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    燃料電池電動汽車空壓機技術簡析

    發布日期: 2019-12-24
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    隨著環保壓力增大和能源趨于緊張,汽車技術越來越受到重視,新能源汽車的發展就是一個關鍵方向。其中氫燃料電池電動汽車以其*、高能效、續駛里程長、加注燃料時間短等優點,被認為是新能源汽車發展的重要方向之一。

    燃料電池系統是燃料電池電動汽車的核心部分,而燃料電池系統工作離不開空壓機供應壓縮空氣,其性能直接影響著燃料電池系統的效率、動態性能、噪聲等關鍵性能指標,因此燃料電池空壓機的研發也非常重要。本文作者著重從空壓機的應用情況進行討論分析。

    1 燃料電池空壓機簡介

    1. 1 基本組成

    空壓機由壓縮元件、驅動器、驅動壓縮機元件的機械設備等組成。

    壓縮元件是執行氣體壓縮過程所需的壓縮元件和輔助裝置,不包括驅動器、調速裝置、氣體處理設備和管道、壓縮機設備、包裝和安裝設施及外殼。

    驅動器和機械設備是指提供機械輸入、直接或間接驅動空壓機的機器,以及空壓機中將能量從驅動器轉移到壓縮元件的部件。

    輔助設備是指壓縮機產品中空壓機、驅動器或機械設備之外的任何設備。

    1. 2 基本要求

    ( 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動機功率 20% 左右,這就直接影響燃料電池系統的整體性能。

    ( 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業化的必然要求。

    ( 4 ) 低噪聲??諌簷C是燃料電池電動汽車的大噪聲源,高速時噪聲較大,且空壓機的轉速高達 10 × 104 r /min 以上。

    ( 5 ) 喘振線在小流量區。這是燃料電池系統在小流量、高壓比工況下高效運行的基本保障。

    ( 6 ) 動態性能好。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速超高。

    2 燃料電池電動汽車空壓機技術研究現狀

    2. 1 國內研究現狀

    國內燃料電池發動機空壓機總體水平較低,研究較少。清華大學研究人員設計過普通高速 ( 約 25000 r /min ) 電機驅動的低壓比轉速離心壓縮機,具有較高的效率和較寬的運行范圍。在 24000 r /min 時,空壓機gao效率和壓比分別達到 70% 和 1.6。REN 和 FENG 研究了用于燃料電池電動汽車電動離心空壓機的水潤滑滑動軸承的抗沖擊特性,臨界沖擊振幅不小于 150g,遠大于車輛的抗沖擊標準。WEI 等對離心式壓縮機的非定常特性進行了具體研究。

    國內的空壓機產業化水平也相對較低。由于國外主流空壓機的轉速已到 10 × 104 r/min 以上,這對空壓機的技術水平挑戰很大。目前國內只有很少幾家能夠生產燃料電池發動機壓縮機,且還達不到完全產品化的水平,主要存在轉速低、壽命低、效率低等主要問題。

    2. 2 國外研究現狀

    RAMINOSOA 等提出了一種用于汽車燃料電池系統空氣管理的高速三相開關磁阻電機驅動壓縮機的設計。并對機器進行了優化設計,理論效率可以達到 92. 4%,降低了壓縮機的整體能耗,提高了燃料電池系統的整體效率。

    ZHAO 等提出了一種基于動態擾動解耦控制的離心壓縮系統控制方案,用于向燃料電池提供壓縮空氣。他們提出的控制策略能夠同時控制質量流和壓力,該控制器在暫態和穩態下都具有更好的性能。并在 10kW 燃料電池模型負荷變化情況下得到具體驗證。

    TALJ 等從描述 PEMFC 空氣子系統的四階模型出發,提出了一種簡化三階模型。在 33kW 質子交換膜燃料電池上進行了實驗驗證,四階和三階模型的相對誤差均小于 5%。

