燃料电池空压机介绍

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空压机重要性燃料电池未来主要应用在动力系统和电源两个方面。动力系统应用包括汽车、动车、船舶、无人机、叉车、摩托等场景。在未来电气化交通场景中，燃料电池将在路途远载重大的长途客车、载货重卡上成为主要动力源，锂电将在路途短载重小的乘用车上成为主流。另外，分布式电源也将是未来燃料电池的一个主要应用场景。在燃料电池的核心零部件中，电堆是燃料电池的“心脏”，提供电能；空压机是燃料电池的“肺”，为电堆提供适量适压的氧气。在工程实际中，除了电堆之外，空压机往往是最需要解决的瓶颈。哪一种空压机更适合燃料电池，需要验证其在变工况、冷启动、振动、启停等方面的优异性和可靠性，该过程需要大量样本和时间。质子交换膜燃料电池用空压机的基本要求如下：*无油。润滑油膜覆盖质子交换膜和催化剂会隔绝氢氧电化学反应*高效率。空压机寄生功率严重影响系统效率*小型化和低成本。功率密度和成本限制因素促使小型化和低成本*低噪音。空压机噪音是燃料电池发动机主要噪音来源*特性范围宽。满足环境温度、海拔高度等变化需求，空压机需要有更宽的MAP特性*动态响应快。车用动力系统会从“氢电锂电混合”走向氢电全功率驱动，空压机需要在每个工况下都能及时提供指定压缩空气。目前，常用的燃料电池用空压机主要有离心式、罗茨式、螺杆式三种。离心式空压机离心式空压机通过旋转叶轮对气体做功，在叶轮与扩压器流道内，利用离心升压和降速扩压作用，将机械工转化为气体内能。具有结构紧凑、响应快、寿命长和效率高的特点。但离心式空压机工作区域窄，在低流量高压比时会发生喘振现象，严重影响寿命。离心式空压机通常有两种方案，一种是使用增速器+滚珠轴承的方案，电机转速较低，缺点是结构复杂，需要油润滑(存在污染氧气可能)，增速器寿命短；另一种是动压空气悬浮轴承，空气间隙小、起动时干摩擦，对轴承精度、耐磨性等要求高，在耐振动冲击和启停次数上有一定限制。丹麦的ROTREX空压机以提供泵头为主，其增速器如下图所示。ROTREX空压机目前，动压空气轴承的主要瓶颈在于涂层，下图为径向轴承示意图。空气轴承离心式空压机有两种，一种是单级压缩，工作区域窄，电机转速高，压比小；另一种为两级压缩，工作区域宽，电机转速较低，压比高。动压空气轴承本田FCVClarity燃料电池汽车搭载了盖瑞特双级离心式电动空压机，实现超高压比。提高入口空压可提高进堆空气中氧气分压，有效减缓了大电流密度下电堆的电压突降现象，尽管入口空压提高导致空压机能耗增加，但空压升高后燃料电池系统净功率在大压比下也会增加。此外，提高入口压力优化了水管理能力和减少了加湿器体积。据报道，国内势加透博也实现了双级离心式空压机的量产。关于两级增压原理，请查阅本田Clarity燃料电池空压机两级增压大揭秘。盖瑞特燃料电池两级离心式空压机罗茨式空压机罗茨式空压机转子间容腔不发生变化，依靠把空气挤压到外部较小容腔内，外部容腔空气密度不断升高，从而产生压力，称之为“外压缩”。罗茨式采用转子和泵壳间容积压缩的方式，转子和泵壳之间间距小于1mm，热胀冷缩容易卡壳，对泵壳机械强度要求高。罗茨式转子采用挤压生成，外压缩对转子精度及耐磨性不高，生产成本低。由于采用滚珠轴承，采用机油润滑方式。罗茨式空压机工作范围宽广，适应于全功率燃料电池发动机。但是罗茨式空压机高频噪音很大，每个工况点噪音频谱不同，需要针对性设计消音器。丰田在早期FCV车型使用涡旋式空压机，Mirai改为六叶罗茨式空压机。针对噪音问题，在空压机出气口内增加了中冷器来降低噪音，如下图所示。丰田第一代Mirai六叶罗茨式空压机双螺杆式空压机双螺杆式空压机在螺杆之间形成压缩腔，公母螺杆之间容腔逐渐缩小，气体压力从而逐渐升高，可称之为“内压缩”。内压缩对空气质量要求较高，空气中颗粒会磨损螺杆造成密封问题，螺杆上一般有耐磨涂层。内压缩易形成高压缩比，高压比时功耗相对离心式罗茨式功耗低。对螺杆形状和轴承精度要求高，采用滚珠轴承，采用机油润滑方式。与罗茨式空压机类似，双螺杆式空压机工作范围宽广，也适应于全功率燃料电池发动机，空压机高频噪音较大，每个工况点噪音频谱不同，需针对性设计消音器。据报道，目前市场上燃料电池双螺杆空压机仅福建雪人实现量产。