近日全國(guó)乘聯(lián)會(huì)發(fā)布的數(shù)據(jù),2021年全年全球廣義新能源乘用車(chē)銷(xiāo)量達(dá)到937萬(wàn)臺(tái)。其中插混、純電動(dòng)、燃料電池的狹義新能源車(chē)部分,全球銷(xiāo)量達(dá)到623萬(wàn)輛,同比增長(zhǎng)118%。
燃料電池空壓機(jī)是燃料電池汽車(chē)的核心組成單元,其工作轉(zhuǎn)速和效率是燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒效率的一個(gè)決定性因素。同時(shí),空壓機(jī)噪音是發(fā)動(dòng)機(jī)主要噪音來(lái)源。因此,燃料電池空壓機(jī)的動(dòng)平衡控制水平,很大程度上會(huì)決定其運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)能達(dá)到的最高轉(zhuǎn)速和產(chǎn)生的振動(dòng)噪音。針對(duì)燃料電池空壓機(jī)不同組件的動(dòng)平衡測(cè)量需要,需要提供多元化的專(zhuān)業(yè)動(dòng)平衡設(shè)備。
由于全球性能源緊缺問(wèn)題日趨突出,以及環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展的迫切要求,燃料電池汽車(chē)在最近幾年得到蓬勃發(fā)展。預(yù)計(jì)到2032年,全球燃料電池汽車(chē)銷(xiāo)量將達(dá)到500萬(wàn)輛。
燃料電池空壓機(jī)介紹
1.1 空壓機(jī)種類(lèi)
目前,車(chē)用氫燃料電池空氣壓縮機(jī)主要有離心式、螺桿式、羅茨式、渦旋式等 。
離心式空壓機(jī)轉(zhuǎn)速高、尺寸小、質(zhì)量輕,但存在喘振現(xiàn)象,在變工況下,性能會(huì)變差,甚至影響到壓縮機(jī)的使用和壽命安全
螺桿式屬于機(jī)械增壓,在工況變化的情況下,其性能幾乎不變,效率高、可靠性高,但噪聲較大、質(zhì)量較重。
羅茨式因壓力值達(dá)不到氫燃料電池工作的最佳效率點(diǎn),且振動(dòng)噪聲大、效率低。
渦旋式受限于自身結(jié)構(gòu)原因,空間占用較大; 同時(shí),因無(wú)油渦旋空壓機(jī)的密封方式為 PTFE 密封條結(jié)構(gòu),在工作運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中,密封條磨損大、壽命短; 在車(chē)用變工況使用的情況下,可靠性差。
1.2 基本特性
空壓機(jī)在做功過(guò)程中,效率、進(jìn)出壓縮比是性能的重要指標(biāo),使用在燃料電池上,空壓機(jī)需要具備以下特性 :
(1) 無(wú)油。潤(rùn)滑油膜覆蓋質(zhì)子交換膜和催化劑會(huì)隔絕氫氧電化學(xué)反應(yīng)。
(2) 小型化及輕量化。汽車(chē)內(nèi)部空間有限,要提高空壓機(jī)的壓縮能力,可以通過(guò)增加容積或者增加軸承轉(zhuǎn)速兩種方式,小型化高轉(zhuǎn)速是大勢(shì)所趨。
(3) 低噪聲。目前國(guó)內(nèi)很多車(chē)輛的噪聲較大和空壓機(jī)密切相關(guān),噪聲源主要來(lái)自于空氣與管道之間的摩擦以及空壓機(jī)高機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)的聲音及轉(zhuǎn)動(dòng)的聲音。
(4) 動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。車(chē)用動(dòng)力系統(tǒng)會(huì)從 “氫電鋰電混合”走向氫電全功率驅(qū)動(dòng),空壓機(jī)需要在每個(gè)工況下都能及時(shí)提供指定壓縮空氣。
(5) 控制系統(tǒng)響應(yīng)快。車(chē)輛對(duì)需要功率變化較大,空壓機(jī)需要能夠及時(shí)地做出響應(yīng),對(duì)空氣流量進(jìn)行控制。
(6) 材料要求高。為了達(dá)到壓縮機(jī)低成本、低噪聲、耐久性的目的,必須為壓縮機(jī)的關(guān)鍵部件開(kāi)發(fā)低成本、穩(wěn)定的摩擦性能和耐磨性的涂層和材料。
根據(jù)燃料電池的空氣進(jìn)氣壓力,可分為低壓 (30 kPa)、中壓 (60~100 kPa) 和高壓 (150~300 kPa) 燃料電池 。低壓燃料電池一般用于通信電源、備用電源、無(wú)人機(jī)等領(lǐng)域; 中壓燃料電池一般應(yīng)用于客車(chē)、物流車(chē)等交通領(lǐng)域; 乘用車(chē)一般配置的燃料電池是高壓的。
