周 拓，白書戰(zhàn)，孫金輝，張林營

（1.山東大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，山東濟(jì)南 250061；2.康躍科技股份有限公司，山東濰坊 262711）

1 引言

目前我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，節(jié)能減排已成為當(dāng)下熱點(diǎn)。隨著化石能源的不可再生性和環(huán)保壓力的日益增加，且燃油發(fā)動(dòng)機(jī)排放物對環(huán)境和人類健康產(chǎn)生了不利影響[1]，化石衍生產(chǎn)品的主要最終用戶是當(dāng)前的汽車工業(yè)[2]，盡管電動(dòng)汽車的發(fā)展可能會改變未來十年的敘述，但今天的這個(gè)行業(yè)很大程度上是由化石能源驅(qū)動(dòng)的[3-4]，因此人們開始逐漸將目光聚焦在新能源汽車方向。氫燃料電池憑借其零排放、續(xù)駛里程長、燃料來源廣泛等優(yōu)點(diǎn)，成為新能源汽車發(fā)展的主要方向之一。最近的十幾年，大多數(shù)汽車公司和主要工業(yè)企業(yè)制造商已資助正在進(jìn)行的燃料電池應(yīng)用研究在車輛的應(yīng)用[5]，豐田、本田和現(xiàn)代作為領(lǐng)軍者，率先推出了氫燃料電池汽車。根據(jù)《2019年市場研究未來》（MRFR）報(bào)告，到2025年預(yù)計(jì)全球汽車氫和燃料電池市場將復(fù)合年增長率將達(dá)到25%[6]；到2030年美國預(yù)測在加利福尼亞州將有100萬輛燃料電池汽車；中國、日本和韓國的目標(biāo)是1、0.8和0.6百萬輛燃料電池電動(dòng)汽車[7]。預(yù)計(jì)未來車用燃料電池的市場前景廣闊。

氫燃料電池主要部件包括燃料電池堆、空氣供給系統(tǒng)、水管理系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)和氫氣供給系統(tǒng)組成[8]，其中空氣供給系統(tǒng)的主要部件為空氣壓縮機(jī)。整體示意如圖1所示。圖2為某模擬燃料電池電動(dòng)概念車，搭載了110 kW的燃料電池[9]。

空壓機(jī)是燃料電池陰極供氣系統(tǒng)的重要組成部分，通過增壓進(jìn)堆的空氣，從而提高燃料電池的效率和功率密度[10]。同時(shí)，氫燃料電池發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)對進(jìn)入空氣的溫度、濕度、壓力和流量等參數(shù)有嚴(yán)格的要求，由圖4（a）可知，隨著進(jìn)氣壓力的增大，燃料電池的電堆功率密度提高，圖4（b）反映了進(jìn)氣壓力增大，系統(tǒng)成本顯著降低。通過對比Snowman、Honeywell、FischerSpindlede等公司的車用空壓機(jī)產(chǎn)品[13-14]，發(fā)現(xiàn)這些空壓機(jī)均具有高壓比、高功率、大流量、結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)；另外根據(jù)車用燃料電池電堆對于空氣質(zhì)量的要求[10]，這就使得適用于車用燃料電池專用空壓需要具有無油、體積小、噪聲低、高壓比和轉(zhuǎn)速高等特點(diǎn)[15]。

2 空壓機(jī)的類型

空壓機(jī)是將原動(dòng)（通常是電動(dòng)機(jī)或柴油機(jī)）的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成氣體壓力能的裝置。根據(jù)其工作原理，主要可以分位三大類：容積型、透平型和熱力型，詳細(xì)分類圖如圖3所示。其中，可以用于車載燃料電池的空壓機(jī)一般為離心式、渦旋式、螺桿式空氣壓縮機(jī)。

2.1 渦旋式空壓機(jī)

渦旋式空壓機(jī)由靜渦旋盤和動(dòng)渦旋盤的嚙合形成了多個(gè)壓縮室，通過2個(gè)交錯(cuò)的螺旋狀葉片壓縮空氣，從而實(shí)現(xiàn)氣體的吸入和壓縮。由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，渦旋空壓機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、噪聲低和壽命長等特點(diǎn)，同時(shí)也存在密封要求高等缺陷。另外由于目前渦旋式的輸出壓力偏低，導(dǎo)致車用方向應(yīng)用較少[16]。

2.2 螺桿式空壓機(jī)

圖1 燃料電池示意圖

圖2 模擬燃料電池電動(dòng)汽車[9]

