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燃料电池用空压机
双击自动滚屏 发布者:zq1229 发布时间:2020/4/8 12:33:20 阅读:45次 【字体:
 

 

燃料电池空压机


关键词;空压机功耗,空压机噪音,空压机流量准确性、空压机压比准确性 空压机冷启动,离心式燃料电池用空压机、罗茨式燃料电池用空压机、螺杆式燃料电池用空压机,

描述: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。车用燃料电池电堆的“肺”,空压机主要担负供气增压作用,关系燃料电池堆稳态性能输出、系统效率、噪音水平和动态性能等技术指标。

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。

空压机分类


不同类型空压机机械及性能特点
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FCV Clarity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110%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,250-450 VDC、450-750 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 31466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CAN 2.0B,目前还没有按照SAE-J1939或者ISO11898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8 kW,80 kW电堆空压机功耗不超过12 kW。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80-90 dBA区间,罗茨式和螺杆式空压机原始噪音在110-120 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
NEDC工况
在传统发动机领域,NEDC稳态工况是国V法规下的测试工况,在国VI法规下已改为WLTC瞬态工况,主要考察的是排放因素。
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5 g考核和机械冲击30 g考核。空气轴承空压机,需做启停次数耐久试验。

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