鉅大LARGE | 點擊量：1155次 | 2022年09月13日
空壓機在燃料動力鋰電池汽車領域的現狀及趨勢
隨著能源匱乏和環境破壞問題的日益凸顯，燃料動力鋰電池技術越來越受到人們的關注。
空氣壓縮機是車用燃料動力鋰電池陰極供氣系統的重要部件，通過對進堆空氣進行增壓，可以提高燃料動力鋰電池的功率密度和效率，減小燃料動力鋰電池系統的尺寸。但空壓機的寄生功耗很大，約占燃料動力鋰電池輔助功耗的80%，其性能直接影響燃料動力鋰電池系統的效率、緊湊性和水平衡特性。因此，各國的燃料動力鋰電池項目對空壓機的研究都非常重視。
1、燃料動力鋰電池用空氣壓縮機
典型的燃料動力鋰電池空氣供應系統由空氣過濾器、空壓機、電機、中冷器、增濕器和膨脹機等組成。其中，空壓機由電機和膨脹機共同驅動。
根據電堆的輸出功率，為燃料動力鋰電池供應所需壓力和流量的干凈空氣。在空氣供應系統中，空氣的壓力和流量對燃料動力鋰電池系統的性能（能量密度、系統效率、水平衡和熱損失），成本和電堆的尺寸等有很大的影響。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
高壓燃料動力鋰電池系統不僅能提高電堆的效率和功率密度，同時還能夠改善系統的水平衡，如圖1所示。
為實現較高的能量轉換效率，燃料動力鋰電池內部的化學反應對空氣的溫度、濕度、壓力和流量等參數有著嚴格的要求。但目前廣泛應用的工業壓縮機無法滿足燃料動力鋰電池對空氣的要求。因此設計一個性能優越并能很好地與燃料動力鋰電池系統進行匹配的壓縮機，有關燃料動力鋰電池的發展至關重要。
適用于燃料動力鋰電池的空壓機要滿足以下要求：
（1）無油。潤滑油會使電堆發生中毒，因此空壓機要采用水潤滑軸承或空氣軸承；
（2）高效。空壓機的寄生功率巨大，其效率直接影響著燃料動力鋰電池系統的性能；
（3）小型化和低成本。燃料動力鋰電池受其功率密度和成本的限制，小型化和低成本有助于燃料動力鋰電池汽車的產業化；
（4）低噪聲。空壓機是燃料動力鋰電池系統最大的噪聲源之一，空壓機的噪聲必須被控制；
（5）喘振線在小流量區。可以實現燃料動力鋰電池在小流量高壓比工況下高效地運行；
（6）良好的動態響應能力。當需求功率發生變化時，空氣流量和壓力需無延遲地進行調整，以跟蹤輸出功率的變化。
2、空氣壓縮機的研究現狀
空壓機是燃料動力鋰電池系統空氣供應系統的重要部件，針對不同的燃料動力鋰電池系統的性能需求，往往要不同的空氣壓縮機與其匹配，常用的空壓機類型有滑片式、螺桿式、離心式、渦旋式和羅茨式空壓機等。
2.1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動力鋰電池的空壓機結構形式，具有效率高、噪聲低、結構簡單、質量輕、可靠性高等特點。
目前已被日本豐田（Toyota）、美國UTC等多家公司應用于燃料動力鋰電池上。美國DOE和AuthorD.Little公司合作完成兩代渦旋式空壓機/膨脹機樣機（CEM）的設計和制造。
第一代樣機被用于28kW燃料動力鋰電池，能供應流量為42g/s，壓力達到2.2×105Pa的壓縮空氣。
第二代樣機在此基礎上提升了空壓機的轉速和排量，可以滿足50kW燃料動力鋰電池的特性需求，其性能曲線如圖2所示。
AuthorD.Little公司所設計的渦旋式空壓機的壓比/流量特性已滿足DOE的要求，其最高壓比達到3.2。
但在流量百分比小于80%的工況下，空壓機耗功較大，是DOE目標功耗的1.5～2倍。同時空壓機的尺寸和質量與DOE的要求相差很大，仍需進一步優化。
2.2螺桿式壓縮機
螺桿式空壓機利用螺桿之間形成的空氣槽來壓縮空氣，結構簡單、高效、可靠、具有寬的流量范圍和良好的壓比/流量特性，是理想的燃料動力鋰電池用空壓機。
