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【原创】蜂巢蔚领杜洪水:高能效空压机开发与应用实践
蜂巢蔚领| 空压机 文章来源自:高工氢电网
2021-09-18 10:20:09 阅读:2714
摘要未来的空压机需要满足大流量、高压比、大功率、高能效;需要更长寿命、更长质保;同时还要做到轻量化、高集成,并且能够持续降本。

  

“满足大功率系统的高能效空压机,正由传统的两级空压机向可变截面涡轮膨胀机空压机拓展,公司还针对产品进行更长寿命、更长质保的持续优化,并且持续降本。”蜂巢蔚领空压机技术总监杜洪水在2021高工氢电燃料电池系统技术与应用峰会上表示。  

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在杜洪水看来,在载重型商用车燃料电池系统发展趋势要求下,单堆功率提升、双堆/系统并联等技术路线正在蓬勃发展,这对空压机提出了更高的要求,空压机技术路线也需向前迭代升级。  

在这次峰会上,他围绕当前燃料电池终端市场重型商用车的应用现状,重点介绍了蜂巢蔚领在高能效空压机开发与应用策略。  

重型商用车燃料电池系统发展趋势  

“适合长途运输的中重型商用车,对于燃料电池系统来说需要更多的功率输出,才能提供比较大的牵引力。”杜洪水介绍,以49吨的牵引车为例,目前用的柴油发动机11-13升的排量,功率大概是300-405kW功率段,对于燃料电池汽车来说,至少达到同等功率。  

同时如果想达到更多的牵引特性、加速特性,最终的驱动是牵引电机,功率要求更高。现阶段比较成熟的燃料电池系统120kW左右,通过片数增加功率可达到200kW,至于更高功率350、400kW最终会采用双堆或者多堆,双系统或者多系统并联实现。  

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对于这么大功率,无论从开发的周期还是开发的成本来看,都是一项重大挑战。  

空压机需要解决的新问题  

与重型商用车匹配的空压机则需要根据其燃料电池系统的特点设计,迎接新的挑战、解决新的问题。  

杜洪水表示,大功率输出需要大流量、高压比的新鲜空气,此时空压机的电耗也很大,数量值也较为“突显”。以250kW电堆为例,当空压机不带能量回收膨胀机时直流功耗约为45kW,加上其他BOP耗能,系统仅可以输出200kW电能,经济性不高的压力就对高能效提出了要求。  

此外,随着重卡的商业化发展,对各个零部件来说,包括空压机都必须是更长寿命、更长质期,终极目标是等同于柴油发动机。因此持续降成本是加快燃料电池汽车商业化进程的重要因素。  

但是,由于当前市场规模不够大,高速电机特种材料、制造工艺、车规级控制器电力电子元器件等主要部件的单体价格在短时间内较难分摊,加上持续投入的研发、量产装备、验证费用,这些都是空压机企业当前面临的主要困难。  

总体来看,未来的空压机需要满足大流量、高压比、大功率、高能效;需要更长寿命、更长质保;同时还要做到轻量化、高集成,并且能够持续降本。  

蜂巢蔚领的应对策略  

对于大功率输出同时满足高能效,蜂巢蔚领的应对策略是:  

1、公司仍可提供传统的两级空压机,该技术和系统匹配程度已非常成熟,适用于大功率系统的初期应用和开发,同时公司的两级空压机系统效率可达71%,能耗相对其他友商也是比较低的;  

2、采用可变截面涡轮膨胀机的空压机,目前蜂巢已经完成了台架性能验证,回收功率可达20-30%,在220g/3.2PR时直流功耗30kW,比传统两级空压机低7kW;预计可节省系统成本25%,节能效果显著。  

此外,蜂巢蔚领还针对系统,进行控制技术解耦、可变能量回收涡端的调节。加强空压机的涡轮叶片的耐腐蚀、耐液滴冲击等验证,已有多种解决方案可以攻克这些问题。  

截至目前,蜂巢蔚领的Gen.1.0的无油空气轴承可以正常启停25万次,公司同时还在持续研究新技术、新材料来提升轴承的耐久能力,在Gen.2.0或3.0,启停次数将逐渐提高。  

另一方面,蜂巢蔚领也在研究科学、有效的加速寿命试验、评测方法,并结合客户的具体运行工况以及其他相关标准,来制定一个更贴合实际路谱的耐久试验方法和标准。  

在空压机产品布局方面,蜂巢蔚领现阶段已经形成了较为完整的产品矩阵。公司的高能效VF系列空压机,适用于乘用车和商用车共用平台,覆盖30-225kW的乘用车/商用车系统,并可提供定制化设计,助力氢燃料电池系统加速商业化。  

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具体来看,VF10、VF15更适合于对安装空间要求较高的应用场景,分别适配30-55kW、50-90kW系统。  

VF20、VF25、VF30均可提供两级、带能量回收的涡轮膨胀机方案,根据系统运行工况不同可回收20-30%的电机能量。VF20可用于80-110kW系统,VF25可用于110-140kW系统,VF30可用于重型商用车系统,适配系统功率140-225kW。  

目前VF20、VF25均已小批量供货,主要客户有未势能源、上燃动力,国鸿、清能、风氢扬等系统厂家正进行台架试验,VF20T、VF25T已完成台架性能验证。VF15、VF30处于样件制造,后续将进行性能验证。  


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