燃料電池電動汽車專用空壓機技術(shù)簡析

郝冬，朱凱，張妍懿，王曉兵，季祥，王仁廣

(1.中國汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300；2.河北工業(yè)大學機械學院，天津 300401)

0 引言

隨著環(huán)保壓力增大和能源趨于緊張，汽車技術(shù)越來越受到重視，新能源汽車的發(fā)展就是一個關(guān)鍵方向。其中氫燃料電池電動汽車以其零排放、高能效、續(xù)駛里程長、加注燃料時間短等優(yōu)點，被認為是新能源汽車發(fā)展的重要方向之一。

燃料電池系統(tǒng)是燃料電池電動汽車的核心部分，而燃料電池系統(tǒng)工作離不開空壓機供應(yīng)壓縮空氣，其性能直接影響著燃料電池系統(tǒng)的效率、動態(tài)性能、噪聲等關(guān)鍵性能指標，因此燃料電池專用空壓機的研發(fā)也非常重要。本文作者著重從專用空壓機的應(yīng)用情況進行討論分析。

1 燃料電池專用空壓機簡介

1.1 基本組成

空壓機由壓縮元件、驅(qū)動器、驅(qū)動壓縮機元件的機械設(shè)備等組成。

壓縮元件是執(zhí)行氣體壓縮過程所需的壓縮元件和輔助裝置，不包括驅(qū)動器、調(diào)速裝置、氣體處理設(shè)備和管道、壓縮機設(shè)備、包裝和安裝設(shè)施及外殼。

驅(qū)動器和機械設(shè)備是指提供機械輸入、直接或間接驅(qū)動空壓機的機器，以及空壓機中將能量從驅(qū)動器轉(zhuǎn)移到壓縮元件的部件。

輔助設(shè)備是指壓縮機產(chǎn)品中空壓機、驅(qū)動器或機械設(shè)備之外的任何設(shè)備。

1.2 基本要求

(1)無油。因為潤滑油隨著空氣進入燃料電池堆中，會使得催化劑發(fā)生中毒，從而影響燃料電池壽命和性能。

(2)高效。由于空壓機自身功耗較大，有些占到燃料電池發(fā)動機功率20%左右，這就直接影響燃料電池系統(tǒng)的整體性能。

(3)小型化和低成本。在汽車上安裝，空壓機的小型化和低成本是燃料電池電動汽車產(chǎn)業(yè)化的必然要求。

(4)低噪聲。空壓機是燃料電池電動汽車的最大噪聲源，高速時噪聲較大，且空壓機的轉(zhuǎn)速高達10×104r/min以上。

(5)喘振線在小流量區(qū)。這是燃料電池系統(tǒng)在小流量、高壓比工況下高效運行的基本保障。

(6)動態(tài)性能好。汽車對動力需求變化加大，空氣流量和壓力能夠快速跟蹤需求功率的變化，這就要求空壓機的轉(zhuǎn)速超高。

2 燃料電池電動汽車空壓機技術(shù)研究現(xiàn)狀

2.1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)燃料電池發(fā)動機專用空壓機總體水平較低，研究較少。清華大學研究人員設(shè)計過普通高速(約25 000 r/min)電機驅(qū)動的低壓比轉(zhuǎn)速離心壓縮機，具有較高的效率和較寬的運行范圍。在24 000 r/min時，空壓機最高效率和壓比分別達到70%和1.6[2]。REN和FENG研究了用于燃料電池電動汽車電動離心空壓機的水潤滑滑動軸承的抗沖擊特性，臨界沖擊振幅不小于150g，遠大于車輛的抗沖擊標準[3]。WEI等對離心式壓縮機的非定常特性進行了具體研究[4]。

國內(nèi)的專用空壓機產(chǎn)業(yè)化水平也相對較低。由于國外主流空壓機的轉(zhuǎn)速已到10×104r/min以上，這對空壓機的技術(shù)水平挑戰(zhàn)很大。目前國內(nèi)只有很少幾家能夠生產(chǎn)燃料電池發(fā)動機專用壓縮機，且還達不到完全產(chǎn)品化的水平，主要存在轉(zhuǎn)速低、壽命低、效率低等主要問題。

2.2 國外研究現(xiàn)狀

RAMINOSOA等提出了一種用于汽車燃料電池系統(tǒng)空氣管理的高速三相開關(guān)磁阻電機驅(qū)動壓縮機的設(shè)計。并對機器進行了優(yōu)化設(shè)計，理論效率可以達到92.4%，降低了壓縮機的整體能耗，提高了燃料電池系統(tǒng)的整體效率[5]。

ZHAO等提出了一種基于動態(tài)擾動解耦控制的離心壓縮系統(tǒng)控制方案，用于向燃料電池提供壓縮空氣。他們提出的控制策略能夠同時控制質(zhì)量流和壓力，該控制器在暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)下都具有更好的性能。并在10 kW燃料電池模型負荷變化情況下得到具體驗證[6]。

