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本田燃料电池空压机深度解析
发布时间:2019-04-16 10:18:00

本田燃料电池空压机深度解析


为了将燃料电池动力?#20302;?#24067;置于Clarity燃料电池汽车引擎盖下方,本田公?#31350;?#21457;了一套紧凑的空气供应?#20302;场?#30456;比于传统Lysholm空压机,电动涡轮增压空压机噪音大大降低。同时,Clarity燃料电池汽车上的减噪辅助设备体积也降低50%。为了给燃料电池?#20302;?#25552;供纯净无污染的阴极侧反应气-空气,空压机采用空气轴承,取消了油润滑方式。为了改善涡轮增压引起的工作范围限制,本田开发了两级混流式空压机,使得空气压力提高1.7倍。通过采用无旋转变压器(resolver-less)控制的新型逆变器,取消了电机中旋转角度传感器(rotation angle sensor)的存在,提高了电机运转速度和紧凑性。全模组件(full-mold module)和压接连接(press-fit connection)方法使得逆变器单元体积大大降低。


燃料电池的基本原理为阴极侧空气中的氧气和阳极侧氢气发生电化学反应,产生电、?#21462;?#27700;,且电化学反应的高效工作温度区间为60~80℃。因此,燃料电池?#20302;承?#35201;氢气供应?#20302;场?#31354;气供应?#20302;场?#20919;却?#20302;?#21644;燃料电池四个?#20302;承?#21516;工作。其中,在空气供应?#20302;?#20013;,空气被压缩机吸入并压缩,进入燃料电池。


燃料电池?#20302;?#31034;意图


自2002版FCX燃料电池汽车开始,本田公司一直采用Lysholm空压机作为旗下燃料电池汽车的空气压缩机。然而,为了实现降低燃料电池动力?#20302;?#20307;积的目标,将动力?#20302;?#32622;于引擎盖下方,本田公?#31350;?#21457;了包括电动涡轮增压空压机等一套空气供应?#20302;场?/p>


本田Clarity燃料电池动力?#20302;?#32467;构


1.空压机开发目标


传统Lysholm空压机通过转子的旋转实现对空气增压,噪声与出口压力成正比例关系。因此,通常需要采用降噪的辅助设备(如消音器)来降低噪音,但该举也消耗掉一部分空压机的出口压力(消音器产生沿程压力损失和局部压力损失)。相比于传统Lysholm空压机,涡轮增压空压机因无需内部压缩过程,噪音较小。所以,即使电堆的工作压力提高,采用涡轮增压空压机可以降低降噪辅助设备数目和燃料电池?#20302;?#20307;积。


除此之外,提高进堆压力(即空压机出口压力)会提高氧气分压。当燃料电池工作在高负荷区间,也会提高电池单体单压。下图表示空压机的压比(出口和进口压力比值)和燃料电池?#20302;承?#29575;的变化关系,不难发现,压比提高有利于燃料电池?#20302;承?#29575;攀升。因此,工作压力的提高会降低燃料电池电堆中单电池的数目(功率输出相同条件下),进一步降低燃料电池?#20302;车?#20307;积和成本。


压比和燃料电池?#20302;承使?#31995;


提高空压机出口压力不仅有利于提高输出性能,降低?#20302;?#25104;本和体积,而且也会提高电堆的相对湿度,减少加湿量。下图表示空气的温度、压力和电堆相对湿度关系,横坐标为压比,纵坐标为工作温度,二维坐标区域的左上方为干燥状态,右下方为湿润状态。可以发现,随着压力的增加,电堆向右下方湿润区域移动。该举降低了加湿量,从而减少了加湿器的体积。即使电?#21387;?#20316;在高温度区间,提高工作压力也会使得电堆湿?#20219;?#25345;在一个较为适宜的水平。这意味着,当垂直爬坡、迎风或散热器散热能力差时(三者都导致电堆温度升高),电?#30740;?#33021;也会得到保障。


压力、温度和电堆相对湿度关系


鉴于此,本田公司为Clarity燃料电池开发空气供应?#20302;车?#30446;标有:1.通过提高空气压力实现电池输出性能提高,减少了燃料电池单电池数目,降低?#20302;?#20307;积和成本;2.通过提高空气压力减少加湿量,降低加湿器体积,增加燃料电池高温工作区间;3.通过采用电动涡轮增压空压机实现降噪,取消了降噪辅助设备,降低了空气供应?#20302;车?#20307;积;4.开发无传感器控制的逆变器,实现了无旋转变压器电机的小型化,有助于减小燃料电池?#20302;?#20307;积。


2.空气轴承结构


本田与盖瑞特(原霍尼韦尔)公司合作开发的两级电动涡轮增压空压机具备以下特性:1.采用空气轴承;2.两级涡轮增压,即转子两端?#30452;?#20026;低压空压机和高压空压机;3.涡轮增压改善噪音。众所周知,内燃机的涡轮增压器通常采用油润滑轴承。但对于燃料电池?#20302;常?#26469;自轴承中的润滑油会污染燃料电池,使其“中毒?#20445;?#24341;起性能下降。本田公司?#29366;?#23558;航空器中的空气轴承引入到车用燃料电池空压机中。


两级电动涡轮增压空压机外观


两级电动涡轮增压空压机截面


空气轴承结构


当转子旋转,空气的?#25345;?#20316;用强制挤压空气进入一个楔形的空间,产生压力(动压),将转子抬离轴承,如下图所示。紧接着,产生的压力通过顶箔(top foil)传递到凸箔(bump foil)。压力的浮动变化可以被顶箔的变形吸收掉,最后被摩擦力消除。以上过程可以得到一个合适的超薄空气层,即使在转子转速变化引起压力浮动的情况下,?#37096;?#20197;使得转子抬离。


