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燃料电池电动汽车专用空压机技术简析

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  随着环保压力增大和能源趋于紧张,汽车技术越来越受到重视,新能源汽车的发展就是一个关键方向。其中氢燃料电池电动汽车以其零排放、高能效、续驶里程长、加注燃料时间短等优点,被认为是新能源汽车发展的重要方向之一。

  燃料电池系统是燃料电池电动汽车的核心部分,而燃料电池系统工作离不开空压机供应压缩空气,其性能直接影响着燃料电池系统的效率、动态性能、噪声等关键性能指标,因此燃料电池专用空压机的研发也非常重要。本文作者着重从专用空压机的应用情况进行讨论分析。

  空压机由压缩元件、驱动器、驱动压缩机元件的机械设备等组成。压缩元件是执行气体压缩过程所需的压缩元件和辅助装置,不包括驱动器、调速装置、气体处理设备和管道、压缩机设备、包装和安装设施及外壳。

  驱动器和机械设备是指提供机械输入、直接或间接驱动空压机的机器,以及空压机中将能量从驱动器转移到压缩元件的部件。辅助设备是指压缩机产品中空压机、驱动器或机械设备之外的任何设备。

  ( 1) 无油。因为润滑油随着空气进入燃料电池堆中,会使得催化剂发生中毒,从而影响燃料电池寿命和性能。

  ( 2) 高效。由于空压机自身功耗较大,有些占到燃料电池发动机功率 20% 左右,这就直接影响燃料电池系统的整体性能。

  ( 3) 小型化和低成本。在汽车上安装,空压机的小型化和低成本是燃料电池电动汽车产业化的必然要求。

  ( 4) 低噪声。空压机是燃料电池电动汽车的最大噪声源,高速时噪声较大,且空压机的转速高达 10×104 r /min 以上。

  ( 5) 喘振线在小流量区。这是燃料电池系统在小流量、高压比工况下高效运行的基本保障。

  ( 6) 动态性能好。汽车对动力需求变化加大,空气流量和压力能够快速跟踪需求功率的变化,这就要求空压机的转速超高。

  国内燃料电池发动机专用空压机总体水平较低,研究较少。清华大学研究人员设计过普通高速 ( 约 25000 r /min) 电机驱动的低压比转速离心压缩机,具有较高的效率和较宽的运行范围。在 24000 r /min 时,空压机最高效率和压比分别达到70%和 1.6。REN 和 FENG 研究了用于燃料电池电动汽车电动离心空压机的水润滑滑动轴承的抗冲击特性,临界冲击振幅不小于 150g,远大于车辆的抗冲击标准。WEI等对离心式压缩机的非定常特性进行了具体研究。

  国内的专用空压机产业化水平也相对较低。由于国外主流空压机的转速已到10×104 r/min 以上,这对空压机的技术水平挑战很大。目前国内只有很少几家能够生产燃料电池发动机专用压缩机,且还达不到完全产品化的水平,主要存在转速低、寿命低、效率低等主要问题。

  RAMINOSOA 等提出了一种用于汽车燃料电池系统空气管理的高速三相开关磁阻电机驱动压缩机的设计。并对机器进行了优化设计,理论效率可以达到 92. 4%,降低了压缩机的整体能耗,提高了燃料电池系统的整体效率。

  ZHAO等提出了一种基于动态扰动解耦控制的离心压缩系统控制方案,用于向燃料电池提供压缩空气。他们提出的控制策略能够同时控制质量流和压力,该控制器在暂态和稳态下都具有更好的性能。并在10kW 燃料电池模型负荷变化情况下得到具体验证。

  TALJ 等从描述 PEMFC空气子系统的四阶模型出发,提出了一种简化三阶模型。在 33kW 质子交换膜燃料电池上进行了实验验证,四阶和三阶模型的相对误差均小于5%。

  CHOI 提出了一种涡轮空压机的气动设计。以压比2. 2为目标,将压气机的流量从喘振扩大到节流质量流量,以覆盖FCV的工作范围。通过实验证明所设计的压缩机具有大流量、小排气量、压缩机结构的流量裕度大于大出口容积压气机的流量裕度等特点。

  TAN 等从压缩机测量入手,解释了尖峰式失速的特点。通过对转子端部流体的三维研究,确定了尖峰形成的一种可能机制。这一机制涉及叶尖间隙在叶片后缘的回流,以及前缘尖端泄漏流的正向溢出。

  由于国外燃料电池技术发展较快,产业化水平相对较高,其配套的空压机已经达到燃料电池系统产业化要求。下面主要介绍国外相关空压机的应用开发情况。

  如图1所示,燃料电池空气供应系统一般包括空气过滤器、空压机、电机、中冷器、增湿器、膨胀机及管道等。空压机的工作状况直接影响到燃料电池堆的工作情况。质子交换膜燃料电池系统对于空气压力变化最敏感,这是因为增压可以增加氧气量改善水平衡,提高反应薄膜的水合状态。虽然增压可提高燃料电池效率,但也需要增加功耗,其耗能可占到电堆输出能量的 20%,所以高效压缩方式可提高电池系统的整体性能。

