燃料電池車用空壓機(jī)

                          一、空壓機(jī)基本要求

                                                                 A、無油。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(yīng)。

                                                                B、高效率?？諌簷C(jī)寄生功率，嚴(yán)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(jī)噪音是燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)主要噪音來源。

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

                                                               F、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。車用動(dòng)力系統(tǒng)會(huì)從“氫電鋰電混合”走向氫電全功率驅(qū)動(dòng)，空壓機(jī)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、不同類型空壓機(jī)機(jī)械及性能特點(diǎn)

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

                        （1）離心式空壓機(jī)

                        通過旋轉(zhuǎn)葉輪對(duì)氣體做功，在葉輪與擴(kuò)壓器流道內(nèi)，利用離心生涯和降速擴(kuò)壓作用，將機(jī)械工轉(zhuǎn)化為氣體內(nèi)能。具有結(jié)構(gòu)緊湊、響應(yīng)快、壽命長和效率高的特點(diǎn)，

                        但離心式空壓機(jī)工作區(qū)域窄，在低流量高壓時(shí)會(huì)發(fā)生喘振，喘振嚴(yán)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(jī)轉(zhuǎn)速低，缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要機(jī)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(duì)軸承精度、耐磨性等要求高，在耐振動(dòng)沖擊和啟停次數(shù)上有一定限制。

                        空氣軸承離心式空壓機(jī)也有兩種，一種是單級(jí)壓縮的，工作區(qū)域窄，需要電機(jī)轉(zhuǎn)速高，壓比??；另一種是兩級(jí)壓縮的，工作區(qū)域?qū)?，需要電機(jī)轉(zhuǎn)速較低，壓比高。

                        本田都使用的蓋瑞特雙級(jí)離心式空壓機(jī)，國內(nèi)勢加透博實(shí)現(xiàn)了雙級(jí)離心式空壓機(jī)的量產(chǎn)。

                       （2）羅茨式空壓機(jī)

                        羅茨式空壓機(jī)的 轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子和泵殼間容積壓縮， 轉(zhuǎn)子和泵殼之間間距小于1mm，高溫?zé)崦浝淇s容易卡殼，對(duì)泵殼機(jī)械強(qiáng)度要求高。羅茨式轉(zhuǎn)子采用擠壓生成，外壓縮對(duì)

                        轉(zhuǎn)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(jī)油潤滑。

                        羅茨式空壓機(jī)工作范圍寬廣，適應(yīng)于全功率燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)。但是羅茨式空壓機(jī)高頻噪音很大，每個(gè)工況點(diǎn)噪音頻譜不同，需要針對(duì)性設(shè)計(jì)消音器。

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

                       （3）雙螺桿式空壓機(jī)

                        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(nèi)壓縮”。

                        內(nèi)壓縮對(duì)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題，螺桿上一般都有耐磨涂層。內(nèi)壓縮容易形成很高壓縮比，在高壓比時(shí)功耗相對(duì)離心式羅茨式

                        功耗低。對(duì)螺桿形狀和軸承精度要求高，采用滾珠軸承，需要加機(jī)油潤滑。

                       雙螺桿式空壓機(jī)工作范圍寬廣，適應(yīng)于全功率燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)。但是雙螺桿式空壓機(jī)高頻噪音很大，每個(gè)工況點(diǎn)噪音頻譜不同，需要針對(duì)性設(shè)計(jì)消音器。

                       目前市場上燃料電池雙螺桿空壓機(jī)僅福建雪人實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。

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

                       另一方面，為防止軸承靜止時(shí)機(jī)油滲透，機(jī)油液面一般低于軸承。只要需要加機(jī)油，則風(fēng)險(xiǎn)存在，且空壓機(jī)出口的機(jī)油含量較難測量。

                       三、空壓機(jī)選型考慮因素

                      （1）電堆與空壓機(jī)MAP匹配

                                                        A、喘振線距離：

                       離心式空壓機(jī)存在喘振區(qū)域，一般設(shè)計(jì)工況需要遠(yuǎn)離喘振線。

                                                       B、超負(fù)荷工況余量

                       在額定工況點(diǎn)外，通常設(shè)計(jì)一定的余量。

                                                       C、高效率區(qū)域

                      一般MAP上標(biāo)出的時(shí)壓氣機(jī)效率，在低轉(zhuǎn)速時(shí)效率很低，需要考慮總效率。

                      變頻器效率94~96%，電機(jī)效率87~95%，傳動(dòng)效率70~90%，壓氣機(jī)多變效率80~85%。因此，一般空壓機(jī)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(dòng)

                     電堆落在工況點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的空壓機(jī)工況點(diǎn)，在MAP圖上可以看到，空壓機(jī)工況下和轉(zhuǎn)速線相交位置的轉(zhuǎn)速線斜率，斜率越小，工況穩(wěn)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(yù)設(shè)的工況點(diǎn)偏移，需要設(shè)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(jī)功耗大，是燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)輔助零件中最大的電能消耗者。100kW系統(tǒng)空壓機(jī)功耗不超過20kW。不同空壓機(jī)的能耗差異可以達(dá)到10~20%。

                     （3）噪音

                     離心式空壓機(jī)噪音一般在80-90dBA，羅茨式和螺桿式空壓機(jī)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(jī)可靠性考核內(nèi)容

                    （1）NEDC工況：

                     空壓機(jī)的耐久考核，一般采用電堆系統(tǒng)的考核標(biāo)準(zhǔn)，采用NEDC工況運(yùn)行1000h。

                    （2）冷啟動(dòng)

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

                    （3）振動(dòng)

                     目前一般按照電池包振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)做隨機(jī)振動(dòng)考核和機(jī)械沖擊考核?？諝廨S承空壓機(jī)，需要做啟停次數(shù)耐久試驗(yàn)。

                    （4）EMC

                     空壓機(jī)控制器需要完成EMC考核。