空气轴承抬离(lift-off)原理


空气轴承作用过程


3.空压机结构


为了降低燃料电池?#20302;?#20307;积,有必要提高空压机出口压力。再者,车用环境中经常经历外界环境中载荷、温度和压力的变化。为了应对上述变化,必须对电堆入口气体的流量和压力进行控制,确保空压机工作区间较宽。离心式空压机被广泛应用于涡轮增压空压机中,在离心式空压机中,气体?#21491;?#36718;的外部流出,因此可以实现可观的压力升高效果。然而当气体流量降低,?#20302;?#21387;力和流量开始出现浮动,喘振(surge)现象有可能发生,限制了空压机工作范围。相比之下,喷气发动机中的轴流式空压机(axial compressor)虽然可以实现高流量,但使用单级叶轮无法实现高压比。对于高压比很重要的场合,有必要使用多级叶轮。


空压机叶轮类型


为了实现宽工作范围,本田采用了介于离心式空压机和轴流式空压机之间特性的混流式空压机(mixed-flow)结构。通过可以实现高流量的两级结构达到高压比效果。


两级电动涡轮增压空压机内部空气流动


性能Map图


下表为单级增压和两级增压空压机对比情况。可以发现,相比于离心式空压机,混流式空压机结构工作范围宽,压比提高了1.7倍。


单级和双级增压对比


4.通过涡轮增压实现降噪


没有了传统内燃机,燃料电池汽车行驶过程中异常安静,同时有必要降低空气压缩机的噪音。传统Lysholm空压机在一对转子之间压缩空气。由于进气和出气都是间歇性?#27169;?#36827;出口会产生脉冲噪声(pulsation noise)。此外,由于转子由齿轮驱动,齿轮产生的噪音同样存在。为了降低燃料电池汽车行驶过程中的噪音,有必要采用降噪的辅助设备。


Lysholm空压机截面


新型涡轮增压空压机的使用降低了脉冲,使得降低进出口噪音变成可能。尽管传统Lysholm空压机中的一对转子由齿轮驱动,但由于在新型空压机中使用了相同的轴和转子,无需齿轮,实现电磁噪声减少。


进口噪音对比


出口噪音对比


降低空压机的噪音达到了诸多效果,包括:减少了抑制进口脉冲噪声的共鸣器尺寸,取消了抑制出口脉冲噪声的消音器;取消了降低电磁噪声的挡板(cover)。因此,本田将空气过滤器和辅助降噪设备集成在一起。与前一代FCX相比,体积减少了50%。


电磁噪声对比


降噪设备对比


5.两级电动涡轮增压空压机的逆变器驱动


下图为本田和BRUSA公司联合开发的逆变器单元。逆变器和IPU(Intelligent Power Unit)箱集?#21892;?#26469;,可以安装在一个狭小的空间。同时,配合高速转化的设备和冷却结构,使得转速为100000 rpm的空压机可以实现sensor-less控制。


空压机逆变器单元外观


车用逆变器单元需要满足两个标准。首先,连接逆变器单元原边的直流高压线缆需要和IPU箱集成连接起来。再者,布?#20013;?#35201;满足车用碰撞要求。为了避免碰撞中来自刚体的冲击,有必要将逆变器单元安置于IPU箱的前段,如下图所示。


潜在控制器单元放置区域


为了保护技术人员维护时的安全,需要保证直流线缆连接的地方不可触及。因此,将直流线缆从IPU箱直接?#30001;?#21040;逆变器单元。同时,IPU箱的防水性能也至关重要。为了防水,在IPU箱和逆变器单元之间用一个柔韧的橡皮管连接。此外,由于放置在引擎盖下方,逆变器有被水淹的可能,因此需要考虑防水和防腐蚀。因此,高耐腐蚀性的铝材?#26102;?#29992;来制作逆变器?#23567;?#22312;逆变器盒和盖子之间用FIPG(Formed-in-place-gaskets)密封圈来进行防水和防腐蚀。


导管截面


逆变器安装位置


6.高速转换和降低尺寸技术


为了降低逆变器尺寸并提高其效率,本田公司采用了以下三项技术。首先,使用全模组件(full-mold module)提高热辐射,压接连接(press-fit)方式减少逆变器单元尺寸。通过无传感器控制?#37096;?#20197;实现电机尺寸降低。其次,在电子模块(power module)中采用传递模塑法(transfer moldings)将DCB基体密封起来。该举降低了半导体片?#38477;着?#30340;传热阻力,实现高效的热辐射,可以实现逆变器24 kHz的转化频率,超过了传统绝缘栅双极二级管(IGBT)的转换效率。


全模组件和压接针脚


全模组件截面


压接连接剖面


将压接针脚(press-fit pin)高压?#26041;着?#24418;成电连接有助于减少由热接触引起焊锡缺陷所导致可靠性降低的问题。通过简化接线、降低部件之间距离可以实现逆变器单元的小型化。为了减少开发时间,使用了基于IEC标准的设计和生产许可证书所用的压接端子(press-fit terminal)。与高载流部件接触的区域,掌握温升和接触电阻的关系有助于确保电连接部分的可靠性和耐久性。


无传感器控制下转子的转速变化过程


24 kHz频率超出了人们的可听范围。通常24 kHz被当做无传感器控制的转换频率,并且在电机中使用单个电极,有利于降低转换噪声和维持电机在100000 rpm转速稳定工作。上图为无传感器控制的控制值和不同空压机转速下的控制表现。该控制可以满足在减速过程中使用PWM控制实现功率回收,实现在加速和减速过程中快速响应。


7.文献、技术报告和专利来源


本文相关的图片和信息均整理自本田发布的技术报告。技术报告来源于Honda R&D Technical Review。


稿件来源: 燃料电池干货
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