  在质子交换膜燃料电池系统中,供气压力约为 3×105 Pa,流量为 100~300 kg /h,反应产物主要是水; 燃料电池堆出口气体温度为80~ 100 ℃,压力为 2.8×105 Pa,这部分排出废气还具有较高的可回收能量。为提高燃料电池效率,需用膨胀机来减少压缩机的能量消耗。压缩机所能耗占附件总能耗的 95% 左右,所以降低附件能耗关键是提高供气系统的效率,采用膨胀机回收排放废气能量是一种有效方式

  燃料电池的化学反应对空气的温度、湿度、压力和流量等参数有着严格的要求,普通的工业压缩机无法满足燃料电池的工作要求。因此性能优越且与燃料电池系统匹配良好的压缩机,对于燃料电池系统至关重要。无油、高效、小型化、低成本、低噪声、喘振线在小流量区和良好的动态响应能力等是对燃料电池发动机专用空压机的基本要求。

  根据压缩原理不同,空压机基本可分容积式与速度式两类。容积式为活塞式、螺杆式、滑片式3种; 速度式分为离心式和轴流式两种。容积式主要的类型为活塞式和螺杆式。速度式压缩机主要类型为涡旋式、离心式和旋转式,其中旋转式一般指罗茨机、叶氏机。

  速度式压缩机适用于大气量与低压力,容积式适用于较高压力。活塞式应用较广,便于中冷。活塞式、螺杆式制造要求高; 速度式要求转速高,动平衡要求高; 离心式的寿命较长。表 1 给出了主要类型空压机的特点。

  无油润滑双涡圈涡旋式空压机是适合用于燃料电池使用的空压机,其效率高、噪声低、结构简单、质量轻、可靠性好。

  美国 DOE 和 Author D. Little 公司合作开发了两代涡旋式空压机和膨胀机样机。第一代用于 28 kW 燃料电池,供气流量为42 g /s,压力可达 2. 2×105 Pa。第二代空压机转速和流量都提升了,可满足 50 kW 燃料电池工作需求。

  西安交通大学的学者们先后研制了 PEMFC 系统用无油喷水涡旋空压机、50 kW 燃料电池发动机用的涡旋式空压机和100 kW 燃料电池发动机用的螺杆式空压机。

  螺杆式空压机利用螺杆间的空气槽压缩空气,使用脂润滑轴承的无油螺杆压缩机能够保证供气中绝对无油。它能够提供可变压比,在燃料电池低负载时,可以保持水平衡特性。喷水螺杆压缩机可以提供系统部分用水,还可以降低供气温度,避免水平衡由于环境或者温升而破坏,提高压缩机的效率,增加燃料电池系统的能量密度,是比较理想的燃料电池专用空压机。

  戴姆勒公司在 Mercedes-Benz A 级燃料电池电动汽车上采用螺杆式空压机/膨胀机,其喷水螺杆式空压机可有效地降低压缩空气温度,保持燃料电池水平衡,系统效率提高 4%。另外配套的膨胀机回收部分排气能量,减少寄生功率。但螺杆式空压机和膨胀机的噪声较大,降噪措施增加了系统的成本、质量和复杂性。

  Mercedes-Benz B 级与 F 级燃料电池电动汽车则采用了电动螺杆式空压机,可有效改善空气压比和流量特性 ( 压比达2. 9) 。空压机设计应该综合考虑噪声、压比、流量、质量和效率等各 方 面 因 素,使 其 性 能 达 到 最 优。大 众 公 司 的 BoraHyMotion汽车的燃料电池发动机也采用了喷水螺杆压缩机。

  美国 UQM 公司生产的空压机可配套大功率车用燃料电池使用,整套压缩机系统包括电机及控制器、压缩系统及相应的控制软件。采用的空压机如图 2 所示。

  美国通用汽车公司在雪佛兰 燃料电池电动汽车中使用了螺杆式电动空压机,如图 3 所示。

  离心式空压机具有结构紧凑、响应快、寿命长和效率高等特点。它通过旋转叶轮对气体做功,利用离心升压和降速扩压作用,将机械能转换为气体压力能。但在低流量时发生的喘振现象,会严重影响系统性能和使用寿命。

  同济大学的学者们通过对压缩机的蜗壳、叶轮和扩压器进行设计和优化,开发了低流量系数后倾后弯离心式空压机,在国内首次实现了离心式空压机在 8×104 r /min 下的稳定运行。相比现有的工业用离心式压缩机,该离心式空压机具有更窄的喘振边界和更宽的稳定运行范围,小流量可以实现更大的压力升高率,有利于空压机在低流量高压比下不发生喘振。它采用了水润滑轴承,提高了做功能力,但水润滑轴承需要润滑水路和驱动装置,使得系统变得复杂。