TALJ等從描述PEMFC空氣子系統(tǒng)的四階模型出發(fā)，提出了一種簡化三階模型。在33 kW 質(zhì)子交換膜燃料電池上進行了實驗驗證，四階和三階模型的相對誤差均小于5%[7]。

CHOI提出了一種渦輪空壓機的氣動設(shè)計。以壓比2.2為目標，將壓氣機的流量從喘振擴大到節(jié)流質(zhì)量流量，以覆蓋FCV的工作范圍。通過實驗證明所設(shè)計的壓縮機具有大流量、小排氣量、壓縮機結(jié)構(gòu)的流量裕度大于大出口容積壓氣機的流量裕度等特點[8]。

TAN等從壓縮機測量入手，解釋了尖峰式失速的特點。通過對轉(zhuǎn)子端部流體的三維研究，確定了尖峰形成的一種可能機制。這一機制涉及葉尖間隙在葉片后緣的回流，以及前緣尖端泄漏流的正向溢出[9]。

由于國外燃料電池技術(shù)發(fā)展較快，產(chǎn)業(yè)化水平相對較高，其配套的空壓機已經(jīng)達到燃料電池系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化要求。下面主要介紹國外相關(guān)空壓機的應(yīng)用開發(fā)情況。

3 應(yīng)用分析

3.1 FCV(Fuel Cell Vehicle)空氣供氣系統(tǒng)

如圖1所示，燃料電池空氣供應(yīng)系統(tǒng)一般包括空氣過濾器、空壓機、電機、中冷器、增濕器、膨脹機及管道等[10]?？諌簷C的工作狀況直接影響到燃料電池堆的工作情況。質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)對于空氣壓力變化最敏感，這是因為增壓可以增加氧氣量改善水平衡，提高反應(yīng)薄膜的水合狀態(tài)[11]。雖然增壓可提高燃料電池效率，但也需要增加功耗，其耗能可占到電堆輸出能量的20%，所以高效壓縮方式可提高電池系統(tǒng)的整體性能。

圖1 質(zhì)子交換膜燃料電池供氣系統(tǒng)組成示意

在質(zhì)子交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC)系統(tǒng)中，供氣壓力約為3×105Pa，流量為100～300 kg/h，反應(yīng)產(chǎn)物主要是水；燃料電池堆出口氣體溫度為80～100 ℃，壓力為2.8×105Pa，這部分排出廢氣還具有較高的可回收能量。為提高燃料電池效率，需用膨脹機來減少壓縮機的能量消耗[12]。壓縮機所能耗占附件總能耗的95%左右，所以降低附件能耗關(guān)鍵是提高供氣系統(tǒng)的效率，采用膨脹機回收排放廢氣能量是一種有效方式。

3.2 FCV對空壓機的要求

燃料電池的化學反應(yīng)對空氣的溫度、濕度、壓力和流量等參數(shù)有著嚴格的要求，普通的工業(yè)壓縮機無法滿足燃料電池的工作要求。因此性能優(yōu)越且與燃料電池系統(tǒng)匹配良好的壓縮機，對于燃料電池系統(tǒng)至關(guān)重要。無油、高效、小型化、低成本、低噪聲、喘振線在小流量區(qū)和良好的動態(tài)響應(yīng)能力等是對燃料電池發(fā)動機專用空壓機的基本要求[13]。

3.3 空壓機類型及產(chǎn)品應(yīng)用

根據(jù)壓縮原理不同，空壓機基本可分容積式與速度式兩類。容積式為活塞式、螺桿式、滑片式3種；速度式分為離心式和軸流式兩種。容積式主要的類型為活塞式和螺桿式[14]。速度式壓縮機主要類型為渦旋式、離心式和旋轉(zhuǎn)式，其中旋轉(zhuǎn)式一般指羅茨機、葉氏機。

速度式壓縮機適用于大氣量與低壓力，容積式適用于較高壓力?；钊綉?yīng)用較廣，便于中冷?；钊健⒙輻U式制造要求高；速度式要求轉(zhuǎn)速高，動平衡要求高；離心式的壽命較長。表1給出了主要類型空壓機的特點。

表1 主要類型空壓機的特點

3.3.1 渦旋式空壓機

無油潤滑雙渦圈渦旋式空壓機是適合用于燃料電池使用的空壓機，其效率高、噪聲低、結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕、可靠性好。

美國DOE和Author D. Little公司合作開發(fā)了兩代渦旋式空壓機和膨脹機樣機。第一代用于28 kW燃料電池，供氣流量為42 g/s，壓力可達2.2×105Pa。第二代空壓機轉(zhuǎn)速和流量都提升了，可滿足50 kW燃料電池工作需求。

