一种电驱动两级离心空压机试验性能测试装置

技术领域

本发明涉及机械技术领域，更具体的说，涉及一种电驱动两级离心空压机试验性能测试装置。

背景技术

能源问题是人类社会发展中的重要一环，在交通运输领域为解决能源问题，氢能这种清洁能源得到了行业的高度重视。为保证车用燃料电池系统平稳、持续、高效的进行能量输出，需要为燃料电池电堆提供无油、低流量、高压比的空气，目前燃料电池汽车主要采用两级离心式压气机和罗茨式压气机，因为采用离心式压气机的供气系统相对体积及运行噪音小于罗茨式压气机，故未来两级式离心式增压系统有很好的发展前景。

当需要对增压器进行测试时一般需要将增压器置于试验台上进行测试操作，由于电驱动两级式离心压气机增压系统与传统的涡轮增压器不同，它由电机驱动压气机工作，通常包括压气机系统、电机系统、电机控制器等部分。两级电驱动增压器测试装置需要满足：电机驱动、电机冷却、两级压气机总体性能测试、两级压气机单级性能测试、压气机与电机的协调控制、测试数据采集、数据处理等功能，而且能够根据测试要求进行电机状态信号，一级及二级压气机进出口空气温度、压力、流量信号，冷却系统状态等信号的高速采集和实时操作等工作。而目前市面上有关的测试装置存在体积大、测试步骤复杂、测试效果差等问题。

因此，如何提供一种模块化设计的，可快速在两级压气机和单级压气机测试模式之间切换，转速、流量测试范围广，压气机转速控制稳定快捷，同时可以快速稳定的进行试验数据采集的电驱动离心压气机测试装置成为本领域人员亟需解决的一个问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种电驱动两级离心空压机试验性能测试装置，包括：

压气机测试机构，所述压气机测试机构包括第一级压气机、第二级压气机、进气管道、中间连接管道以及排气管道；所述进气管道上设置有第一级进口压力传感器、第一级进口温度传感器、进口流量计；所述中间连接管道上设置有第一级出口压力传感器、第一级出口温度传感器、第一级出口流量计；所述排气管道上设置有第二级出口压力传感器、第二级出口温度传感器、第二级出口流量计；所述进气管道与所述第一级压气机的进口相连通，所述中间连接管道两端分别与所述第一级压气机的出口和所述第二级压气机的进口相连通，所述排气管道与所述第二级压气机的出口相连通；所述进气管道、所述中间连接管道、所述排气管道与所述第一级压气机、所述第二级压气机之间均为可拆卸连接；

电驱动机构，所述电驱动机构包括电机以及与所述电机电连接的电机控制系统，所述电机与所述第一级压气机、所述第二级压气机传动连接；

冷却机构，所述冷却机构与所述电机的冷却管路相连通；

流量调节机构，所述流量调节机构设置在所述排气管道上；

上位机，所述上位机与所述电机、所述电机控制系统、所述冷却机构、所述流量调节机构、所述第一级压气机、所述第二级压气机以及所述压气机测试机构中的所有传感器、流量计均电连接。

本发明装置在测试时可将排气管道和第一级压气机的出口直接连接，也可将进气管道和第二级压气机的进口直接连接，同时上位机切换到对应测试软件后即可进行试验。

通过采用上述技术方案，本发明具有以下有益效果：

本发明测试装置可以对电驱动两级离心空压机进行性能测试，适用于燃料电池超高转速的电驱动两级空压机、车用电驱动两级空压机、航空用电驱动两级空压机，适用范围广；通过更换管道的连接方式可以对两级增压器的第一级或第二级单独进行测试，试验台架及其控制上位机软件均采用模块化设计，在切换系统整体性能测试和单级测试时不需要进行传感器的更换，更换管道连接方式并切换测试软件后即可进行试验，方便、快捷；

本发明测试装置可采用LabVIEW进行上位机编程，更换数据采集卡操作简单，更换后也可适用于其他转速的两级电驱动离心式增压器和单级电驱动离心式增压器使用，而且本发明试验台架也适用于大部分燃料电池供气系统采用的电驱动离心式压气机测试，通用性强。

本发明测试装置可通过对采集的数据进行处理并对电机和压气机进行协调控制，能够自动采集数据、绘制数据表格、输出性能曲线，通过压气机性能测试机构更改管道连接方式配合上位机测试模式切换可以进行单级性能测试，装置满足两级增压系统整体、单级性能测试，可靠性，电驱动系统加速性能等实验测试需求。

进一步的，所述第一级进口压力传感器包括第一级进口静压力传感器和第一级进口总压力传感器；所述第一级出口压力传感器包括第一级出口静压力传感器和第一级出口总压力传感器；所述第二级出口压力传感器包括第二级出口静压力传感器和第二级出口总压力传感器。