圖3 空壓機(jī)類型

目前，市場上使用的主要為雙螺桿空壓機(jī)。雙螺桿空壓機(jī)的運(yùn)行主要通過轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，齒槽容積變大吸氣，通過陰陽轉(zhuǎn)子的相互嚙合將氣體壓向排氣端并加壓后，經(jīng)排氣口排出。由于可靠性高、結(jié)構(gòu)簡單、效率高的特點(diǎn)，螺桿空壓機(jī)是燃料電池專用空壓機(jī)的理想機(jī)械，但由于噪聲大，重量體積較大，且壽命較短，車用方向已逐步被其他空壓機(jī)所取代。

2.3 離心式空壓機(jī)

離心式空壓機(jī)屬于透平壓縮機(jī)，目前一般采用電機(jī)直驅(qū)方式，在電機(jī)轉(zhuǎn)子超高速旋轉(zhuǎn)下，葉輪帶動(dòng)氣體高速旋轉(zhuǎn)，與蝸殼相互作用產(chǎn)生高壓、大流量的空氣，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為氣體動(dòng)能。其由于結(jié)構(gòu)緊湊、尺寸小、封閉性好、質(zhì)量輕且振動(dòng)小、在額定工況效率較高等優(yōu)點(diǎn)，被視為未來最有前途的空氣壓縮方式之一。2019年6月中國科學(xué)技術(shù)部啟動(dòng)的重點(diǎn)項(xiàng)目可再生能源和氫能技術(shù)中，125 g/s，16 kW，質(zhì)量15 kg壓比達(dá)到2.5的壓縮機(jī)研發(fā)子項(xiàng)目[11]，表明了在車用燃料電池領(lǐng)域，發(fā)展趨勢是質(zhì)量輕、壓比高、大流量，離心式空壓機(jī)正是具有這些特點(diǎn)，逐步成為車用燃料電池空壓機(jī)的理想選擇。

2.4 空壓機(jī)研究現(xiàn)狀

目前，全球眾多車企、研究機(jī)構(gòu)已花費(fèi)大量經(jīng)費(fèi)進(jìn)行氫燃料電池車的專用空氣壓縮機(jī)的研發(fā)和使用。全球各大燃料電池汽車生產(chǎn)商為空氣供應(yīng)系統(tǒng)選擇的空壓機(jī)類型也不盡相同，主要的燃料電池汽車生產(chǎn)商選擇的空壓機(jī)類型如表1所示。

目前國內(nèi)燃料電池車用壓縮機(jī)的相關(guān)研究中，北京科技大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)等多家機(jī)構(gòu)對相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了研究，但都只局限于實(shí)驗(yàn)室研究。北京科技大學(xué)的任天明研制出了水潤滑軸承支承的高速離心式空壓機(jī)，其轉(zhuǎn)速達(dá)到了100000 r/min，功率達(dá)到10 kW，并在實(shí)驗(yàn)中轉(zhuǎn)速保持98000 r/min時(shí)，質(zhì)量流量達(dá)到73 g/s、壓比2.22，電機(jī)效率達(dá)到68%，驗(yàn)證符合50 kW級燃料電池的應(yīng)用[17]。同濟(jì)大學(xué)研究離心式空壓機(jī)也成果顯著，張智明等研制了一種可以滿足60～80 kW大功率燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的兩級串聯(lián)增壓直驅(qū)離心式空壓機(jī)，解決了所需進(jìn)氣壓力大、流量范圍寬的需求，具有超高轉(zhuǎn)速、高效率、長壽命、無潤滑油等特點(diǎn)；展慶等通過研究優(yōu)化了空壓機(jī)葉片進(jìn)口直徑、出口寬度以及擴(kuò)壓器長度的關(guān)鍵參數(shù)，使得優(yōu)化后的葉輪流到內(nèi)流動(dòng)更加穩(wěn)定，流動(dòng)損失降低，效率提高了4%[18]；左曙光等采用Kriging 模型針對離心葉輪進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化，優(yōu)化后在設(shè)計(jì)點(diǎn)壓縮比提高3.56%，等熵效率提高1.02%[19]。國內(nèi)的勢加透博公司聯(lián)合清華大學(xué)汽車系成功研發(fā)了雙極增壓設(shè)計(jì)的XT-FCC 系列氣懸浮空壓機(jī)，最高轉(zhuǎn)速11000 r/min，流量達(dá)到108 g/s，壓比達(dá)到2.5；濰坊的康躍設(shè)計(jì)研制了燃料電池用的雙極增壓離心式空壓機(jī)，額定轉(zhuǎn)速80000 r/min；毅合捷汽車研制了能作為60 kW燃料電池進(jìn)氣系統(tǒng)的離心式空壓機(jī)，最大轉(zhuǎn)速達(dá)到12000 r/min，最大壓比達(dá)到2.3，最大流量為68 g/s，還設(shè)計(jì)發(fā)明了一種燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的單級增壓直驅(qū)離心式空壓機(jī)，相比于雙極增壓，大大減小了體積，降低功耗，提高了穩(wěn)定性。圖5為勢加透博的XC-FCC空壓機(jī)。