美國GM、PlugPower、德國Xcellsis、加拿大Ballard等公司的燃料動力鋰電池中都采用了螺桿式壓縮機。
戴姆勒公司在Mercedes-BenzA級燃料動力鋰電池汽車（68.5kW）上使用螺桿式空壓機/膨脹機，其噴水螺桿式空壓機可有效地降低壓縮空氣的溫度，保持燃料動力鋰電池的水平衡特性，使系統效率提高4%。并與膨脹機配合工作，回收部分排氣能量，減少空壓機的寄生功耗。但螺桿式空壓機和膨脹機的噪聲問題不容忽視，為減小噪聲而采取的措施，進一步新增了系統的成本、質量和復雜性。圖3為戴姆勒公司研制的空氣供應系統。
Mercedes-BenzB級與F級燃料動力鋰電池汽車則采用電機驅動的螺桿式空壓機，可以有效地改善空氣供應系統的壓比/流量特性，使壓比達到2.9，滿負荷功耗為9.1kW（80kWFCS）。
空壓機的設計和選擇應綜合考慮系統的噪聲、壓比、流量、質量和效率等各方面因素，以使燃料動力鋰電池系統的性能達到最優。
2.3離心式空壓機
離心式空壓機屬于葉片式空壓機，具有結構緊湊、響應快、壽命長和效率高等特點。通過旋轉的葉輪對氣體作功，在葉輪和擴壓器的流道內，利用離心升壓和降速擴壓用途，將機械能轉換為氣體壓力能。但離心式空壓機在低流量時會發生喘振現象，這將嚴重影響系統的性能和空壓機的使用壽命。
同濟大學目前正在研發用于65kW燃料動力鋰電池系統的高速電機驅動的離心式空壓機。通過對壓縮機的蝸殼、葉輪和擴壓器進行設計和優化，開發了低流量系數后傾后彎離心式空壓機。
設計參數如下：最大空氣流量：80g/s；壓比：1.5～2.5；潤滑：水潤滑方式；系統功耗：<10kW。圖4為同濟大學開發的離心式壓縮機樣機。
其在國內首次實現了離心式空壓機在80000r/min轉速下的穩定運行，目前處于國內領先地位。
其空壓機所采用的水潤滑軸承，相比較空氣潤滑方式，不要空壓機供應額外的高壓空氣用于空氣軸承，提高了壓縮機的做功能力，但同時水潤滑軸承要新增額外的潤滑水路和驅動裝置，使得系統更加復雜化。圖5為不同空壓機的喘振線比較。
相比較現有的工業離心式壓縮機，同濟大學所開發的離心式空壓機具有更窄的喘振邊界和更寬的穩定運行范圍，在小流量工況下，可以實現更大的壓力升高率，有利于空壓機在低流量高壓比工況下正常運行而不發生喘振。
2.4羅茨式空壓機
燃料動力鋰電池系統的成本和可靠性一直制約著燃料動力鋰電池汽車的推廣，美國DOE為研制面向未來燃料動力鋰電池系統的高性能空氣壓縮機，近幾年與美國伊頓公司合作基于現有的P級和R級羅茨式壓縮機研制了新型的空氣供應系統。
伊頓公司選用P400和R340TVS系列羅茨式空壓機作為原型機進行設計，并由電機和膨脹機聯合驅動，通過調整其峰值效率點，使其適用于80kW的燃料動力鋰電池系統。圖6為羅茨式壓縮機。
TVS系列羅茨式空壓機在做功能力、功率密度以及經濟性等方面具有較大的優勢。為了滿足燃料動力鋰電池的特殊要求，伊頓公司對TVS系列羅茨式空壓機的轉子、外殼和進氣口進行設計和改進。采用鋁合金轉子技術，減小轉子間隙，提高壓縮機的效率；增大轉子的螺旋角，提高壓縮機的增壓能力；同時重新設計了壓縮機的進出口幾何結構，使得系統變得更加緊湊。改進后壓縮機可以為系統供應壓比2.5，流量92g/s的壓縮空氣。
選用羅茨式空壓機作為燃料動力鋰電池用空壓機的優勢如下：
（1）羅茨式空壓機的工作轉速較低，可以不必使用結構復雜的空氣軸承；
（2）具有較寬的高效運行區，可以提高整個工況的燃料經濟性；
（3）羅茨式空壓機的技術已經相對成熟，在其他的領域已經得到充分利用。
2.5螺旋式交叉滑片壓縮機