  DOE 与美国伊顿公司基于 P 级和 R 级罗茨式压缩机研制了新型空气供应系统。改进后的压缩机可以提供压比 2. 5、流量 92 g /s 的压缩空气,并由电机和膨胀机联合驱动,通过调整峰值效率点,使其适用 80 kW 燃料电池系统。罗茨式空压机在做功能力、功率密度以及经济性等方面具有较大的优势。

  丰田使用高效六叶螺旋罗茨方式空压机,如图 4 所示。在低负载时流量约为 100 L/min,在高负载时约为 5 000L/min,最大压比约为 3。

  罗茨式空压机的工作转速较低,可使用结构复杂的空气轴承; 高效运行区较宽,可提高燃料经济性; 技术已经相对成熟,在其他领域已得到比较充分的应用。

  螺旋式交叉滑片结构属于容积式机械,采用两组呈 90°的滑片链相互啮合形成压缩腔,并通过交叉旋转来压缩空气。

  美国 Mechanology LLC 开发了用于燃料电池系统的螺旋式交叉滑片压缩机。对副转子结构进行优化,消除滑片间的功率传递,可有效减小滑片间的摩擦损失。同时通过对啮合滑片表面结构的优化设计,减小压力损失,使空压机出口压力提高6. 7×104 Pa。DOE 的测试结果显示其样机具有潜在性能优势,可在 1 500 r /min 低转速下实现小体积大流量 ( 压比 3. 2、流量72 g /s) 供气,但样机存在泄漏损失和进出口压力损失等问题。

  Vairex 公司开发的活塞压缩机,通过改变活塞容积或者排气阀的开度,流量和压比分别单独可调 ( 如图 5 所示) 。

  英国 Aeristech 公司生产的电动空压器为采用铝制涡轮增压型压缩机 ( 如图 6 所示) ,压缩机与高转速电机直连 ( 无减速机构) 。在结构设计上,它与罗茨泵、螺杆泵增压器差别较大 。

  2017 款本田 Clarity燃料电池电动汽车使用了新电子涡轮空压机,用来为燃料电池提供更多的氧气。它原来的压缩机类似机械增压,加速工况噪声较大。改用涡轮增压之后,其噪声与普通风扇相当。霍尼韦尔 ( Honeywell) 两级电动压缩机 ( 如图 7 所示) 通过将燃料电池堆整体尺寸减小到与 V6 发动机相当,Clarity 的燃料电池组比以前的产品体积减小 33%。两级电动压缩机采用空气轴承,运转速度可达 110 000 r /min,最高压力为 4× 105 Pa,而且效率高、质量轻、体积小。与本田FCX Clarity 相比,Clarity Fuel Cell 的功率密度将增加 60%。

  松下公司的滑片式电动空压机计划在混合动力车、电动汽车和燃料电池汽车上使用。新设计方案减小了逆变器体积,实现逆变器和压缩机一体化,使压缩机更加小型和轻量化。美国 MIEE Driver 科技公司提出在滑片压缩机上将压缩机和膨胀机集成,压缩和膨胀的过程在一个气缸中完成,开发了铰链式压缩膨胀机回收部分能量,实现低摩擦、全无油工作。

  DOE 发布的压缩机测试程序是在 ISO1217: 2009 ( E) 基础上修改而成,介绍了空压机测试程序和注意事项,包括了试验过程和相关细节。该测试规程有明确的适用范围,还不能涵盖全部空压机类型。随着燃料电池电动汽车技术的发展,专用空压机的研究、制造和测试技术会受到越来越多的重视,各种相关标准也会不断提出和完善。

  燃料电池电动汽车用空压机产品的类型较多,这跟燃料电池电动汽车用空压机发展初期各种探索和尝试有很大关系。不同空压机优缺点明显,这需要行业从成本和性能等方面综合考虑,做出选择。从当前情况来看,离心式空压机和螺杆式空压机比较受到重视,这与其自身高效可靠等优点是分不开的。随着燃料电池电动汽车的继续发展,空压机的技术也会越来越成熟。

  我国的车用燃料电池电动汽车技术起步较晚,相关配套装置的技术也相对落后,现有的专用空压机产品在噪声、转速、体积、效率、寿命可靠性等方面都还有差距。只有加大理论研究和产品研发工作,才能为燃料电池电动汽车技术的发展打下坚实基础。

  在燃料电池空压机控制系统中,需要几十安培的电流进行检测,需要选择合适的电流传感器。我们一般会选择集成式的霍尔电流传感器,并尽可能选用车规级产品。

  CH704 是专为大电流检测应用开发的隔离集成式电流传感芯片。CH704 内置 0.1 mΩ 的初级导体电阻,有效降低芯片发热支持大电流检测:±50A, ±100A, ±150A, ±200A。其内部集成独特的温度补偿电路以实现芯片在 -40 到150度全温范围内良好的一致性。出厂前芯片已做好灵敏度和静态(零电流)输出电压的校准,在全温度范围内提供 ±2% 的典型准确性。

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