圖4 燃料電池進(jìn)氣壓力對性能及成本的影響

表1 各公司燃料電池汽車的空壓機(jī)類型

圖5 XC-FCC空壓機(jī)

國際上，由于投入較早，車用燃料電池專用空壓機(jī)的技術(shù)已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化并在多款汽車上經(jīng)歷長時(shí)間的運(yùn)行。目前在韓國、美國、日本等國際汽車公司都普遍認(rèn)為離心式壓縮機(jī)為未來主流方向，前景廣闊。美國Honeywell公司自1997年便開始了燃料電池專用離心式空壓機(jī)的研發(fā)工作，2003更是與美國能源部DOE研發(fā)出110000 r/min的高速離心式空壓機(jī)，該空壓機(jī)采用空氣軸承，最大質(zhì)量流量100 g/s，最大壓力約3.2，且空壓機(jī)重量僅8.2 kg[20]；2016年韓國現(xiàn)代汽車公司采用箔片式空氣軸承研發(fā)了第三代車載燃料電池用的離心式壓縮機(jī)，功率從第一代的8 kW提升到了10 kW，大大減少了空壓機(jī)的體積和質(zhì)量；日本本田公司為了彌補(bǔ)第一代Lysholm空壓機(jī)噪聲較大的缺陷，于2017年和蓋瑞特聯(lián)合開發(fā)了一款采用空氣軸承的雙級混流式空壓機(jī)[21]，空氣壓力提高了1.7倍，總體積噪聲明顯減小。

總的來說，國內(nèi)車用燃料電池專用空壓機(jī)的研發(fā)還處于起步階段，與發(fā)達(dá)國家技術(shù)差距較大，在高速電機(jī)性能、軸承的穩(wěn)定性方面還有很大的研究上升空間。另外，通過分析對比國內(nèi)外研發(fā)的空壓機(jī)，高速永磁電機(jī)已成為目前空壓機(jī)的主流驅(qū)動(dòng)電機(jī)，實(shí)用效果顯著；同時(shí)空氣軸承也逐步替代傳統(tǒng)軸承應(yīng)用于車用燃料電池專用空壓機(jī)領(lǐng)域。

3 永磁電機(jī)

隨著越來越多的研究投入到空壓機(jī)中，作為空壓機(jī)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，近年來對于高速電機(jī)性能的研究越來越深入，且隨著電力技術(shù)和稀土永磁材料的廣泛運(yùn)用，高速永磁電機(jī)因能直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載、氣隙較大、功率密度高等優(yōu)點(diǎn)已成為主流的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

