本標準的試驗方法充分參考了 GB/T 23341.2渦輪增壓器 第2部分：試驗方 法、QC/T 29078汽車用空氣壓縮機性能要求及臺架試驗方法、GB/T 18488.2- 2015電動汽車用驅(qū)動電機系統(tǒng) 第2部分：試驗方法，并考慮了離心式空壓機 的特點，整體內(nèi)容符合現(xiàn)行標準的制定思路。2.5 標準工作基礎編寫組牽頭單位中國汽車技術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)驗和測試數(shù) 據(jù)。另外幾家合作機構(gòu)包括空壓機專業(yè)廠家、系統(tǒng)集成廠家、整車廠等，都有具體 的開發(fā)和應用經(jīng)驗。自項目開展以來，中汽中心同合作單位在國內(nèi)外標準和技術文 獻研究上方面做了大量工作，開發(fā)了相關測試設備、探討測試方法，并進行了多次 測試，初步檢驗了相關測試方法的可行性。本標準提出的燃料電池發(fā)動機用空氣壓 縮機試驗方法具有一定的先進性、通用性、科學性和可操作性。三、主要試驗（或驗證）情況分析1）試驗過程簡單，無復雜難行的操作。2）試驗所涉設備皆為普通機電設備，對高速運轉(zhuǎn)的空壓機測試時采取防護措 施，只要嚴格按照測試規(guī)程和使用方法，整個試驗過程安全可靠，充分保證了試驗 人員和設備的安全；3）方法的針對性強，對于燃料電池發(fā)動機用空壓機性能進行較全面的測試。綜上所述，本標準提出的方法對當前燃料電池發(fā)動機用空壓機的測試具有良好 的適用性。四、標準中涉及專利的情況尚無。五、預期達到的社會效益、對產(chǎn)業(yè)發(fā)展的作用的情況燃料電池汽車技術的快速發(fā)展使得燃料電池汽車產(chǎn)品開始進入產(chǎn)品化階段。超高速離心式空壓機的使用是大趨勢，國內(nèi)外多家都推出了自己的產(chǎn)品，產(chǎn)品的快速 發(fā)展推動了測試標準的需求。但由于離心式燃料電池汽車空壓機的起步晚發(fā)展快的 特點，目前國內(nèi)外還缺乏此類產(chǎn)品的標準測試方法。 通過標準形成，規(guī)范產(chǎn)品性能， 解決目前無此類標準可依的情況，服務行業(yè)發(fā)展。六、采用國際標準和國外先進標準情況，與國際、國外同類標準水平的對比情況， 國內(nèi)外關鍵指標對比分析或與測試的國外樣品、樣機的相關數(shù)據(jù)對比情況6.1 采用國際標準和國外先進標準情況未采用，國際上還沒有此類標準，國內(nèi)有一個汽車工業(yè)協(xié)會的團標，但由于標 準具體對象的差別，制定思路的有明顯的不同，也不存在采用情況。6.2 國內(nèi)外測試樣車相關數(shù)據(jù)對比情況通過對6臺空壓機的性能測試試驗分析，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、在標準體系中的位置，與現(xiàn)行相關法律、法規(guī)、規(guī)章及相關標準，特別是強制性標準的協(xié)調(diào)性本標準屬于團體標準，與現(xiàn)行法律、法規(guī)、規(guī)章和政策以及有關基礎和相關標準不矛盾。八、重大分歧意見的處理經(jīng)過和依據(jù)尚無。九、標準性質(zhì)的建議說明本標準為中國標準化協(xié)會標準，屬于團體標準，供相關機構(gòu)自愿使用。十、貫徹標準的要求和措施建議本標準為首次發(fā)布。十一、廢止現(xiàn)行相關標準的建議本標準為新起草的團體標準，無廢止現(xiàn)行標準。十二、其他應予說明的事項無?？諌簷C團標起草工作組2020年5月