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2019智新峰会 北京稳力科技有限公司科技管理总监仙存妮 离心式空压机关键技术及其在燃料电池发动机中的应用

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2019智新峰会 北京稳力科技有限公司科技管理总监仙存妮 离心式空压机关键技术及其在燃料电池发动机中的应用

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来源:
节能与新能源汽车年鉴
日期:
2019/11/07 11:51
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2019年新能源汽车智新峰会暨《节能与新能源汽车年鉴》发行十周年会议在北京裕龙国际酒店举行。2019智新峰会聚集节能与新能源汽车领域权威专家、行业资深人士、地方政府负责人、代表性企业负责人等,围绕政策、标准、整车、动力电池技术、驱动系统、自动驾驶技术等焦点问题进行深入探讨与交流,勾勒出产业未来的走向与趋势,继而大力推动我国新能源汽车产业创新、健康、快速发展。

 

北京稳力科技有限公司科技管理总监仙存妮作为嘉宾参会,发表《离心式空压机关键技术及其在燃料电池发动机中的应用》的主旨演讲。

 

北京稳力科技有限公司科技管理总监 仙存妮

 

仙存妮:谢谢主持人,谢谢组委会的邀请,刚才倪总也介绍了燃料电池用空压机的一些情况。我就介绍一下我们公司,北京稳力科技在离心式空压机方面的一些工作。

 

报告分为三个部分:

 

第一,整个行业的背景介绍。

 

第二,离心式空压机技术发展的趋势。

 

第三,离心式空压机的关键技术和我们产品研发的情况。

 

2014年12月份,中国被认为是最活跃的一个区域。氢能今年在年初的时候首次写入了我国的政府工作报告,也上升到国家的层面,当然地方政府也做一些株距,佛山市是比较有代表性的。氢能不光是我国节能减排的一个战略需要,同时也是国家能源安全的很重要的方面,国家战略新兴产业十三五规划的时候,电机和燃料电池空压机也是列入了重点发展领域,年初以来中美贸易和中国和美国的企业带来了很多的问题,而且这个贸易摩擦也是越来越严重。空压机也是成为了首批加征关税的产品之一,我国现代用的空压机很大一部分都是进口,以美国的产品为主,对行业发展来说也不利。

 

我国来说空压机的核心部件是自主知识产权比较缺乏,特别是大功率用的燃料电池空压机,因为往后发展大功率的燃料电堆是今后使用的发展一个趋势。空压机的缺乏也是整个燃料电池产业链的弱点以及闭环,2012年我自己做产品研发的时候,选配空压机在国内是找不到,从国外买周期要一年半的时间,当然现在很好了,基本上半年或者是三个月就可以买到。

 

空压机的功能,空压机被御用车用燃料电池发动机的“肺”,主要的作用是给电堆提供一定压力和一定流量比的氧气,空压机系统主要有压缩部件,控制器和其他辅助部件构成,对于燃料电池系统而言,空压机的压缩比和流量对整个燃料电池系统的性能是特别重要的。另外是空压机的能耗占到燃料电池系统辅助能耗的80%以上,其实在工业当中空压机是常用的一个部件,国家也在国家方面的空压机也正在进行着节能改造,所以空压机的能耗的降耗也是整个工业以及燃料电池产业的发展趋势。

 

空压机的成本也是比较高的。在燃料电池系统辅助的部件中,它的成本占到了整个成本的15%,也是厂家给我们提供的一些数据,希望我们整个空压机的价格能够降下来,对于产业而言也是比较好的。

 

燃料电池发动机对空压机的技术要求。这也是行业内比较公认,首先要有具有无油的特点,因为这个油需要让堆性能衰减,空压机需要采用水润滑轴承或空气轴承。高效,空压机的寄生功率巨大,降能耗也是很重要的一步。

 

