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燃料電池車(chē)用空壓機

                          一、空壓機基本要求

 

                                                                 A、無(wú)油。潤滑油膜覆蓋在質(zhì)子交換膜上,會(huì )隔絕氧氣和氫氣的電化學(xué)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(chǎn)業(yè)化。

 

                                                               D、低噪音??諌簷C噪音是燃料電池發(fā)動(dòng)機主要噪音來(lái)源。

 

                                                               E、特性范圍寬。滿(mǎn)足環(huán)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(dòng)態(tài)響應快。車(chē)用動(dòng)力系統會(huì )從“氫電鋰電混合”走向氫電全功率驅動(dòng),空壓機需要在每個(gè)工況下都能夠及時(shí)提供適合的壓縮空氣。

 

                         二、不同類(lèi)型空壓機機械及性能特點(diǎn)

 

                         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(guò)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(cháng)和效率高的特點(diǎn),

                        但離心式空壓機工作區域窄,在低流量高壓時(shí)會(huì )發(fā)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(diǎn)是結構復雜,需要機油,變速箱壽命短;另一種是動(dòng)壓空氣懸浮軸承,空氣間隙小、

                        起動(dòng)時(shí)干摩擦,對軸承精度、耐磨性等要求高,在耐振動(dòng)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(shí)現了雙級離心式空壓機的量產(chǎn)。

 

                       (2)羅茨式空壓機

 

                        羅茨式空壓機的 轉子間的容腔不發(fā)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(chǎn)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(chǎn)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(fā)動(dòng)機。但是羅茨式空壓機高頻噪音很大,每個(gè)工況點(diǎn)噪音頻譜不同,需要針對性設計消音器。

 

                        豐田在早期時(shí)使用渦旋式空壓機,之后改為六頁(yè)羅茨式空壓機。針對噪音問(wèn)題,在空壓機出氣口內增加了中冷器來(lái)降低噪音。如下圖。

 

                       (3)雙螺桿式空壓機

 

                        通過(guò)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(chēng)之為“內壓縮”。

 

                        內壓縮對空氣質(zhì)量要求較高,空氣中顆粒會(huì )磨損螺桿造成密封問(wèn)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(shí)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(fā)動(dòng)機。但是雙螺桿式空壓機高頻噪音很大,每個(gè)工況點(diǎn)噪音頻譜不同,需要針對性設計消音器。

 

                       目前市場(chǎng)上燃料電池雙螺桿空壓機僅福建雪人實(shí)現量產(chǎn)。

 

                       關(guān)于機油問(wèn)題,目前主要從兩個(gè)方面減少機油滲透到空氣端,一方面,機油腔為開(kāi)式容腔,通過(guò)排氣塞排出機油蒸汽,同時(shí)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(shí)機油滲透,機油液面一般低于軸承。只要需要加機油,則風(fēng)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(xiàn)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(xiàn)。

 

                                                       B、超負荷工況余量

 

                       在額定工況點(diǎn)外,通常設計一定的余量。

 

                                                       C、高效率區域

 

                      一般MAP上標出的時(shí)壓氣機效率,在低轉速時(shí)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(dòng)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(xiàn)斜率:流量波動(dòng)

 

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

 

                                                      E、環(huán)境溫度和海拔高度

 

                     不同的環(huán)境溫度和壓力,會(huì )造成預設的工況點(diǎn)偏移,需要設置一定的策略來(lái)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(fā)動(dòng)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(guò)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(diǎn)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(dòng)

 

                     目前燃料電池的冷啟動(dòng)做到-20℃,部分廠(chǎng)家可以做到-30℃,空壓機需要在高濕低溫環(huán)境下做冷啟動(dòng)試驗。

 

                    (3)振動(dòng)

 

                     目前一般按照電池包振動(dòng)標準做隨機振動(dòng)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。