燃料電池車用空壓機

                          一、空壓機基本要求

                                                                 A、無油。潤滑油膜覆蓋在質子交換膜上，會隔絕氧氣和氫氣的電化學反應。

                                                                B、高效率?？諌簷C寄生功率，嚴重影響電堆效率。

                                                                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業化。

                                                               D、低噪音?？諌簷C噪音是燃料電池發動機主要噪音來源。

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

                                                               F、動態響應快。車用動力系統會從“氫電鋰電混合”走向氫電全功率驅動，空壓機需要在每個工況下都能夠及時提供適合的壓縮空氣。

                         二、不同類型空壓機機械及性能特點

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

                        （1）離心式空壓機

                        通過旋轉葉輪對氣體做功，在葉輪與擴壓器流道內，利用離心生涯和降速擴壓作用，將機械工轉化為氣體內能。具有結構緊湊、響應快、壽命長和效率高的特點，

                        但離心式空壓機工作區域窄，在低流量高壓時會發生喘振，喘振嚴重影響壽命。

                        離心式有兩種方案，一種使用變速箱+滾珠軸承的方案，電機轉速低，缺點是結構復雜，需要機油，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上有一定限制。

                        空氣軸承離心式空壓機也有兩種，一種是單級壓縮的，工作區域窄，需要電機轉速高，壓比??；另一種是兩級壓縮的，工作區域寬，需要電機轉速較低，壓比高。

                        本田都使用的蓋瑞特雙級離心式空壓機，國內勢加透博實現了雙級離心式空壓機的量產。

                       （2）羅茨式空壓機

                        羅茨式空壓機的 轉子間的容腔不發生變化，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，從而產生壓力，是為“外壓縮”。

                        羅茨式采用轉子和泵殼間容積壓縮， 轉子和泵殼之間間距小于1mm，高溫熱脹冷縮容易卡殼，對泵殼機械強度要求高。羅茨式轉子采用擠壓生成，外壓縮對

                        轉子精度及耐磨性不高，生產成本低。由于采用滾珠軸承，需要加機油潤滑。

                        羅茨式空壓機工作范圍寬廣，適應于全功率燃料電池發動機。但是羅茨式空壓機高頻噪音很大，每個工況點噪音頻譜不同，需要針對性設計消音器。

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

                       （3）雙螺桿式空壓機

                        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“內壓縮”。

                        內壓縮對空氣質量要求較高，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，需要加機油潤滑。

                       雙螺桿式空壓機工作范圍寬廣，適應于全功率燃料電池發動機。但是雙螺桿式空壓機高頻噪音很大，每個工況點噪音頻譜不同，需要針對性設計消音器。

                       目前市場上燃料電池雙螺桿空壓機僅福建雪人實現量產。

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

                       另一方面，為防止軸承靜止時機油滲透，機油液面一般低于軸承。只要需要加機油，則風險存在，且空壓機出口的機油含量較難測量。

                       三、空壓機選型考慮因素

                      （1）電堆與空壓機MAP匹配

                                                        A、喘振線距離：

                       離心式空壓機存在喘振區域，一般設計工況需要遠離喘振線。

                                                       B、超負荷工況余量

                       在額定工況點外，通常設計一定的余量。

                                                       C、高效率區域

                      一般MAP上標出的時壓氣機效率，在低轉速時效率很低，需要考慮總效率。

                      變頻器效率94~96%，電機效率87~95%，傳動效率70~90%，壓氣機多變效率80~85%。因此，一般空壓機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，對應的空壓機工況點，在MAP圖上可以看到，空壓機工況下和轉速線相交位置的轉速線斜率，斜率越小，工況穩定性越差。

                                                      E、環境溫度和海拔高度

                     不同的環境溫度和壓力，會造成預設的工況點偏移，需要設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

                     空壓機功耗大，是燃料電池發動機輔助零件中最大的電能消耗者。100kW系統空壓機功耗不超過20kW。不同空壓機的能耗差異可以達到10~20%。

                     （3）噪音

                     離心式空壓機噪音一般在80-90dBA，羅茨式和螺桿式空壓機噪音在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、空壓機可靠性考核內容

                    （1）NEDC工況：

                     空壓機的耐久考核，一般采用電堆系統的考核標準，采用NEDC工況運行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℃，空壓機需要在高濕低溫環境下做冷啟動試驗。

                    （3）振動

                     目前一般按照電池包振動標準做隨機振動考核和機械沖擊考核?？諝廨S承空壓機，需要做啟停次數耐久試驗。

                    （4）EMC

                     空壓機控制器需要完成EMC考核。