轻量化与低成本,燃料电池系统的能量密度是到4了,很大一部分是跟空压机也有很大的关系,空压机的重量在整个辅助部件当中重量和体积都是偏大的,如果要提高整个燃料电池系统的能量密度,空压机也是一很重要的一部分。

 

低噪音,燃料电池是一个电化学装置,其实是没有噪音的,因为没有机械转动的部件是没有噪音,在整个系统中唯一的转动部件就是空压机,所以造成就来自于空压机,空压机现在的噪声的基本上在80%左右,降噪也是未来很重要的一个工作。

 

喘振线在小流量区,这是针对离心式空压机来说,跟它的结构有关系,离心式空压机有一个特点是在低流量和高压比的时候会出现喘振的现象,所以我们在设计的时候就要考虑希望在燃料电池的核心工作的区域或者是它比较常用的工作区域,不会出现这种喘振的现象。

 

良好动态响应能力,燃料电池需求功耗变化比较大,空气的流量和压力没有延时的进行条真,所以对控制方面来说也是比较严格的。这是对现在燃料电池系统用的几种空压机做的一个对比,目前行业对这个做了四种,离心式、螺杆式、涡旋式。

 

离心式和螺杆式用的比较多,从紧凑型重量温省噪声、成本以及耐久性方面对四种空压机类型做的一个对比,这个星号越多表示它的适应性越好的。就是越适合用于燃料电池汽车。我们可以看出这个离心式空压机的综合性能是最优的,其实在实际的过程中,很多的车企也采用了这种离心式的空压机的技术方案,只有丰田目前用罗磁式。

 

离心式的空压机的工作原理。是通过叶轮高速旋转将空气加速,在叶轮以及涡轮之间有一个区域叫空压区域,把工期动能变为压力适能再输出给燃料电池电堆,在整个过程中这个结构是比较简单的,跟其他的类型空压机相比也是比较简单,我们也总结了一下燃料电池系统对于空压机发展趋势的趋势。

 

第一,大流量。现在燃料电池的汽车的功率基本上在30-80千瓦,80K比较小,基本上都是比较小的功率,跟成本以及技术有关系,未来发展肯定是全功率的电池电堆,大流量肯定是未来发展的趋势。

 

第二,高压比。燃料电池电堆来说空气端的进气的压力越大的话,燃料电池性能是越好的。像丰田、本田用的电堆的压比都在三左右,国内的基本上是在1.5到2.2左右。

 

第三,无油,也是未来发展方向。

 

轻量化、长寿命、低成本也是不用说了。

 

满足燃料电池这样一个发展趋势,对于离心式空压机来说我们要用哪些技术满足这些要求?

 

首先使用气体动压轴承,是跟传统的轴承不太一样,以空气作为这个润滑的介质,可以具有无油的这种效果,因为是气体作为润滑剂,没有机械接触部分,它的寿命从理论上来说应该是无限长的,但其实空压机在启动的时候,低速以及带速或者是在停止的时候会有一些摩擦,所以寿命是比较长的。气动轴承跟传统的轴承,其他类型的轴承相比成本是比较低的,但是它的技术含量比较高。

 

超高速电机。一般超高速电机是用传统的轴承是没有办法实现的超高速电机可以满足高压比、大流量、轻量化的要求,转速越高的话它的体积越小,就是紧凑型越好。多级增加,也就是涡轮增加,像美国的霍尼威尔他们用的技术方案,是涡轮多级增加,是这种空压机当中,只有离心式空压机具有这样特点,可以跟涡轮或相匹配,现在美国霍尼威尔可以做到4.3或者4.2左右。

 

目前燃料电池用的离心式空压机一般是增速式的空压机,通过一百万满足轻量化的要求,但是如果要使用增速装置肯定是有油,而且重量也比较大。重量跟离心似相同的压比以及流量相比较,重量是离心式超高速电机的3-4倍,实现轻量化之后,如果在燃料电池乘用车上用的话,那重量是很重要的一点,体积也很重要。所以就要发展超高速的无油空压机,超高速无油空压机核心部件就是超高速电机,超高速电机是一个比较复杂,多学科交叉的领域,涉及到的专业比较多,我这里列出来了几个地可能不太全,动力学材料、物理、机械、电子、电磁等等很多。