西安交通大學的學者們先后研制了PEMFC系統(tǒng)用無油噴水渦旋空壓機、50 kW燃料電池發(fā)動機用的渦旋式空壓機和100 kW燃料電池發(fā)動機用的螺桿式空壓機。

3.3.2 螺桿式壓縮機

螺桿式空壓機利用螺桿間的空氣槽壓縮空氣，使用脂潤滑軸承的無油螺桿壓縮機能夠保證供氣中絕對無油。它能夠提供可變壓比，在燃料電池低負載時，可以保持水平衡特性。噴水螺桿壓縮機可以提供系統(tǒng)部分用水，還可以降低供氣溫度，避免水平衡由于環(huán)境或者溫升而破壞，提高壓縮機的效率，增加燃料電池系統(tǒng)的能量密度，是比較理想的燃料電池專用空壓機[15-17]。

戴姆勒公司在Mercedes-Benz A級燃料電池電動汽車上采用螺桿式空壓機/膨脹機，其噴水螺桿式空壓機可有效地降低壓縮空氣溫度，保持燃料電池水平衡，系統(tǒng)效率提高4%。另外配套的膨脹機回收部分排氣能量，減少寄生功率。但螺桿式空壓機和膨脹機的噪聲較大，降噪措施增加了系統(tǒng)的成本、質(zhì)量和復雜性。

Mercedes-Benz B級與F級燃料電池電動汽車則采用了電動螺桿式空壓機，可有效改善空氣壓比和流量特性(壓比達2.9)?？諌簷C設(shè)計應(yīng)該綜合考慮噪聲、壓比、流量、質(zhì)量和效率等各方面因素，使其性能達到最優(yōu)。大眾公司的Bora HyMotion汽車的燃料電池發(fā)動機也采用了噴水螺桿壓縮機。

美國UQM公司生產(chǎn)的空壓機可配套大功率車用燃料電池使用，整套壓縮機系統(tǒng)包括電機及控制器、壓縮系統(tǒng)及相應(yīng)的控制軟件。采用的空壓機如圖2所示。

圖2 UQM公司開發(fā)的空壓機

美國通用汽車公司在雪佛蘭探界者(Equinox)燃料電池電動汽車中使用了螺桿式電動空壓機，如圖3所示。

圖3 探界者汽車上使用的螺桿式電動空壓機

3.3.3 離心式空壓機

離心式空壓機具有結(jié)構(gòu)緊湊、響應(yīng)快、壽命長和效率高等特點。它通過旋轉(zhuǎn)葉輪對氣體做功，利用離心升壓和降速擴壓作用，將機械能轉(zhuǎn)換為氣體壓力能[18]。但在低流量時發(fā)生的喘振現(xiàn)象，會嚴重影響系統(tǒng)性能和使用壽命。

同濟大學的學者們通過對壓縮機的蝸殼、葉輪和擴壓器進行設(shè)計和優(yōu)化，開發(fā)了低流量系數(shù)后傾后彎離心式空壓機，在國內(nèi)首次實現(xiàn)了離心式空壓機在8×104r/min下的穩(wěn)定運行。相比現(xiàn)有的工業(yè)用離心式壓縮機，該離心式空壓機具有更窄的喘振邊界和更寬的穩(wěn)定運行范圍，小流量可以實現(xiàn)更大的壓力升高率，有利于空壓機在低流量高壓比下不發(fā)生喘振。它采用了水潤滑軸承，提高了做功能力，但水潤滑軸承需要潤滑水路和驅(qū)動裝置，使得系統(tǒng)變得復雜。

3.3.4 羅茨式空壓機

DOE與美國伊頓公司基于P級和R級羅茨式壓縮機研制了新型空氣供應(yīng)系統(tǒng)。改進后的壓縮機可以提供壓比2.5、流量92 g/s的壓縮空氣，并由電機和膨脹機聯(lián)合驅(qū)動，通過調(diào)整峰值效率點，使其適用80 kW燃料電池系統(tǒng)。羅茨式空壓機在做功能力、功率密度以及經(jīng)濟性等方面具有較大的優(yōu)勢。

豐田Mirai使用高效六葉螺旋羅茨方式空壓機，如圖4所示。在低負載時流量約為100 L/min，在高負載時約為5 000 L/min，最大壓比約為3。

圖4 豐田Mirai燃料電池電動汽車使用的空壓機

羅茨式空壓機的工作轉(zhuǎn)速較低，可使用結(jié)構(gòu)復雜的空氣軸承；高效運行區(qū)較寬，可提高燃料經(jīng)濟性；技術(shù)已經(jīng)相對成熟，在其他領(lǐng)域已得到比較充分的應(yīng)用。