    CHOI 提出了一種渦輪空壓機的氣動設計。以壓比 2. 2 為目標,將壓氣機的流量從喘振擴大到節流質量流量,以覆蓋 FCV 的工作范圍。通過實驗證明所設計的壓縮機具有大流量、小排氣量、壓縮機結構的流量裕度大于大出口容積壓氣機的流量裕度等特點。

    TAN 等從壓縮機測量入手,解釋了尖峰式失速的特點。通過對轉子端部流體的三維研究,確定了尖峰形成的一種可能機制。這一機制涉及葉尖間隙在葉片后緣的回流,以及前緣泄漏流的正向溢出。

    由于國外燃料電池技術發展較快,產業化水平相對較高,其配套的空壓機已經達到燃料電池系統產業化要求。下面主要介紹國外相關空壓機的應用開發情況。

    3 應用分析

    3. 1 FCV ( Fuel Cell Vehicle ) 空氣供氣系統

    如圖 1 所示,燃料電池空氣供應系統一般包括空氣過濾器、空壓機、電機、中冷器、增濕器、膨脹機及管道等??諌簷C的工作狀況直接影響到燃料電池堆的工作情況。質子交換膜燃料電池系統對于空氣壓力變化敏感,這是因為增壓可以增加氧氣量改善水平衡,提高反應薄膜的水合狀態。雖然增壓可提高燃料電池效率,但也需要增加功耗,其耗能可占到電堆輸出能量的 20%,所以高效壓縮方式可提高電池系統的整體性能。

    在質子交換膜燃料電池系統中,供氣壓力約為 3 × 105 Pa,流量為 100~300 kg /h,反應產物主要是水 ; 燃料電池堆出口氣體溫度為 80~ 100 ℃,壓力為 2.8 × 105 Pa,這部分排出廢氣還具有較高的可回收能量。為提高燃料電池效率,需用膨脹機來減少壓縮機的能量消耗。壓縮機所能耗占附件總能耗的 95% 左右,所以降低附件能耗關鍵是提高供氣系統的效率,采用膨脹機回收排放廢氣能量是一種有效方式。

     

    3. 2 FCV 對空壓機的要求

    燃料電池的化學反應對空氣的溫度、濕度、壓力和流量等參數有著嚴格的要求,普通的工業壓縮機無法滿足燃料電池的工作要求。因此性能優越且與燃料電池系統匹配良好的壓縮機,對于燃料電池系統至關重要。無油、高效、小型化、低成本、低噪聲、喘振線在小流量區和良好的動態響應能力等是對燃料電池發動機空壓機的基本要求。

    3. 3 空壓機類型及產品應用

    根據壓縮原理不同,空壓機基本可分容積式與速度式兩類。容積式為活塞式、螺桿式、滑片式 3 種 ; 速度式分為離心式和軸流式兩種。容積式主要的類型為活塞式和螺桿式。速度式壓縮機主要類型為渦旋式、離心式和旋轉式,其中旋轉式一般指羅茨機、葉氏機。

    速度式壓縮機適用于大氣量與低壓力,容積式適用于較高壓力?;钊綉幂^廣,便于中冷?;钊?、螺桿式制造要求高 ; 速度式要求轉速高,動平衡要求高 ; 離心式的壽命較長。表 1 給出了主要類型空壓機的特點。

    3. 3. 1 渦旋式空壓機

     

    無油潤滑雙渦圈渦旋式空壓機是適合用于燃料電池使用的空壓機,其效率高、噪聲低、結構簡單、質量輕、可靠性好。

    美國 DOE 和 Author D. Little 公司合作開發了兩代渦旋式空壓機和膨脹機樣機。第yi代用于 28 kW 燃料電池,供氣流量為 42 g /s,壓力可達 2. 2 × 105 Pa。第二代空壓機轉速和流量都提升了,可滿足 50 kW 燃料電池工作需求。

    西安交通大學的學者們先后研制了 PEMFC 系統用無油噴水渦旋空壓機、50 kW 燃料電池發動機用的渦旋式空壓機和 100 kW 燃料電池發動機用的螺桿式空壓機。