 

目前超高速无油空压机这个领域存在着三大卡脖子技术。

 

气体动压轴承。我国基础研究工作起步比较晚,跟国外相比目前实际应用的很少,而且设计和测试的方法标准目前还是没有的,通过也没有自主的知识产权,超高速电机的设计方面也是比较难,有三个点:永磁体的禁锢设计工艺还有多武力场耦合条件下的精准校核问题。另外超高速电机转速在10万转所有,所以在这种高超速下会产生很多热,而且有磁的损耗,怎么样实现高效冷却也是一个比较难的问题。同时,在这种高转速下,怎么样实现转子动力学匹配也是一个难点。高频控制技术。在国内还是空白,以进口为主。像磁悬浮减震在国内是空白,怎么样实现全速域无位置传感器高效方法,特别是低速以及待私的控制检测也是空白。

 

现在控制技术用的开发技件基本上是硅级,IGBT这种,如果超高速电机里面用,这个功耗就比较大,用碳化硅的功率开发器件,但是怎么样去选型,怎么样使用,这个选型的方法现在国内也是空白的。

 

下面我就介绍一下离心式空压机的几个核心技术以及我们公司在这个方面做的一些工作。

 

刚才简单介绍了一下气体动压轴承,下面就详细介绍轴承的工作原理。

 

气体轴承其实在19世纪中叶的时候就提出了这个概念,用气体做润滑介质,一直没有实现到50年才出现第一个产品,我国也是近几年之后开始应用,应用是气体静压轴承,一般也叫空气轴承,这个润滑介质也是以为主。空气轴承有三种:

 

第一,气体静压轴承,主要目的让转子悬浮起来,气体轴承作用的原理是外面加一个供气的装置,给它里面充气,让这个转子悬浮起来,悬浮起来再转动,达到一个软化的目的。这是气体动压轴衬。

 

第二,气体挤压膜轴承,是外Y加一个磁场的。

 

第三,气体动压轴承,在转子转动的时候,转子以及轴承的中间形成一个先行空间,形成一个微米级的空气层,而这个空气层可以起到润滑的作用,是一个自适应的,也就是说没有外界能源供应的润滑的方式。

 

具体轴承和传统的轴承,首先可以支撑速度比传统轴承高5-10倍的机器部件,精度可以高两个数量级,功耗可以降三个数量级,寿命可以高十倍,另外很重要的一点是,气体轴承可以在任何的高低温或者是有辐射、有污染的情况下去运行,因为有油,或者是传统的油润滑的轴承,高温的时候油会变质,所以没有办法使用,有污染、有辐射的时候也是没有办法使用的。

 

我们的公司创始人也是在气动轴承做了十多年的理论研究和产品的研发基础,它做的气动轴承在德国中客的客车上已经使用了,我们也开发了全球唯一的一个气动轴承的正向设计平台,这个关键是正向,因为现在整个气动轴承行业用的气动轴承基本上是在20多种,不到30种的结构基础上来改进的,我们也申请了知识产权,做了一个从设计、计算、工艺到验证的完整的产品开发体系,包括国外用的气动轴承是第二代,主要是结构方面,我们现在开发的是第四代,而且已经在我们单级的空压机已经开始使用了。

 

超高速永磁电机的工作,我们公司扩法30万转每分钟超高速永磁电机,也作出了样机,这个产品2019年5月份在科部组织的科技活动周作为国家重大科技成果代表展出,也获得了业界以及国家领导人的关注。我们也开发额定功率12KW,额定转速10万转每分钟,最大转速14.4万转的每分钟永磁同步电机,也小批量生产。跟合作客户也开发了12千瓦、40千瓦电机驱动系统。这是电机测试的场景图,这是12KW驱动器的图。

