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本田燃料電池空壓機深度解析
發布時間:2019-04-16 10:18:00

本田燃料電池空壓機深度解析


為了將燃料電池動力系統布置于Clarity燃料電池汽車引擎蓋下方,本田公司開發了一套緊湊的空氣供應系統。相比于傳統Lysholm空壓機,電動渦輪增壓空壓機噪音大大降低。同時,Clarity燃料電池汽車上的減噪輔助設備體積也降低50%。為了給燃料電池系統提供純凈無污染的陰極側反應氣-空氣,空壓機采用空氣軸承,取消了油潤滑方式。為了改善渦輪增壓引起的工作范圍限制,本田開發了兩級混流式空壓機,使得空氣壓力提高1.7倍。通過采用無旋轉變壓器(resolver-less)控制的新型逆變器,取消了電機中旋轉角度傳感器(rotation angle sensor)的存在,提高了電機運轉速度和緊湊性。全模組件(full-mold module)和壓接連接(press-fit connection)方法使得逆變器單元體積大大降低。


燃料電池的基本原理為陰極側空氣中的氧氣和陽極側氫氣發生電化學反應,產生電、熱、水,且電化學反應的高效工作溫度區間為60~80℃。因此,燃料電池系統需要氫氣供應系統、空氣供應系統、冷卻系統和燃料電池四個系統協同工作。其中,在空氣供應系統中,空氣被壓縮機吸入并壓縮,進入燃料電池。


燃料電池系統示意圖


自2002版FCX燃料電池汽車開始,本田公司一直采用Lysholm空壓機作為旗下燃料電池汽車的空氣壓縮機。然而,為了實現降低燃料電池動力系統體積的目標,將動力系統置于引擎蓋下方,本田公司開發了包括電動渦輪增壓空壓機等一套空氣供應系統。


本田Clarity燃料電池動力系統結構


1.空壓機開發目標


傳統Lysholm空壓機通過轉子的旋轉實現對空氣增壓,噪聲與出口壓力成正比例關系。因此,通常需要采用降噪的輔助設備(如消音器)來降低噪音,但該舉也消耗掉一部分空壓機的出口壓力(消音器產生沿程壓力損失和局部壓力損失)。相比于傳統Lysholm空壓機,渦輪增壓空壓機因無需內部壓縮過程,噪音較小。所以,即使電堆的工作壓力提高,采用渦輪增壓空壓機可以降低降噪輔助設備數目和燃料電池系統體積。


除此之外,提高進堆壓力(即空壓機出口壓力)會提高氧氣分壓。當燃料電池工作在高負荷區間,也會提高電池單體單壓。下圖表示空壓機的壓比(出口和進口壓力比值)和燃料電池系統效率的變化關系,不難發現,壓比提高有利于燃料電池系統效率攀升。因此,工作壓力的提高會降低燃料電池電堆中單電池的數目(功率輸出相同條件下),進一步降低燃料電池系統的體積和成本。


壓比和燃料電池系統效率關系


提高空壓機出口壓力不僅有利于提高輸出性能,降低系統成本和體積,而且也會提高電堆的相對濕度,減少加濕量。下圖表示空氣的溫度、壓力和電堆相對濕度關系,橫坐標為壓比,縱坐標為工作溫度,二維坐標區域的左上方為干燥狀態,右下方為濕潤狀態。可以發現,隨著壓力的增加,電堆向右下方濕潤區域移動。該舉降低了加濕量,從而減少了加濕器的體積。即使電堆工作在高溫度區間,提高工作壓力也會使得電堆濕度維持在一個較為適宜的水平。這意味著,當垂直爬坡、迎風或散熱器散熱能力差時(三者都導致電堆溫度升高),電堆性能也會得到保障。


壓力、溫度和電堆相對濕度關系


鑒于此,本田公司為Clarity燃料電池開發空氣供應系統的目標有:1.通過提高空氣壓力實現電池輸出性能提高,減少了燃料電池單電池數目,降低系統體積和成本;2.通過提高空氣壓力減少加濕量,降低加濕器體積,增加燃料電池高溫工作區間;3.通過采用電動渦輪增壓空壓機實現降噪,取消了降噪輔助設備,降低了空氣供應系統的體積;4.開發無傳感器控制的逆變器,實現了無旋轉變壓器電機的小型化,有助于減小燃料電池系統體積。


2.空氣軸承結構


本田與蓋瑞特(原霍尼韋爾)公司合作開發的兩級電動渦輪增壓空壓機具備以下特性:1.采用空氣軸承;2.兩級渦輪增壓,即轉子兩端分別為低壓空壓機和高壓空壓機;3.渦輪增壓改善噪音。眾所周知,內燃機的渦輪增壓器通常采用油潤滑軸承。但對于燃料電池系統,來自軸承中的潤滑油會污染燃料電池,使其“中毒”,引起性能下降。本田公司首次將航空器中的空氣軸承引入到車用燃料電池空壓機中。


兩級電動渦輪增壓空壓機外觀


兩級電動渦輪增壓空壓機截面


空氣軸承結構


當轉子旋轉,空氣的粘滯作用強制擠壓空氣進入一個楔形的空間,產生壓力(動壓),將轉子抬離軸承,如下圖所示。緊接著,產生的壓力通過頂箔(top foil)傳遞到凸箔(bump foil)。壓力的浮動變化可以被頂箔的變形吸收掉,最后被摩擦力消除。以上過程可以得到一個合適的超薄空氣層,即使在轉子轉速變化引起壓力浮動的情況下,也可以使得轉子抬離。


