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,會隔絕氧氣和氫氣的電化學(xué)反應(yīng)。
B、高效率。空壓機(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。空壓機(jī)噪音是燃料電池發(fā)動機(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、動態(tài)響應(yīng)快。車用動力系統(tǒng)會從“氫電鋰電混合”走向氫電全功率驅(qū)動,空壓機(jī)需要在每個工況下都能夠及時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
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,
但離心式空壓機(jī)工作區(qū)域窄,在低流量高壓時會發(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,缺點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜,需要機(jī)油,變速箱壽命短;另一種是動壓空氣懸浮軸承,空氣間隙小、
起動時干摩擦,對軸承精度、耐磨性等要求高,在耐振動沖擊和啟停次數(shù)上有一定限制。
空氣軸承離心式空壓機(jī)也有兩種,一種是單級壓縮的,工作區(qū)域窄,需要電機(jī)轉(zhuǎn)速高,壓比小;另一種是兩級壓縮的,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離心式空壓機(jī),國內(nèi)勢加透博實現(xiàn)了雙級離心式空壓機(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
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)動機(jī)。但是羅茨式空壓機(jī)高頻噪音很大,每個工況點噪音頻譜不同,需要針對性設(shè)計消音器。
豐田在早期時使用渦旋式空壓機(jī),之后改為六頁羅茨式空壓機(jī)。針對噪音問題,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)壓縮對空氣質(zhì)量要求較高,空氣中顆粒會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,在高壓比時功耗相對離心式羅茨式
功耗低。對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)動機(jī)。但是雙螺桿式空壓機(jī)高頻噪音很大,每個工況點噪音頻譜不同,需要針對性設(shè)計消音器。
目前市場上燃料電池雙螺桿空壓機(jī)僅福建雪人實現(xiàn)量產(chǎn)。
關(guān)于機(jī)油問題,目前主要從兩個方面減少機(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
在額定工況點外,通常設(shè)計一定的余量。
C、高效率區(qū)域
一般MAP上標(biāo)出的時壓氣機(jī)效率,在低轉(zhuǎn)速時效率很低,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
電堆落在工況點,對應(yīng)的空壓機(jī)工況點,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,會造成預(yù)設(shè)的工況點偏移,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
目前燃料電池的冷啟動做到-20℃,部分廠家可以做到-30℃,空壓機(jī)需要在高濕低溫環(huán)境下做冷啟動試驗。
(3)振動
目前一般按照電池包振動標(biāo)準(zhǔn)做隨機(jī)振動考核和機(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。
(4)EMC
空壓機(jī)控制器需要完成EMC考核。