雪人双螺杆空压机关于机油问题，目前主要从两方面减少机油渗透到空气端。一方面，机油腔为开式容腔，通过排气塞排出机油蒸汽，同时保持压力(等于大气压)低于空气侧；另一方面，为防止轴承静止时机油渗透，机油液面一般低于轴承。实际中，只要采用机油润滑方式，则漏油风险就会存在，且空压机出口的机油含量较难测量。空压机选型电堆与空压机Map匹配*喘振线距离离心式空压机存在喘振区域，一般设计工况距离喘振线至少30%流量。在实际应用中，通常在电堆小功率工作时，空压机已经在喘振区域，需要旁路放掉一部分空气。超负荷工况余量在额定工况点外，通常按%kW设计超负荷工况点，最大工况点外流出余量。高效率区域一般Map上标出的是压气机效率，在低转速时效率较低，需要考虑总效率。变频器效率94~96%，电机效率87~95%，传动效率70~90%，压气机多变效率80~85%。因此，一般空压机有用功率与电源输入功率之比约为50%。曲线斜率：流量波动在MAP图上可以看到空压机工作线和转速线相交，相交位置的转速线斜率绝对值越小，工况稳定性越差。环境温度影响在高温工况下时，Map左移，需要考虑最大工况的适应性问题；低温工况下，喘振线右移，需要考虑工况点距离喘振线的距离。对离心式空压机，空压机入口空气温度对空压机压比有一定影响。高原海拔对Map影响在高原上环境压力降低，空压机Map左移，同样需要考虑最大工况点的适应性问题。通常，在不能适应情况下，会在控制策略上进行调整，比如对燃料电池需求功率和拉载电流等进行修正。供电电压、预充空压机电压目前主要有两种规格，-VDC、-VDC。电压主要是适应氢电、锂电混合动力上锂电的电压，虽然中国标准GBT规定了电动车高压电规格，但实际情况有一定差异。空压机起动时，一般会使用预充电路进行软启动，使得电压缓慢升高，降低电磁干扰影响。目前空压机控制器自带预充功能很少，变通做法是做在DC-DC中。通讯一般遵循CAN2.0B，目前还没有按照SAE-J或者ISO等进行。电动车高压电器较多，对通讯影响很大。一般情况下，控制器都做了驱动电路隔离和CAN收发器隔离。功耗空压机是燃料电池发动机辅助零件中最大的电能消耗者。通常50kW电堆空压机功耗不超过8kW，80kW电堆空压机功耗不超过12kW。不同空压机的能耗差异可以达到10~20%。噪音离心式空压机噪音一般在80-90dBA区间，罗茨式和螺杆式空压机原始噪音在-dBA区间，且罗茨式和螺杆式为高频噪音，不同工作点噪音差异很大。空压机冷却不同空压机的冷却液入口温度要求一般在50~75℃之间，主要受控制器芯片耐温能力限制。通常，空压机冷却通路与电堆分开，因冷却液温度要求差异比较大。如果使用同一种冷却液，需要考虑空压机的离子析出率是否符合要求。不同款空压机冷却功率和冷却流阻不同，需要综合燃料电池发动机的总体冷却流阻进行匹配设计。测试注意事项喘振线确认方法相同转速下，背压阀逐渐关小，在接近喘振线时，背压阀开度改变梯度要小。当背压几乎不变、没有降低趋势，可听见离心机声音异常，此时已经喘振，发现喘振后1-2s需要离开喘振区。流量准确性、压比准确性空压机Map测试中，为保证流量准确性，一般在空压机进出口分别安装温压传感器和流量计，进出口流量计一般采用不同形式。停机能量释放当空压机工作在最高转速，一般不宜直接停机。由于停机过程产生的电能需要释放，如果使用的电源不是双向负载则不能吸收回馈的电能，可能会产生一些危害。空滤空气轴承、双螺杆空压机，都对空气质量有较高要求，测试前确认空滤已经可靠连接。可靠性考核内容在燃料电池的测试工况研究中，以稳态工况为主，包括怠速，启动，加速以及减速停车等。主要有两方面因素，一方面，由于燃料电池更倾向于混动系统，燃料电池的工作工况相对稳定；另一方面，燃料电池仅排放水，不需要考虑污染物排放。空压机的耐久考核，一般包含全负荷工况和变工况，变工况一般参考整车NEDC工况去设置。冷启动目前燃料电池冷启动普遍可实现-20℃低温环境启动，部分厂家可以做到-30℃，空压机需要在高湿低温环境下做冷启动试验。振动目前一般按照电池包振动标准做随机振动5g考核和机械冲击30g考核。空气轴承空压机，需做启停次数耐久试验。EMC空压机控制器需要完成EMC考核。

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