压缩机在新能源汽车领域的应用

压缩机在新能源汽车领域的应用

作为新能汽车上的重要部件，车载压缩机需要在汽车运行过程中向车载空调、气动制动装置、气动助力转向装置、燃料电池等提供必要的高压气体。

1. 压缩机在燃料电池系统中的应用

1）燃料电池系统介绍

燃料电池是一种将燃料（如甲醇、氢气等）的化学能转化为电能的电化学装置。该装置在燃料源源不断地供给过程中，可持续产生电能。质子交换膜燃料电池（PEMFC ）由于其高能量密度、零排放（产物仅为水）和低温工作条件（允许在室外温度条件下快速启动）而被认为是最具有潜力的新能源车功电源。如图1所示为质子交换膜燃料电池的结构组成，氢气和氧气的反应可分为两个半化学反应，阴极和阳极反应分别为：

2244H H e +-+

22442O H e H O +-++

质子交换膜具有选择通过性，仅离子（H ＋）和水分子可以通过，而气体分子不能渗透，从而将氧气和氢气从空间上隔开，提高反应速率，反应过程中的电子通过外电路收集（做有用功），然后到达阴极。此外，质子交换膜表面所涂的高度分散的催化剂颗粒可进一步加速阴极和阳极的反应。

图1 质子交换膜燃料电池结构组成

典型的燃料电池发电系统组成如图2所示，除了燃料电池电堆外，还包括燃料供应子系统、氧化剂供应子系统及电管理和控制子系统，其主要部件包括空

压机、增湿器、氢气循环泵、高压氢瓶等，这些子系统与燃料电池电堆共同构成了燃料电池发电系统。燃料电池所用的氢气可以像传统车汽油一样快速充装，此外70MPa的车载氢瓶也保证了燃料电池车具有较长的续驶历程。

图2 燃料电池系统组成

2）燃料电池供气系统

空气供给系统为燃料电池电堆反应提供所需的氧气，综合成本和性能考虑，通常采用空气直接进气。在车用PEMFC燃料电池系统中，PEMFC系统典型的工作压力在1-3bar，且需要供气子系统连续不断的提供3bar左右、100~300kg/h 的高压空气。空气压缩机作为空气供给系统的核心部件，大约有20%~30%的燃料电池输出功率被用于提升空气的压力，成为除了负载之外燃料电池的最大耗能部件，其综合性能在很大程度上决定了燃料电池电动汽车的新能。

氢气供给系统与空气供给系统类似，是燃料电池内所需反应气体供给的另一个重要的子系统。氢回流泵和储氢瓶是氢气供给系统中的两个重要部件。氢回流泵的作用是在燃料电池发电系统氢气回路上将未反应的氢气从燃料电池出口直接泵回燃料电池入口，与入口反应气体汇合后进入燃料电池。利用回流泵一方面可实现将反应尾气的水份带回电池中起到增湿的作用；另一方面，可以提高氢气在燃料电池阳极流道内的流速，防止阳极水的累积，同时也起到提高氢气利用率的目的。氢瓶在燃料电池汽车上的作用相当于传统汽车的油箱。为了达到一定

的续驶历程，目前大多采用70MPa高压气态储氢技术。

3）燃料电池供气系统对空气压缩机的要求

为实现较高的能量转换效率，燃料电池内部的化学反应对空气的温度、湿度、压力和流量等参数均有着严格的要求。但目前广泛应用的工业压缩机无法满足燃料电池空气供应系统的要求。因此性能优越且能与燃料电池系统进行很好匹配的压缩机的研究开发，对燃料电池技术的发展至关重要。燃料电池专用的空气压缩机需满足以下要求：

（1）无油。燃料电池反应堆中的质子交换膜需要工作在无油条件下，否则将会引起质子交换膜失效，因此需要作为氧化剂的压缩空气中不能含有任何油成分。这就限制了很多工业用空气压缩机在燃料电池空气压缩机中的应用，因为很多工业用空气压缩机中或是使用了供油轴承，或是使用了喷油方式对压缩空气进行冷却。

（2）高效。由于燃料电池反应堆和空气压缩机之间能量相互关系，相关研究表明，燃料电池发动机输出功率的20～30％被用于空气压缩机，使其成为了除驱动电机之外最大的耗能单元，若压缩机占用较多的输出电能，必然会减少汽车的驱动功率，从而影响整车性能；

（3）小型化和低成本。空气压缩机会作为燃料电池发动机的一部分被安装到燃料电池电动汽车上，在车载平台上，过大的空气压缩机会占据了大量的空间，从而影响到乘员乘坐舒适性和可装载货物数量；较大质量增加了整车惯性，会在很大程度上影响汽车的启动性能和制动性能。不同输出功率的燃料电池反应堆所需要的压缩空气质量流量具有较大差别，50kw燃料电池反应堆需要最大空气质量流量为95g/s(4.5m3/min)，l00kw燃料电池需要155g/s(7.3m3/min)的空气流量，同时要求压缩机体积在40L以内，质量在30kg以下。

（4）低噪声。空气压缩机所产生的噪音是燃料电池系统最大的噪声源之一，为提升整车运行过程中的舒适性，压缩机的振动噪音需得到有效抑制。

（5）良好的动态响应能力。当需求功率发生变化时，空气流量和压力需无延迟地进行调整，以匹配输出功率的变化。

根据热力学原理的不同，压缩机分为两大类：速度式（或透平式），和容积式。速度式压缩机通过高速旋转对气体加速获得动能后转化为压力能，常见的有

离心、轴流式。容积式压缩机通过容积的减小提高气体压力，该类压缩机包括活塞、螺杆、涡旋、罗茨、隔膜等多种结构型式。每种压缩机都有各自最佳的运行参数范围和应用场合，在燃料电池汽车所需的技术条件下，离心、螺杆、罗茨、涡旋等型式因具有潜在的高效率、高可靠性及紧凑的结构，在燃料电池车用空压机研发与应用中被国内外业界看好。

4）燃料电池供气系统对氢气回流泵的要求

（1）无油。燃料电池反应堆中的质子交换膜需要工作在无油条件下，否则将会引起质子交换膜失效。

（2）气液两相混输能力。在燃料电池氢气回路中，不仅存在燃料电池反应所需的氢气，还有部分反应产生的液态水，使得氢回流泵应具备良好的气液混输能力。

（3）体积小，轻量化。

2 压缩机在新能源汽车气动装置中的应用

1）新能源汽车制动装置

汽车的制动分为广义和狭义两种解释。广义上讲，凡是利用与驱动力相反的力使汽车减速、停驶或可靠驻停的过程都应该称为制动。狭义上讲，就是利用汽车的制动器形成专门的与驱动力相反的制动力来制动。按制动能量及其传输方式，汽车制动系统可分为机械式、液压式、气动式、电磁式等。其中，气压制动系统（图3）主要由空气压缩机、储气罐、空气干燥器、制动器等几个部分。经由空气压缩机产生的高压空气对制动器的制动室内充气，从而推动活塞，通过盘式制动器中的增力机构推动摩擦片压向制动盘，实现制动。

图3 气动制动系统整体结构