燃料电池车用空压机

                          一、空压机基本要求

                                                                 A、无油。润滑油膜覆盖在质子交换膜上，会隔绝氧气和氢气的电化学反应。

                                                                B、高效率。空压机寄生功率，严重影响电堆效率。

                                                                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产业化。

                                                               D、低噪音。空压机噪音是燃料电池发动机主要噪音来源。

                                                               E、特性范围宽。满足环境温度、海拔高度变化需求，空压机需要有更宽的MAP特性。

                                                               F、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够及时提供适合的压缩空气。

                         二、不同类型空压机机械及性能特点

                         目前，燃料电池用空压机主要有离心式、罗茨式、螺杆式三种。

                        （1）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，利用离心生涯和降速扩压作用，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，在低流量高压时会发生喘振，喘振严重影响寿命。

                        离心式有两种方案，一种使用变速箱+滚珠轴承的方案，电机转速低，缺点是结构复杂，需要机油，变速箱寿命短；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。

                        空气轴承离心式空压机也有两种，一种是单级压缩的，工作区域窄，需要电机转速高，压比小；另一种是两级压缩的，工作区域宽，需要电机转速较低，压比高。

                        本田都使用的盖瑞特双级离心式空压机，国内势加透博实现了双级离心式空压机的量产。

                       （2）罗茨式空压机

                        罗茨式空压机的 转子间的容腔不发生变化，压力升高依靠把空气挤压到外部较小的容腔中，外部容腔中空气密度不断升高，从而产生压力，是为“外压缩”。

                        罗茨式采用转子和泵壳间容积压缩， 转子和泵壳之间间距小于1mm，高温热胀冷缩容易卡壳，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，需要加机油润滑。

                        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。

                        丰田在早期时使用涡旋式空压机，之后改为六页罗茨式空压机。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。

                       （3）双螺杆式空压机

                        通过在螺杆之间形成压缩腔，公母螺杆之间的容腔逐渐缩小，气体家里逐渐升高，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，螺杆上一般都有耐磨涂层。内压缩容易形成很高压缩比，在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，需要加机油润滑。

                       双螺杆式空压机工作范围宽广，适应于全功率燃料电池发动机。但是双螺杆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。

                       目前市场上燃料电池双螺杆空压机仅福建雪人实现量产。

                       关于机油问题，目前主要从两个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。只要需要加机油，则风险存在，且空压机出口的机油含量较难测量。

                       三、空压机选型考虑因素

                      （1）电堆与空压机MAP匹配

                                                        A、喘振线距离：

                       离心式空压机存在喘振区域，一般设计工况需要远离喘振线。

                                                       B、超负荷工况余量

                       在额定工况点外，通常设计一定的余量。

                                                       C、高效率区域

                      一般MAP上标出的时压气机效率，在低转速时效率很低，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比上电源输入功率在50%左右。

                                                      D、曲线斜率：流量波动

                     电堆落在工况点，对应的空压机工况点，在MAP图上可以看到，空压机工况下和转速线相交位置的转速线斜率，斜率越小，工况稳定性越差。

                                                      E、环境温度和海拔高度

                     不同的环境温度和压力，会造成预设的工况点偏移，需要设置一定的策略来保障在安全前提下输出更高的功率。

                     （2）功耗

                     空压机功耗大，是燃料电池发动机辅助零件中最大的电能消耗者。100kW系统空压机功耗不超过20kW。不同空压机的能耗差异可以达到10~20%。

                     （3）噪音

                     离心式空压机噪音一般在80-90dBA，罗茨式和螺杆式空压机噪音在110-120dBA。且罗茨式和螺杆式为高频噪音，不同工作点噪音差异很大。

                     四、空压机可靠性考核内容

                    （1）NEDC工况：

                     空压机的耐久考核，一般采用电堆系统的考核标准，采用NEDC工况运行1000h。

                    （2）冷启动

                     目前燃料电池的冷启动做到-20℃，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。

                    （3）振动

                     目前一般按照电池包振动标准做随机振动考核和机械冲击考核。空气轴承空压机，需要做启停次数耐久试验。

                    （4）EMC

                     空压机控制器需要完成EMC考核。