螺旋式交叉滑片結構（ToroidalIntersectingVaneMachine）是一種富有創造性的機械結構，屬于容積式機械。其工作原理如圖7所示，兩組呈90°的滑片鏈相互嚙合形成壓縮空腔，并通過交叉旋轉來壓縮空氣。
目前只有美國MechanologyLLC公司開發了用于燃料動力鋰電池系統的螺旋式交叉滑片壓縮機。Mechanology對TIVM的副轉子結構進行優化，消除滑片間的功的傳遞，可以有效地減小滑片間的摩擦損失。同時通過建立數學模型和理論計算對嚙合滑片表面結構進行最優設計，減小因泄露造成的壓力損失，可以使得空壓機出口的壓力提高6.7×104Pa。
DOE針對50kW車用燃料動力鋰電池系統的要求對TIVM樣機進行測試，測試結果顯示TIVM樣機具有潛在的性能優勢，可以在1500r/min的低轉速情況下實現小體積大流量（壓比3.2，流量72g/s）。
但樣機仍存在泄露損失和進出口壓力損失較大等問題。若要滿足燃料動力鋰電池的功率需求，仍要開展以下工作：在不新增摩擦的情況下減少泄露；確定包括在高濕度的環境下的嚙合滑片的摩擦系數；優化壓縮機和膨脹機的進氣、排氣孔，確保較低的壓力降損失和功率損失。
3、空壓機的發展趨勢及關鍵技術
由于空壓機的結構和工作原理的不同，空壓機的性能優勢也不盡相同。其性能比較如表1所示。
通過比較可以看出渦旋式、螺桿式和離心式空壓機的綜合性能較好。但渦旋式和螺桿式空壓機的葉片間存在相互摩擦，噪聲和質量較大，且難以與渦輪匹配工作，無法回收排氣能量，目前只有通過渦輪與離心式壓縮機匹配來實現。
離心式壓縮機在密度、效率、噪聲等方面具有最好的綜合效果，被認為是最有前途的空氣增壓方式之一。表2為目前所開發的燃料動力鋰電池系統中所使用的空壓機類型。
從目前國內外的研究發展方向來看，離心式空氣壓縮機是今后最主流的發展方向。同時隨著燃料動力鋰電池系統對空氣供應系統性能要求的提高，離心式空壓機與渦輪機匹配工作勢必將成為燃料動力鋰電池用空壓機未來發展的重要趨勢。
Wiartalla等人利用模型對常用的空壓機以及渦輪機進行仿真，結果表明在燃料動力鋰電池的廢氣端使用渦輪機后，在進氣壓力為2.5×105Pa時，電堆的質量減小12%，系統效率提高約2%，并隨著壓力的新增而不斷提升。
美國DOE和Honeywell合作開發的110kr/min高速離心式空壓機，采用空氣軸承并通過與渦輪機和電機同軸連接，可以將滿負荷工況時的綜合效率提高5%。
渦輪機能回收廢氣能量，提高系統效率，但往往也會伴隨著系統成本和尺寸的新增。為達到車用要求，兩個關鍵技術被用于空壓機和渦輪機。
混流式空壓機葉輪和可變渦輪進口導葉（VNT）是改善空氣供應系統的流量/壓比特性和功率特性的有效方式，如圖8所示。
混流式葉輪的特點是在旋轉時，既出現離心力又出現推力，高效區和穩定工作范圍較寬，喘振線在更小流量區域，可以有效地改善壓縮機的低流量性能。
渦輪機的可變進口導葉繞軸心旋轉，通過改變葉片開度大小，影響導葉柵最小流通截面積的大小，同時進入渦輪的氣體的角度和速度也會發生變化，從而改變渦輪機的轉速以及壓氣機出口端的增壓壓力。
4、結語
渦旋式、螺桿式、離心式、螺旋式交叉滑片和羅茨式壓縮機，進行性能比較發現，離心式壓縮機具有更大的性能優勢和發展前景。
同時為面向未來的燃料動力鋰電池發展，對渦輪增壓器在燃料動力鋰電池中的應用以及兩個提高性能的關鍵技術進行了分析，結果表明渦輪增壓技術是提高燃料動力鋰電池系統效率和功率密度的有效方法。
因此使用渦輪增壓技術回收燃料動力鋰電池尾氣余壓能量以及解決空氣供應系統的成本、尺寸和噪聲等問題將成為未來燃料動力鋰電池研究的重要方向。
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