    3. 3. 2 螺桿式壓縮機

    螺桿式空壓機利用螺桿間的空氣槽壓縮空氣,使用脂潤滑軸承的無油螺桿壓縮機能夠保證供氣中無油。它能夠提供可變壓比,在燃料電池低負載時,可以保持水平衡特性。噴水螺桿壓縮機可以提供系統部分用水,還可以降低供氣溫度,避免水平衡由于環境或者溫升而破壞,提高壓縮機的效率,增加燃料電池系統的能量密度,是比較理想的燃料電池空壓機。

    戴姆勒公司在 Mercedes-Benz A 級燃料電池電動汽車上采用螺桿式空壓機 / 膨脹機,其噴水螺桿式空壓機可有效地降低壓縮空氣溫度,保持燃料電池水平衡,系統效率提高 4%。另外配套的膨脹機回收部分排氣能量,減少寄生功率。但螺桿式空壓機和膨脹機的噪聲較大,降噪措施增加了系統的成本、質量和復雜性。

    Mercedes-Benz B 級與 F 級燃料電池電動汽車則采用了電動螺桿式空壓機,可有效改善空氣壓比和流量特性 ( 壓比達 2. 9 ) ??諌簷C設計應該綜合考慮噪聲、壓比、流量、質量和效率等各 方 面 因 素,使 其 性 能 達 到 you。大 眾 公 司 的 BoraHyMotion 汽車的燃料電池發動機也采用了噴水螺桿壓縮機。

    美國 UQM 公司生產的空壓機可配套大功率車用燃料電池使用,整套壓縮機系統包括電機及控制器、壓縮系統及相應的控制軟件。采用的空壓機如圖 2 所示。

    美國通用汽車公司在雪佛蘭探界者 ( Equinox ) 燃料電池電動汽車中使用了螺桿式電動空壓機,如圖 3 所示。

    3. 3. 3 離心式空壓機

     

    離心式空壓機具有結構緊湊、響應快、壽命長和效率高等特點。它通過旋轉葉輪對氣體做功,利用離心升壓和降速擴壓作用,將機械能轉換為氣體壓力能。但在低流量時發生的喘振現象,會嚴重影響系統性能和使用壽命。

    同濟大學的學者們通過對壓縮機的蝸殼、葉輪和擴壓器進行設計和優化,開發了低流量系數后傾后彎離心式空壓機,在國內*實現了離心式空壓機在 8 × 104 r /min 下的穩定運行。相比現有的工業用離心式壓縮機,該離心式空壓機具有更窄的喘振邊界和更寬的穩定運行范圍,小流量可以實現更大的壓力升高率,有利于空壓機在低流量高壓比下不發生喘振。它采用了水潤滑軸承,提高了做功能力,但水潤滑軸承需要潤滑水路和驅動裝置,使得系統變得復雜。

    3. 3. 4 羅茨式空壓機

    DOE 與美國伊頓公司基于 P 級和 R 級羅茨式壓縮機研制了新型空氣供應系統。改進后的壓縮機可以提供壓比 2. 5、流量 92 g /s 的壓縮空氣,并由電機和膨脹機聯合驅動,通過調整峰值效率點,使其適用 80 kW 燃料電池系統。羅茨式空壓機在做功能力、功率密度以及經濟性等方面具有較大的優勢。

    豐田 Mirai 使用高效六葉螺旋羅茨方式空壓機,如圖 4 所示。在低負載時流量約為 100 L/min,在高負載時約為 5 000L/min,大壓比約為 3。

    羅茨式空壓機的工作轉速較低,可使用結構復雜的空氣軸承 ; 高效運行區較寬,可提高燃料經濟性 ; 技術已經相對成熟,在其他領域已得到比較充分的應用。

     