由于不同的燃料電池系統(tǒng)所需性能要求不盡相同,在選型上需要考慮到喘振線(xiàn)距離、超負(fù)荷工況余量、環(huán)境溫度、供電電壓、預(yù)充、通信、噪聲、冷卻等因素的影響。目前常用的空壓機(jī)類(lèi)型有離心式、羅茨式、螺桿式 3 種。
另一方面,對(duì)于氫燃料電池來(lái)說(shuō),由于質(zhì)子交換膜需要保持良好的工作特性,這就要求供氣系統(tǒng)供給燃料電池堆的壓縮空氣必須絕對(duì)干凈,因此,對(duì)空壓機(jī)技術(shù)要求十分高。
燃料電池空壓機(jī)現(xiàn)狀及趨勢(shì)
離心式空壓機(jī)通過(guò)旋轉(zhuǎn)葉輪對(duì)氣體做功,在葉輪與擴(kuò)壓器流道內(nèi),利用離心升壓和降速擴(kuò)壓作用,將機(jī)械功轉(zhuǎn)化為氣體內(nèi)能。由于具有結(jié)構(gòu)緊湊、響應(yīng)快、壽命長(zhǎng)和效率高的特點(diǎn),是最被看好的增壓方式之一。表 1 為最近開(kāi)發(fā)的燃料電池系統(tǒng)中用到的空壓機(jī)種類(lèi)。
表 1 最近開(kāi)發(fā)的燃料電池系統(tǒng)中使用的空壓機(jī)種類(lèi)
隨著國(guó)內(nèi)氫燃料電池汽車(chē)市場(chǎng)的逐步擴(kuò)大,圍繞燃料電池的核心零部件也在加快國(guó)產(chǎn)化的步伐。從目前國(guó)內(nèi)的氫燃料電池市場(chǎng)來(lái)看,螺桿式空壓機(jī)所占市場(chǎng)份額相對(duì)較多,但現(xiàn)在已經(jīng)有越來(lái)越多的燃料電池和系統(tǒng)廠(chǎng)商開(kāi)始采用離心式空壓機(jī)替換。
從目前市場(chǎng)情況來(lái)說(shuō),有抱負(fù)的主機(jī)廠(chǎng)面臨最大的問(wèn)題就是降成本,考慮到開(kāi)發(fā)成本、市場(chǎng)規(guī)模和管理等綜合因素,離心式空壓機(jī)的成本最高,但由于其結(jié)構(gòu)緊密、體積最小、物理結(jié)構(gòu)的決定,在未來(lái)大批量條件下,其成本下降空間最大。值得注意的是,離心式空壓機(jī)在低流量時(shí)會(huì)發(fā)生喘振現(xiàn)象,這會(huì)大大影響其系統(tǒng)性能和空壓機(jī)的使用壽命。
對(duì)于有些燃料電池廠(chǎng)商來(lái)說(shuō),國(guó)產(chǎn)空壓機(jī)在可靠性和使用壽命上還存在缺陷,因此對(duì)于實(shí)際裝車(chē)來(lái)說(shuō),還是以進(jìn)口產(chǎn)品為主。
目前來(lái)看,國(guó)產(chǎn)空壓機(jī)的優(yōu)勢(shì)在于性?xún)r(jià)比和售后服務(wù),在依賴(lài)進(jìn)口核心部件中,空壓機(jī)率先進(jìn)行國(guó)產(chǎn)化的可能性很大,但要滿(mǎn)足未來(lái)大批量需求,還需在可靠性和使用壽命上進(jìn)行更深入地開(kāi)發(fā)。
燃料電池空壓機(jī)測(cè)試方法解析
燃料電池空壓機(jī)一般性能試驗(yàn)項(xiàng)目包括: 隨機(jī)振動(dòng)、溫度循環(huán)、溫度沖擊、鹽霧、電磁兼容、耐久性等。
(1) 隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn): 模擬車(chē)輛在路面行駛時(shí),前后、上下、左右方向的顛簸狀態(tài),考核空壓機(jī)的可靠性。振動(dòng)試驗(yàn)主要由以下部分構(gòu)成:
高壓直流電源: 向控制器提供額定電壓;
冷卻系統(tǒng): 向空壓機(jī)及控制器提供一定壓力的冷卻水;
壓縮空氣系統(tǒng): 向空壓機(jī)提供無(wú)油、無(wú)水的干凈的壓縮空氣;
振動(dòng)系統(tǒng): 提供一定頻率、加速度的不同方向振動(dòng);
采集系統(tǒng): 采集空壓機(jī)進(jìn)、出口空氣溫度、內(nèi)部溫度、冷卻水進(jìn)水溫度、進(jìn)、出口空氣壓力、進(jìn)水壓力、出口空氣流量;
控制器及軟件: 控制空壓機(jī)轉(zhuǎn)速及監(jiān)控相關(guān)參數(shù)。
隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)如圖 2 所示,振動(dòng)安裝如圖 3 所示,振動(dòng)整體示意圖如圖 4 所示。
一般來(lái)說(shuō),如何滿(mǎn)足高效燃料電池系統(tǒng)中壓縮空氣壓力和氣體流量的連續(xù)可調(diào)性,如何降低壓縮過(guò)程中的功耗,保證其可靠性,如何回收燃料電池系統(tǒng)的殘余空氣壓力,提高整體性能。如何降低供氣系統(tǒng)的體積、質(zhì)量和制造成本,是未來(lái)燃料電池供氣系統(tǒng)技術(shù)研究的主要方向。
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