进一步的，所述进气管道通过第一法兰盘与所述第一级压气机的进口相连通；所述中间连接管道两端分别通过第二法兰盘、第三法兰盘与所述第一级压气机的出口和所述第二级压气机的进口相连通；所述排气管道通过第四法兰盘与所述第二级压气机的出口相连通；所述第一法兰盘、所述第二法兰盘、所述第三法兰盘、所述第四法兰盘的规格尺寸均相同。

有益效果：压气机测试机构用于连接的法兰盘规格尺寸均相同，可将排气管道通过法兰盘和第一级压气机出口直接连接，也可将进气管道通过法兰盘和第二级压气机进口直接连接。

进一步的，所述电机控制系统包括车载蓄电池、电源、电机控制器、二次仪表，其中，所述车载蓄电池、所述电源、所述电机控制器、所述二次仪表、所述电机依次串联。

进一步的，所述电驱动机构还包括与所述上位机电连接的转速传感器和电机转子温度传感器，所述转速传感器设置于所述电机的输出轴上，所述电机转子温度传感器设置于所述电机的转子上。

进一步的，所述电机的绕组上设置有与所述上位机电连接的电机绕组前端绕组温度传感器和电机绕组后端绕组温度传感器。

进一步的，所述冷却结构包括冷却水箱、滤清器和冷却风扇，所述电机的冷却管路进口连通进水管，冷却管路出口连通出水管；所述冷却水箱的进水端与所述出水管连通，出水端与所述进水管连通；所述滤清器和所述冷却风扇按照冷却水的流动方向依次串联安装在所述进水管上，所述冷却风扇与所述上位机电连接。

电驱动增压器使用的电机主要为采用空气轴承的超高速电机，冷却机构可根据电机的冷却需求提供温度合适且足量的冷却液。

进一步的，所述冷却结构还包括与所述上位机电连接的进水温度传感器、进水压力传感器、出水压力传感器、出水温度传感器和出水流量计，所述进水温度传感器和所述进水压力传感器安装在所述冷却风扇与所述电机冷却管路之间的所述进水管上，所述出水压力传感器、所述出水温度传感器和所述出水流量计安装在所述出水管上。

有益效果：本发明测试装置的冷却系统上布置有多个传感器以及流量计，通过上位机可以实时采集冷却系统信息，并根据系统冷却和的需求对系统进行控制。

进一步的，所述出水管上还安装有与所述上位机电连接的冷却水阀门。

进一步的，所述排气管道包括主排气管道和副排气管道，所述流量调节机构包括气动球阀和旁通阀，所述气动球阀安装在所述主排气管道上，所述旁通阀安装在所述副排气管道上，所述副排气管道和所述主排气管道均与所述第二级压气机的出口相连通，所述气动球阀、所述旁通阀均与所述上位机电连接。

有益效果：本发明测试装置通过主副管道上的两个电控阀门进行流量控制，通过上位机对气动球阀进行调节可快速控制压气机流量进入预期值，通过上位机对旁通阀进行调节可达到精确调节压气机流量的目的。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的结构示意图。

图2为本发明提供的控制原理图。

其中，1-主排气管道、2-副排气管道、3-气动球阀、4-旁通阀、5-第二级出口流量计、6-第二级出口静压力传感器、7-第二级出口总压力传感器、8-第二级出口温度传感器、9-第四法兰盘、10-第二级压气机、11-第三法兰盘、12-中间连接管道、13-第一级出口温度传感器、14-第一级出口总压力传感器、15-第一级出口静压力传感器、16-电机绕组前端绕组温度传感器、17-第一级出口流量计、18-电机转子温度传感器、19-电机、20-电机绕组后端绕组温度传感器、21-第二法兰盘、22-第一级压气机、23-第一法兰盘、24-第一级进口温度传感器、25-第一级进口总压力传感器、26-进口流量计、27-进气管道、28-第一级进口静压力传感器、29-转速传感器、30-二次仪表、31-冷却风扇、32-电机控制器、33-出水流量计、34-电源、35-出水压力传感器、36-出水温度传感器、37-车载蓄电池、38-冷却水阀门、39-冷却水箱、40-滤清器、41-进水温度传感器、42-进水压力传感器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为根据本发明一实施例的电驱动两级离心空压机试验性能测试装置试验台架的结构原理。图2为图1所示试验台架中的测量与控制系统和数据采集及处理系统示意图。

如图1、2所示，一种电驱动两级离心空压机试验性能测试装置，包括：

压气机测试机构，压气机测试机构包括第一级压气机22、第二级压气机10、进气管道27、中间连接管道12以及排气管道；进气管道27上设置有第一级进口压力传感器、第一级进口温度传感器24、进口流量计26；中间连接管道12上设置有第一级出口压力传感器、第一级出口温度传感器13、第一级出口流量计17；排气管道上设置有第二级出口压力传感器、第二级出口温度传感器8、第二级出口流量计5；进气管道27与第一级压气机22的进口相连通，中间连接管道12两端分别与第一级压气机22的出口和第二级压气机10的进口相连通，排气管道与第二级压气机10的出口相连通；进气管道27、中间连接管道12、排气管道与第一级压气机22、第二级压气机10之间均为可拆卸连接；

