载运工具用燃料电池空气压缩机技术综述

欧凯1,胡皓文1,吴雨衡1,郭轩1,杨新荣1,张前2,马明辉3,王亚雄1(1.福州大学机械工程及自动化学院;2.河北金士顿科技有限责任公司;3.中汽研新能源汽车检验中心(天津)有限公司)
摘要:从性能需求与技术现状等角度,综述了载运工具用燃料电池空气压缩机的研究进展,总结了离心式空气压缩机的关键部件参数优化设计、机电耦合控制、加工制造和性能测试等技术,并展望了燃料电池空气压缩机技术未来的发展方向.研究结果表明:燃料电池空气压缩机需满足大流量与快速响应等要求;当前,两级离心式空气压缩机流量与压力等特性可满足5~350kW 燃料电池系统供氧需求,最高转速可达1.0×105r•min-1,零转速到怠速的响应时间为秒级;叶轮、扩压器、箔片气体动压轴承等关键部件的参数可采用优化算法进行设计以提高空气压缩机气动性能;为降低驱动电机的转速与转矩波动,离心式空气压缩机机电耦合控制可采用电流环解耦控制和无传感控制等方法以提高空气压缩机的动态响应能力;为保证离心式空气压缩机高速运转下的气动性能和系统稳定性,高精度三元叶轮加工主要通过五轴数控机床铣削实现,箔片气体动压轴承的涂层常采用固体润滑与等离子喷射工艺;燃料电池空气压缩机还需开展流量、压比、效率等特性与启停、寿命等耐久性的指标测试以综合评价其性能;目前,空气压缩机气动性能测试标准与试验方法较为完备,但耐久性相关的测试和评价方法还需进一步完善;未来,随着对可持续交通解决方案需求的不断增长,载运工具用燃料电池空气压缩机技术将朝着集成轻量化与智能化等方向发展.
关键词:载运工具;燃料电池;空气压缩机;需求分析;优化设计;机电耦合控制

目录介绍

0 引言

1 载运工具用燃料电池空压机需求分析

1.1 载运工具不同场景的动力特性与需求功率分析

1.1.1 燃料电池商用车

1.1.2 燃料电池乘用车

1.2 载运工具用燃料电池空压机需求特性分析

2 载运工具用燃料电池空压机技术水平

2.1 燃料电池系统用空压机概述

2.2 燃料电池离心式空压机技术水平

3 载运工具用燃料电池离心式空压机优化设计

3.1 离心式空压机关键设计参数分析

3.1.1 叶轮关键设计参数分析

1叶顶间隙

2叶片数

3叶轮叶片出口宽度

4分流叶片

3.1.2 离心式空压机扩压器关键设计参数分析

3.1.3 蜗壳关键设计参数分析

3.1.4 箔片气体动压轴承设计参数分析

1止推轴承

2径向轴承

3.2 离心式空压机性能优化设计

3.2.1 叶轮叶片型线与三维布局优化设计

1叶轮关键参数优化设计

2叶轮性能数值仿真分析

3.2.2 扩压器优化设计

3.2.3 蜗壳优化设计

3.2.4 空气动压轴承优化设计

1箔片动压止推轴承优化设计

2箔片动压径向轴承优化设计

4 载运工具用燃料电池离心式空压机机电耦合控制

4.1 离心式空压机机电耦合动态特性分析

4.1.1 轴承转子动力学分析

4.1.2 电机多物理场耦合分析

4.2 离心式空压机驱动电路研究

4.2.1 电路拓扑方案

4.2.2 电压调制策略

4.3 离心式空压机机电耦合控制

4.3.1 电流环解耦控制

4.3.2 延迟补偿

4.3.3 无传感器控制

5 载运工具用燃料电池离心式空压机加工制造与测试

5.1 离心式空压机关键部件加工制造

5.1.1 离心式空压机三元叶轮加工制造

5.1.2 离心式空压机气体箔片轴承涂层工艺

5.2 离心式空压机测试技术

5.2.1 离心式空压机气动、噪声等性能测试

1燃料电池离心式空压机气动性能测试

2燃料电池离心式空压机噪声性能测试

3燃料电池离心式空压机其他性能测试

5.2.2 离心式空压机耐久性能测试

1燃料电池离心式空压机启停性能测试

2燃料电池离心式空压机预期寿命测试与评价

6 展望

 

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