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              燃料電池車用空壓機

                                        一、空壓機基本要求

               

                                                                               A、無油。潤滑油膜覆蓋在質子交換膜上,會隔絕氧氣和氫氣的電化學反應。

               

                                                                              B、高效率??諌簷C寄生功率,嚴重影響電堆效率。

               

                                                                              C、小型化和低成本。由于功率密度和成本限制,小型化和低成本有利于產業化。

               

                                                                             D、低噪音??諌簷C噪音是燃料電池發動機主要噪音來源。

               

                                                                             E、特性范圍寬。滿足環境溫度、海拔高度變化需求,空壓機需要有更寬的MAP特性。

               

                                                                             F、動態響應快。車用動力系統會從“氫電鋰電混合”走向氫電全功率驅動,空壓機需要在每個工況下都能夠及時提供適合的壓縮空氣。

               

                                       二、不同類型空壓機機械及性能特點

               

                                       目前,燃料電池用空壓機主要有離心式、羅茨式、螺桿式三種。

               

                                      (1)離心式空壓機

               

                                      通過旋轉葉輪對氣體做功,在葉輪與擴壓器流道內,利用離心生涯和降速擴壓作用,將機械工轉化為氣體內能。具有結構緊湊、響應快、壽命長和效率高的特點,

                                      但離心式空壓機工作區域窄,在低流量高壓時會發生喘振,喘振嚴重影響壽命。

               

                                      離心式有兩種方案,一種使用變速箱+滾珠軸承的方案,電機轉速低,缺點是結構復雜,需要機油,變速箱壽命短;另一種是動壓空氣懸浮軸承,空氣間隙小、

                                      起動時干摩擦,對軸承精度、耐磨性等要求高,在耐振動沖擊和啟停次數上有一定限制。

               


                                      空氣軸承離心式空壓機也有兩種,一種是單級壓縮的,工作區域窄,需要電機轉速高,壓比??;另一種是兩級壓縮的,工作區域寬,需要電機轉速較低,壓比高。

                                      本田都使用的蓋瑞特雙級離心式空壓機,國內勢加透博實現了雙級離心式空壓機的量產。

               

                                     (2)羅茨式空壓機

               

                                      羅茨式空壓機的 轉子間的容腔不發生變化,壓力升高依靠把空氣擠壓到外部較小的容腔中,外部容腔中空氣密度不斷升高,從而產生壓力,是為“外壓縮”。

               

                                      羅茨式采用轉子和泵殼間容積壓縮, 轉子和泵殼之間間距小于1mm,高溫熱脹冷縮容易卡殼,對泵殼機械強度要求高。羅茨式轉子采用擠壓生成,外壓縮對

                                      轉子精度及耐磨性不高,生產成本低。由于采用滾珠軸承,需要加機油潤滑。

               

                                      羅茨式空壓機工作范圍寬廣,適應于全功率燃料電池發動機。但是羅茨式空壓機高頻噪音很大,每個工況點噪音頻譜不同,需要針對性設計消音器。

               

                                      豐田在早期時使用渦旋式空壓機,之后改為六頁羅茨式空壓機。針對噪音問題,在空壓機出氣口內增加了中冷器來降低噪音。如下圖。

               

                                     (3)雙螺桿式空壓機

               

                                      通過在螺桿之間形成壓縮腔,公母螺桿之間的容腔逐漸縮小,氣體家里逐漸升高,稱之為“內壓縮”。

               

                                      內壓縮對空氣質量要求較高,空氣中顆粒會磨損螺桿造成密封問題,螺桿上一般都有耐磨涂層。內壓縮容易形成很高壓縮比,在高壓比時功耗相對離心式羅茨式

                                      功耗低。對螺桿形狀和軸承精度要求高,采用滾珠軸承,需要加機油潤滑。

               

                                     雙螺桿式空壓機工作范圍寬廣,適應于全功率燃料電池發動機。但是雙螺桿式空壓機高頻噪音很大,每個工況點噪音頻譜不同,需要針對性設計消音器。

               

                                     目前市場上燃料電池雙螺桿空壓機僅福建雪人實現量產。

               

                                     關于機油問題,目前主要從兩個方面減少機油滲透到空氣端,一方面,機油腔為開式容腔,通過排氣塞排出機油蒸汽,同時保持壓力(等于大氣壓)低于空氣側;

                                     另一方面,為防止軸承靜止時機油滲透,機油液面一般低于軸承。只要需要加機油,則風險存在,且空壓機出口的機油含量較難測量。

               

                                     三、空壓機選型考慮因素

               

                                    (1)電堆與空壓機MAP匹配

               

                                                                      A、喘振線距離:

               

                                     離心式空壓機存在喘振區域,一般設計工況需要遠離喘振線。

               

                                                                     B、超負荷工況余量

               

                                     在額定工況點外,通常設計一定的余量。

               

                                                                     C、高效率區域

               

                                    一般MAP上標出的時壓氣機效率,在低轉速時效率很低,需要考慮總效率。

               

                                    變頻器效率94~96%,電機效率87~95%,傳動效率70~90%,壓氣機多變效率80~85%。因此,一般空壓機有用功率比上電源輸入功率在50%左右。

               

                                                                    D、曲線斜率:流量波動

               

                                   電堆落在工況點,對應的空壓機工況點,在MAP圖上可以看到,空壓機工況下和轉速線相交位置的轉速線斜率,斜率越小,工況穩定性越差。

               

                                                                    E、環境溫度和海拔高度

               

                                   不同的環境溫度和壓力,會造成預設的工況點偏移,需要設置一定的策略來保障在安全前提下輸出更高的功率。

               

                                   (2)功耗

               

                                   空壓機功耗大,是燃料電池發動機輔助零件中最大的電能消耗者。100kW系統空壓機功耗不超過20kW。不同空壓機的能耗差異可以達到10~20%。

               

                                   (3)噪音

               

                                   離心式空壓機噪音一般在80-90dBA,羅茨式和螺桿式空壓機噪音在110-120dBA。且羅茨式和螺桿式為高頻噪音,不同工作點噪音差異很大。

               

                                   四、空壓機可靠性考核內容

               

                                  (1NEDC工況:

               

                                   空壓機的耐久考核,一般采用電堆系統的考核標準,采用NEDC工況運行1000h。

               

                                  (2)冷啟動

               

                                   目前燃料電池的冷啟動做到-20℃,部分廠家可以做到-30℃,空壓機需要在高濕低溫環境下做冷啟動試驗。

               

                                  (3)振動

               

                                   目前一般按照電池包振動標準做隨機振動考核和機械沖擊考核??諝廨S承空壓機,需要做啟停次數耐久試驗。

               

                                  (4EMC

               

                                   空壓機控制器需要完成EMC考核。

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