电驱动机构，电驱动机构包括电机19以及与电机19电连接的电机控制系统，电机19与第一级压气机22、第二级压气机10传动连接；

冷却机构，冷却机构与电机19的冷却管路相连通；

流量调节机构，流量调节机构设置在排气管道上；

上位机，上位机与电机19、电机控制系统、冷却机构、流量调节机构、第一级压气机22、第二级压气机10以及压气机测试机构中的所有传感器、流量计均电连接。上位机能够调节两级压气机的转速及精确调节压气机的空气流量。

在本发明具体实施例中，第一级进口压力传感器包括第一级进口静压力传感器28和第一级进口总压力传感器25；第一级出口压力传感器包括第一级出口静压力传感器15和第一级出口总压力传感器14；第二级出口压力传感器包括第二级出口静压力传感器6和第二级出口总压力传感器7。

在本发明具体实施例中，进气管道27通过第一法兰盘23与第一级压气机22的进口相连通；中间连接管道12两端分别通过第二法兰盘21、第三法兰盘11与第一级压气机22的出口和第二级压气机10的进口相连通；排气管道通过第四法兰盘9与第二级压气机10的出口相连通；第一法兰盘23、第二法兰盘21、第三法兰盘11、第四法兰盘9的规格尺寸均相同。

在本发明具体实施例中，电机控制系统包括车载蓄电池37、电源34、电机控制器32、二次仪表30，其中，车载蓄电池37、电源34、电机控制器32、二次仪表30、电机19依次串联。

在本发明具体实施例中，电驱动机构还包括与上位机电连接的转速传感器29和电机转子温度传感器18，转速传感器29设置于电机19的输出轴上，电机转子温度传感器18设置于电机19的转子上。

在本发明具体实施例中，电机19的绕组上设置有与上位机电连接的电机绕组前端绕组温度传感器16和电机绕组后端绕组温度传感器20。

在本发明具体实施例中，冷却结构包括冷却水箱39、滤清器40和冷却风扇31，电机19的冷却管路进口连通进水管，冷却管路出口连通出水管；冷却水箱39的进水端与出水管连通，出水端与进水管连通；滤清器40和冷却风扇31按照冷却水的流动方向依次串联安装在进水管上，冷却风扇31与上位机电连接。

在本发明具体实施例中，冷却结构还包括与上位机电连接的进水温度传感器41、进水压力传感器42、出水压力传感器35、出水温度传感器36和出水流量计33，进水温度传感器41和进水压力传感器42安装在冷却风扇31与电机19冷却管路之间的进水管上，出水压力传感器35、出水温度传感器36和出水流量计33安装在出水管上。

在本发明具体实施例中，出水管上还安装有与上位机电连接的冷却水阀门38。

在本发明具体实施例中，排气管道包括主排气管道1和副排气管道2，流量调节机构包括气动球阀3和旁通阀4，气动球阀3安装在主排气管道1上，旁通阀4安装在副排气管道2上，副排气管道2和主排气管道1均与第二级压气机10的出口相连通，气动球阀3、旁通阀4均与上位机电连接。

在本发明具体实施例中，该测试装置控制部分采用两种控制方式，在保留了原来的手动控制的基础上，增加了一套自动控制系统，通过自动控制系统控制电源34电压从而控制压气机转速在0到额定最高转速之间变化，控制气动球阀3和旁通阀4来控制压气机流量、背压，并控制冷却机构的温度压力。

本发明中自动控制系统基于CAN通信协议或MODBUS通信协议进行数据通信。

本发明电驱动两级离心空压机试验性能测试装置的主要工作流程如下：

1、检查测试装置试验台架，确认仪器仪表状态正常、电气线路连接准确、管路无漏气漏水现象；

2、进行两级增压器性能测试试验，系统上电，运行电机19，使其加速到预定最高转速，记录过程中瞬态电压电流功率、各传感器上瞬态温度、瞬态压力、瞬态转速和流量；使电机19在预定转速恒转速运行，记录过程中瞬态电压电流功率、各传感器上瞬态温度、瞬态压力和流量；使电机19在最高转速降速到停机状态，记录过程中瞬态电压电流功率、各传感器上瞬态温度、瞬态压力、瞬态转速和流量。

3、在采集绘制空压机转速线所需数据时，将转速稳定到预期值时，逐渐增加压气机进气流量，记录过程中瞬态电压电流功率、各传感器上瞬态温度、瞬态压力、瞬态转速和流量；

4、将中间连接管道12拆卸，将排气管道与第一级压气机22的出口通过对应法兰盘连接，上位机切换到第一级压气机22测试模式，检查测试装置试验台架，检查管道连接处有无漏气现象，重复性能测试试验对第一级压气机22进行性能测试；

5、将供气管道拆卸，将进气管道27与第二级压气机10的进口通过对应法兰盘连接，上位机切换到第二级压气机10测试模式，检查测试装置试验台架，检查管道连接处有无漏气现象，重复性能测试试验对第二级压气机10进行性能测试。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。