 

我们一直专心致力于离心式的空压机,包括工业用的,还有燃料电池用的,目前是以燃料电池的为主。从公司的承运到现在开发了四款空压机,都是离心式。第一代是刚才我也介绍了,是增速式的,是1.2万转的电机,加一个增速装置,共30千瓦的这个电机使用的。后来又开发第二代是单机,第二代和第三代都是双级使用的空压机产品。空压机的产品也跟很多燃料电池系统集成商以及车厂去供货,他们也已经开始使用。

 

很荣幸,我们双级的产品也获得了“2018年创新中国年度的新瑞科技产品大奖”也是科技部组织的,全国有12个产品入围,

 

现在离心式空压机产品的型谱图,没有增速式都是离心式,应用气动轴承和超高级电级,具有无油、高效和寿命长的优点。浅色的部分是单级的空压机,单机是只有一个涡轮,一级增压,所以它的流量压比相对来说比较小一点,深颜色的是双级离心式空压机,流量可以达到30-250G/S,最大压缩比可以达到3.85。

 

这是我们开发的一款单级只驱的空压机,它的电机的最大转速是10万转每分钟,效率是71%,噪声是78%,电机的额定功率是12千瓦,这个可以供30-80千瓦的电堆使用。

 

这是双级直驱离心式空压机,因为不需要很大的压比,所以电机转速相对效,最大转速可以达到12转,但是设计最大转速是8.5万,电机额定功率是20千瓦,这个造成也是78分倍,这个空压机可以达到80-150千瓦的电堆来使用。

 

把我们的产品跟美国DOE202我年80千瓦电堆性能做了比较,我摘出了几个比较关键的点,美国DOE要求提出了目标是在2020年的时候额定的压缩比可以达到3.5,这个我们最大达到3.85,可以更高,但这个也要根据实际的工况用,压比高,能耗就大。

 

输入功率,我们我们研究但是没有采用膨胀机,没有加膨胀机的输入功率是17千瓦,我列的空压机类型是针对100千万堆。空压机的效率是71%,跟美国DOE的要求还低一点,正是因为我们在设计的时候,因为每个厂家跟我们提供的电堆的流量和压比的要求变化范围特别宽,所以我们在设计产品的时候也是希望能够更多的去满足更多客户的需求,设计的时候可能不是它使用的最优区域,这个效率最高是我们可以做到77%。

 

耐久力,设计寿命是三万小时。耐久力也是主要是驱动轴承的寿命,驱动轴承是没有机械磨损,所以在起步或者是停止的时候有一个磨损,对它的涂层有一个磨损。驱动轴承做了一万个小时的测试,它的磨损量是小于3%,噪音跟美国DOE的要求相差比较大,这也是未来要重点研发的一个领域。重量跟要求是差别不太大的。

 

我们公司是2014年在北京成立的,现在依法总部也在北京,去年在佛山云浮建立了广东分公司,专门成立了一个生产基地,生产燃料电池的空压机,年产五千套,同时跟国内的一些大学研究院所共同建立了电动汽车智能化动力集成技术国家地方联合工程研究中心,我们公司也是氢燃料电池技术中心的贡献单位。

 

有问题可以跟我联系。

 

以上内容据峰会现场速记整理,未经嘉宾本人审阅。

 

活动报名

2019年新能源汽车智新峰会
活动地点:
北京裕龙国际酒店
活动时间:
2019-11-05 09:00 ~ 2019-11-06 12:30
报名时间:
2019-06-11 11:36 ~ 2019-11-04 00:00
2019年新能源汽车智新峰会旨在搭建新能源汽车产业发展的交流平台,集聚优势资源,帮助业内人士获取最新的行业情报与资讯,并学习新能源汽车领域前沿技术与创新模式,发现新商机并寻找优秀业务合作伙伴,进一步促进新能源汽车领域的交流与合作。

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