    3. 3. 5 螺旋式交叉滑片空壓機

    螺旋式交叉滑片結構屬于容積式機械,采用兩組呈 90 ° 的滑片鏈相互嚙合形成壓縮腔,并通過交叉旋轉來壓縮空氣。

    美國 Mechanology LLC 開發了用于燃料電池系統的螺旋式交叉滑片壓縮機。對副轉子結構進行優化,消除滑片間的功率傳遞,可有效減小滑片間的摩擦損失。同時通過對嚙合滑片表面結構的優化設計,減小壓力損失,使空壓機出口壓力提高 6. 7 × 104 Pa。DOE 的測試結果顯示其樣機具有潛在性能優勢,可在 1 500 r /min 低轉速下實現小體積大流量 ( 壓比 3. 2、流量 72 g /s ) 供氣,但樣機存在泄漏損失和進出口壓力損失等問題。

    3. 3. 6 活塞式空壓機

    Vairex 公司開發的活塞壓縮機,通過改變活塞容積或者排氣閥的開度,流量和壓比分別單獨可調 ( 如圖 5 所示 ) 。

    3. 3. 7 渦輪式空壓機

     

    英國 Aeristech 公司生產的電動空壓器為采用鋁制渦輪增壓型壓縮機 ( 如圖 6 所示 ) ,壓縮機與高轉速電機直連 ( 無減速機構 ) 。在結構設計上,它與羅茨泵、螺桿泵增壓器差別較大 。

    2017 款本田 Clarity 燃料電池電動汽車使用了新電子渦輪空壓機,用來為燃料電池提供更多的氧氣。它原來的壓縮機類似機械增壓,加速工況噪聲較大。改用渦輪增壓之后,其噪聲與普通風扇相當霍尼韋爾 ( Honeywell ) 兩級電動壓縮機 ( 如圖 7 所示 ) 通過將燃料電池堆整體尺寸減小到與 V6 發動機相當,Clarity 的燃料電池組比以前的產品體積減小 33%。兩級電動壓縮機采用空氣軸承,運轉速度可達 110 000 r /min,gao壓力為 4 × 105 Pa,而且效率高、質量輕、體積小。與本田 FCX Clarity 相比,Clarity Fuel Cell 的功率密度將增加 60%。

    瑞士燃料電池公司 ( Swiss Hydrogen ) 使用 Celeroton 無油空氣軸承渦輪增壓壓縮機 ( 如圖 8 所示 ) 與轉換器為菲亞特 500 的 10 kW 燃料電池增程器供氣。

    3. 3. 8 滑片式和鉸鏈式空壓機

     

    松下公司的滑片式電動空壓機計劃在混合動力車、電動汽車和燃料電池汽車上使用。新設計方案減小了逆變器體積,實現逆變器和壓縮機一體化,使壓縮機更加小型和輕量化。美國 MIEE Driver 科技公司提出在滑片壓縮機上將壓縮機和膨脹機集成,壓縮和膨脹的過程在一個氣缸中完成,開發了鉸鏈式壓縮膨脹機回收部分能量,實現低摩擦、全無油工作。

    4 總結

    DOE 發布的壓縮機測試程序是在 ISO1217: 2009 ( E ) 基礎上修改而成,介紹了空壓機測試程序和注意事項,包括了試驗過程和相關細節。該測試規程有明確的適用范圍,還不能涵蓋全部空壓機類型。隨著燃料電池電動汽車技術的發展,空壓機的研究、制造和測試技術會受到越來越多的重視,各種相關標準也會不斷提出和完善。

    燃料電池電動汽車用空壓機產品的類型較多,這跟燃料電池電動汽車用空壓機發展初期各種探索和嘗試有很大關系。不同空壓機優缺點明顯,這需要行業從成本和性能等方面綜合考慮,做出選擇。從當前情況來看,離心式空壓機和螺桿式空壓機比較受到重視,這與其自身高效可靠等優點是分不開的。隨著燃料電池電動汽車的繼續發展,空壓機的技術也會越來越成熟。

    我國的車用燃料電池電動汽車技術起步較晚,相關配套裝置的技術也相對落后,現有的空壓機產品在噪聲、轉速、體積、效率、壽命可靠性等方面都還有差距。只有加大理論研究和產品研發工作,才能為燃料電池電動汽車技術的發展打下堅實基礎。

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