高速永磁電機(jī)作為空壓機(jī)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，其本質(zhì)是將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能從而驅(qū)動(dòng)空壓機(jī)葉片旋轉(zhuǎn)。在轉(zhuǎn)化過程中存在不可避免的熱損耗，從而導(dǎo)致電機(jī)各部位溫度升高，有的甚至?xí)绊戨姍C(jī)的性能。高速永磁電機(jī)轉(zhuǎn)速較高，對應(yīng)的電磁交變頻率很高，電機(jī)繞組和定子鐵芯中產(chǎn)生大量的銅耗和鐵耗，這些損耗占到電機(jī)總發(fā)熱量的90%左右[22]，使得電機(jī)發(fā)熱嚴(yán)重從而導(dǎo)致永磁體過熱永久退磁。針對電機(jī)能量損耗和溫升的研究，一般從高速電機(jī)的設(shè)計(jì)、工藝和材料等方面研究設(shè)計(jì)。Ma Jie等人在電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)優(yōu)化轉(zhuǎn)子永磁體尺寸和添加輔助槽[23]，大大降低了電子轉(zhuǎn)子的渦流損耗；北京科技大學(xué)的陳奪分析了電機(jī)極弧系數(shù)、定子槽數(shù)和定子槽口寬度等參數(shù)對點(diǎn)金轉(zhuǎn)子渦流損耗的影響[24]；日本的Okamoto S為了降低電機(jī)的鐵損，使用非晶磁性材料代替硅鋼片，使得定子鐵心的鐵耗降低了約50%[25]；另外，轉(zhuǎn)子由于高速旋轉(zhuǎn)會產(chǎn)生較大的離心力，因此對電機(jī)內(nèi)部的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求很高。針對高速電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的研究，早在20世紀(jì)80年代，瑞典的皇家工學(xué)院就采用轉(zhuǎn)子保護(hù)套保護(hù)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)[26]；Kim S根據(jù)傳統(tǒng)的表貼式永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了新型轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)[27]，提高了電機(jī)的整體效率；國內(nèi)天津大學(xué)的Shu Wang提出設(shè)計(jì)了一種帶有輔助磁通屏障的改進(jìn)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)[28]，有效降低了電磁力產(chǎn)生的振動(dòng)和噪聲，保證了轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；中車的黃紹枝設(shè)計(jì)了一種“U+1”拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)[29]，有效提高了詞組轉(zhuǎn)矩和永磁轉(zhuǎn)矩，大大提高了轉(zhuǎn)子的機(jī)械強(qiáng)度。同時(shí)針對空壓機(jī)、高速永磁電機(jī)的散熱結(jié)構(gòu)，也是提高電機(jī)、空壓機(jī)使用壽命的有效途徑。

總的來說，目前永磁電機(jī)的研發(fā)與優(yōu)化設(shè)計(jì)，是提高車用燃料電池專用空壓機(jī)性能的有效途徑。在電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)下，通過優(yōu)化轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和電機(jī)的相關(guān)工藝、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇等，降低了電機(jī)的能量損耗，提高了空壓機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的性能和穩(wěn)定性，是當(dāng)下的主流研究方向之一。

4 軸承

高速電機(jī)的安全和穩(wěn)定性的關(guān)鍵在于軸承，軸承的性能直接決定電機(jī)的使用壽命。目前，車用燃料電池專用離心式空壓機(jī)的轉(zhuǎn)速普遍超過100000 r/min，且要求無油潤滑，對此，傳統(tǒng)的滾珠軸承已經(jīng)不再適合，水軸承和空氣軸承成為了主要研究對象，其中空氣軸承更是由于整體復(fù)雜度小，寄生功率小等更加適用于車載離心空壓機(jī)。國外對于空氣軸承的研究相對較早，更為完善，且已投入實(shí)際應(yīng)用。早在1854年，法國的G.Hur教授就提出了空氣軸承的設(shè)想，1928 年英國的Thomson Houton 公司就研發(fā)了氣體箔片軸承[30]，2019年美國的Tribology Group[31]利用氣墊效應(yīng)來優(yōu)化空氣軸承，大大減少了摩擦和磨損，提高了氣體的密封性；對比國內(nèi)起步相對較晚，20世紀(jì)60年代開始進(jìn)行空氣軸承的理論與實(shí)驗(yàn)研究[32]。隨著離心式空壓機(jī)轉(zhuǎn)速的提高，越來越多的人開始關(guān)注氣體軸承的研究，2019年湖南大學(xué)的郭志陽通過實(shí)驗(yàn)研究了靜載荷和不平衡載荷對氣體箔片軸承支承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的影響，并設(shè)計(jì)了氣體軸承的靜載荷和不平衡載荷的加載裝置，增加了氣體軸承的剛度[33]。

5 結(jié)論

本文闡述了國內(nèi)外車用燃料電池專用空壓機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀，同時(shí)通過分析、對比各種類的空壓機(jī)，發(fā)現(xiàn)作為目前車用燃料電池專用的主流空壓機(jī)，離心式空壓機(jī)會成為以后的主要研究和實(shí)用的對象。同時(shí)對比國內(nèi)外研制的新型離心式空壓機(jī)，永磁電機(jī)作為空壓機(jī)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，實(shí)際運(yùn)用較多；空氣軸承也因更適合高轉(zhuǎn)速運(yùn)行，逐步取代傳統(tǒng)的滾珠軸承。因此，針對車用燃料電池專用離心式空壓機(jī)，當(dāng)下研究和攻堅(jiān)的主流方向就是提高空壓機(jī)內(nèi)永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的同時(shí)降低電機(jī)的能量損耗；提高軸承的壽命和穩(wěn)定性，同時(shí)空壓機(jī)結(jié)構(gòu)上的散熱優(yōu)化與設(shè)計(jì)也會是未來主要研究方向。