空氣軸承抬離(lift-off)原理


空氣軸承作用過程


3.空壓機結構


為了降低燃料電池系統體積,有必要提高空壓機出口壓力。再者,車用環境中經常經歷外界環境中載荷、溫度和壓力的變化。為了應對上述變化,必須對電堆入口氣體的流量和壓力進行控制,確保空壓機工作區間較寬。離心式空壓機被廣泛應用于渦輪增壓空壓機中,在離心式空壓機中,氣體從葉輪的外部流出,因此可以實現可觀的壓力升高效果。然而當氣體流量降低,系統壓力和流量開始出現浮動,喘振(surge)現象有可能發生,限制了空壓機工作范圍。相比之下,噴氣發動機中的軸流式空壓機(axial compressor)雖然可以實現高流量,但使用單級葉輪無法實現高壓比。對于高壓比很重要的場合,有必要使用多級葉輪。


空壓機葉輪類型


為了實現寬工作范圍,本田采用了介于離心式空壓機和軸流式空壓機之間特性的混流式空壓機(mixed-flow)結構。通過可以實現高流量的兩級結構達到高壓比效果。


兩級電動渦輪增壓空壓機內部空氣流動


性能Map圖


下表為單級增壓和兩級增壓空壓機對比情況。可以發現,相比于離心式空壓機,混流式空壓機結構工作范圍寬,壓比提高了1.7倍。


單級和雙級增壓對比


4.通過渦輪增壓實現降噪


沒有了傳統內燃機,燃料電池汽車行駛過程中異常安靜,同時有必要降低空氣壓縮機的噪音。傳統Lysholm空壓機在一對轉子之間壓縮空氣。由于進氣和出氣都是間歇性的,進出口會產生脈沖噪聲(pulsation noise)。此外,由于轉子由齒輪驅動,齒輪產生的噪音同樣存在。為了降低燃料電池汽車行駛過程中的噪音,有必要采用降噪的輔助設備。


Lysholm空壓機截面


新型渦輪增壓空壓機的使用降低了脈沖,使得降低進出口噪音變成可能。盡管傳統Lysholm空壓機中的一對轉子由齒輪驅動,但由于在新型空壓機中使用了相同的軸和轉子,無需齒輪,實現電磁噪聲減少。


進口噪音對比


出口噪音對比


降低空壓機的噪音達到了諸多效果,包括:減少了抑制進口脈沖噪聲的共鳴器尺寸,取消了抑制出口脈沖噪聲的消音器;取消了降低電磁噪聲的擋板(cover)。因此,本田將空氣過濾器和輔助降噪設備集成在一起。與前一代FCX相比,體積減少了50%。


電磁噪聲對比


降噪設備對比


5.兩級電動渦輪增壓空壓機的逆變器驅動


下圖為本田和BRUSA公司聯合開發的逆變器單元。逆變器和IPU(Intelligent Power Unit)箱集成起來,可以安裝在一個狹小的空間。同時,配合高速轉化的設備和冷卻結構,使得轉速為100000 rpm的空壓機可以實現sensor-less控制。


空壓機逆變器單元外觀


車用逆變器單元需要滿足兩個標準。首先,連接逆變器單元原邊的直流高壓線纜需要和IPU箱集成連接起來。再者,布局需要滿足車用碰撞要求。為了避免碰撞中來自剛體的沖擊,有必要將逆變器單元安置于IPU箱的前段,如下圖所示。


潛在控制器單元放置區域


為了保護技術人員維護時的安全,需要保證直流線纜連接的地方不可觸及。因此,將直流線纜從IPU箱直接延伸到逆變器單元。同時,IPU箱的防水性能也至關重要。為了防水,在IPU箱和逆變器單元之間用一個柔韌的橡皮管連接。此外,由于放置在引擎蓋下方,逆變器有被水淹的可能,因此需要考慮防水和防腐蝕。因此,高耐腐蝕性的鋁材質被用來制作逆變器盒。在逆變器盒和蓋子之間用FIPG(Formed-in-place-gaskets)密封圈來進行防水和防腐蝕。


導管截面


逆變器安裝位置


6.高速轉換和降低尺寸技術


為了降低逆變器尺寸并提高其效率,本田公司采用了以下三項技術。首先,使用全模組件(full-mold module)提高熱輻射,壓接連接(press-fit)方式減少逆變器單元尺寸。通過無傳感器控制也可以實現電機尺寸降低。其次,在電子模塊(power module)中采用傳遞模塑法(transfer moldings)將DCB基體密封起來。該舉降低了半導體片到底盤的傳熱阻力,實現高效的熱輻射,可以實現逆變器24 kHz的轉化頻率,超過了傳統絕緣柵雙極二級管(IGBT)的轉換效率。


全模組件和壓接針腳


全模組件截面


壓接連接剖面


將壓接針腳(press-fit pin)高壓擠進底盤形成電連接有助于減少由熱接觸引起焊錫缺陷所導致可靠性降低的問題。通過簡化接線、降低部件之間距離可以實現逆變器單元的小型化。為了減少開發時間,使用了基于IEC標準的設計和生產許可證書所用的壓接端子(press-fit terminal)。與高載流部件接觸的區域,掌握溫升和接觸電阻的關系有助于確保電連接部分的可靠性和耐久性。


無傳感器控制下轉子的轉速變化過程


24 kHz頻率超出了人們的可聽范圍。通常24 kHz被當做無傳感器控制的轉換頻率,并且在電機中使用單個電極,有利于降低轉換噪聲和維持電機在100000 rpm轉速穩定工作。上圖為無傳感器控制的控制值和不同空壓機轉速下的控制表現。該控制可以滿足在減速過程中使用PWM控制實現功率回收,實現在加速和減速過程中快速響應。


7.文獻、技術報告和專利來源


本文相關的圖片和信息均整理自本田發布的技術報告。技術報告來源于Honda R&D Technical Review。


稿件來源: 燃料電池干貨
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