3.3.5 螺旋式交叉滑片空壓機

螺旋式交叉滑片結(jié)構(gòu)屬于容積式機械，采用兩組呈90°的滑片鏈相互嚙合形成壓縮腔，并通過交叉旋轉(zhuǎn)來壓縮空氣。

美國Mechanology LLC開發(fā)了用于燃料電池系統(tǒng)的螺旋式交叉滑片壓縮機。對副轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，消除滑片間的功率傳遞，可有效減小滑片間的摩擦損失。同時通過對嚙合滑片表面結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，減小壓力損失，使空壓機出口壓力提高6.7×104Pa。DOE的測試結(jié)果顯示其樣機具有潛在性能優(yōu)勢，可在1 500 r/min低轉(zhuǎn)速下實現(xiàn)小體積大流量(壓比3.2、流量72 g/s)供氣，但樣機存在泄漏損失和進出口壓力損失等問題。

3.3.6 活塞式空壓機

Vairex公司開發(fā)的活塞壓縮機，通過改變活塞容積或者排氣閥的開度，流量和壓比分別單獨可調(diào)(如圖5所示)。

圖5 Vairex公司開發(fā)的活塞式壓縮機示意

3.3.7 渦輪式空壓機

英國Aeristech公司生產(chǎn)的電動空壓器為采用鋁制渦輪增壓型壓縮機(如圖6所示)，壓縮機與高轉(zhuǎn)速電機直連(無減速機構(gòu))。在結(jié)構(gòu)設(shè)計上，它與羅茨泵、螺桿泵增壓器差別較大。

圖6 Aeristech公司開發(fā)的電動渦輪空壓器

2017款本田Clarity燃料電池電動汽車使用了新電子渦輪空壓機，用來為燃料電池提供更多的氧氣。它原來的壓縮機類似機械增壓，加速工況噪聲較大。改用渦輪增壓之后，其噪聲與普通風扇相當。霍尼韋爾(Honeywell)兩級電動壓縮機(如圖7所示)通過將燃料電池堆整體尺寸減小到與V6發(fā)動機相當， Clarity的燃料電池組比以前的產(chǎn)品體積減小33%。兩級電動壓縮機采用空氣軸承，運轉(zhuǎn)速度可達110 000 r/min，最高壓力為4×105Pa，而且效率高、質(zhì)量輕、體積小[19-20]。與本田FCX Clarity相比，Clarity Fuel Cell的功率密度將增加60%。

圖7 霍尼韋爾兩級電動渦輪空壓機

瑞士燃料電池公司(Swiss Hydrogen)使用Celeroton無油空氣軸承渦輪增壓壓縮機(如圖8所示)與轉(zhuǎn)換器為菲亞特500的10 kW燃料電池增程器供氣。

圖8 Swiss Hydrogen公司研發(fā)的渦輪壓縮機

3.3.8 滑片式和鉸鏈式空壓機

松下公司的滑片式電動空壓機計劃在混合動力車、電動汽車和燃料電池汽車上使用。新設(shè)計方案減小了逆變器體積，實現(xiàn)逆變器和壓縮機一體化，使壓縮機更加小型和輕量化。

美國MIEE Driver科技公司提出在滑片壓縮機上將壓縮機和膨脹機集成，壓縮和膨脹的過程在一個氣缸中完成，開發(fā)了鉸鏈式壓縮膨脹機回收部分能量，實現(xiàn)低摩擦、全無油工作。

4 總結(jié)

DOE發(fā)布的壓縮機測試程序是在ISO1217:2009 (E)基礎(chǔ)上修改而成，介紹了空壓機測試程序和注意事項，包括了試驗過程和相關(guān)細節(jié)。該測試規(guī)程有明確的適用范圍，還不能涵蓋全部空壓機類型。隨著燃料電池電動汽車技術(shù)的發(fā)展，專用空壓機的研究、制造和測試技術(shù)會受到越來越多的重視，各種相關(guān)標準也會不斷提出和完善。

燃料電池電動汽車用空壓機產(chǎn)品的類型較多，這跟燃料電池電動汽車用空壓機發(fā)展初期各種探索和嘗試有很大關(guān)系。不同空壓機優(yōu)缺點明顯，這需要行業(yè)從成本和性能等方面綜合考慮，做出選擇。從當前情況來看，離心式空壓機和螺桿式空壓機比較受到重視，這與其自身高效可靠等優(yōu)點是分不開的。隨著燃料電池電動汽車的繼續(xù)發(fā)展，空壓機的技術(shù)也會越來越成熟。

我國的車用燃料電池電動汽車技術(shù)起步較晚，相關(guān)配套裝置的技術(shù)也相對落后，現(xiàn)有的專用空壓機產(chǎn)品在噪聲、轉(zhuǎn)速、體積、效率、壽命可靠性等方面都還有差距。只有加大理論研究和產(chǎn)品研發(fā)工作，才能為燃料電池電動汽車技術(shù)的發(fā)展打下堅實基礎(chǔ)。