為了將燃料電池動力系統(tǒng)布置于Clarity燃料電池汽車引擎蓋下方，本田公司開發(fā)了一套緊湊的空氣供應(yīng)系統(tǒng)。相比于傳統(tǒng)Lysholm空壓機(jī)，兩級電動空壓機(jī)噪音大大降低。

同時(shí)，Clarity燃料電池汽車上的減噪輔助設(shè)備體積也降低50%。為了給燃料電池系統(tǒng)提供純凈無污染的陰極側(cè)反應(yīng)氣-空氣，空壓機(jī)采用空氣軸承，取消了油潤滑方式。為了改善增壓引起的工作范圍限制，本田開發(fā)了兩級混流式空壓機(jī)，使得空氣壓力提高1.7倍。通過采用無旋轉(zhuǎn)變壓器(resolver-less)控制的新型逆變器，取消了電機(jī)中旋轉(zhuǎn)角度傳感器(rotation angle sensor)的存在，提高了電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度和緊湊性。全模組件(full-mold module)和壓接連接(press-fit connection)方法使得逆變器單元體積大大降低。

燃料電池的基本原理為陰極側(cè)空氣中的氧氣和陽極側(cè)氫氣發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生電、熱、水，且電化學(xué)反應(yīng)的工作溫度區(qū)間為60——80℃。因此，燃料電池系統(tǒng)需要?dú)錃夤?yīng)系統(tǒng)、空氣供應(yīng)系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和燃料電池四個系統(tǒng)協(xié)同工作。其中，在空氣供應(yīng)系統(tǒng)中，空氣被壓縮機(jī)吸入并壓縮，進(jìn)入燃料電池。

燃料電池系統(tǒng)示意圖

自2002版FCX燃料電池汽車開始，本田公司一直采用Lysholm空壓機(jī)作為旗下燃料電池汽車的空氣壓縮機(jī)。然而，為了實(shí)現(xiàn)降低燃料電池動力系統(tǒng)體積的目標(biāo)，將動力系統(tǒng)置于引擎蓋下方，本田公司開發(fā)了包括電動增壓空壓機(jī)等一套空氣供應(yīng)系統(tǒng)。

本田Clarity燃料電池動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.空壓機(jī)開發(fā)目標(biāo)

傳統(tǒng)Lysholm空壓機(jī)通過轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)對空氣增壓，噪聲與出口壓力成正比例關(guān)系。因此，通常需要采用降噪的輔助設(shè)備(如消音器)來降低噪音，但該舉也消耗掉一部分空壓機(jī)的出口壓力(消音器產(chǎn)生沿程壓力損失和局部壓力損失)。相比于傳統(tǒng)Lysholm空壓機(jī)，渦輪增壓空壓機(jī)因無需內(nèi)部壓縮過程，噪音較小。所以，即使電堆的工作壓力提高，采用渦輪增壓空壓機(jī)可以降低降噪輔助設(shè)備數(shù)目和燃料電池系統(tǒng)體積。

除此之外，提高進(jìn)堆壓力(即空壓機(jī)出口壓力)會提高氧氣分壓。當(dāng)燃料電池工作在高負(fù)荷區(qū)間，也會提高電池單體單壓。下圖表示空壓機(jī)的壓比(出口和進(jìn)口壓力比值)和燃料電池系統(tǒng)效率的變化關(guān)系，不難發(fā)現(xiàn)，壓比提高有利于燃料電池系統(tǒng)效率攀升。因此，工作壓力的提高會降低燃料電池電堆中單電池的數(shù)目(功率輸出相同條件下)，進(jìn)一步降低燃料電池系統(tǒng)的體積和成本。

壓比和燃料電池系統(tǒng)效率關(guān)系

提高空壓機(jī)出口壓力不僅有利于提高輸出性能，降低系統(tǒng)成本和體積，而且也會提高電堆的相對濕度，減少加濕量。下圖表示空氣的溫度、壓力和電堆相對濕度關(guān)系，橫坐標(biāo)為壓比，縱坐標(biāo)為工作溫度，二維坐標(biāo)區(qū)域的左上方為干燥狀態(tài)，右下方為濕潤狀態(tài)?？梢园l(fā)現(xiàn)，隨著壓力的增加，電堆向右下方濕潤區(qū)域移動。該舉降低了加濕量，從而減少了加濕器的體積。即使電堆工作在高溫度區(qū)間，提高工作壓力也會使得電堆濕度維持在一個較為適宜的水平。這意味著，當(dāng)垂直爬坡、迎風(fēng)或散熱器散熱能力差時(shí)(三者都導(dǎo)致電堆溫度升高)，電堆性能也會得到保障。

壓力、溫度和電堆相對濕度關(guān)系

鑒于此，本田公司為Clarity燃料電池開發(fā)空氣供應(yīng)系統(tǒng)的目標(biāo)有：

1.通過提高空氣壓力實(shí)現(xiàn)電池輸出性能提高，減少了燃料電池單電池?cái)?shù)目，降低系統(tǒng)體積和成本；

2.通過提高空氣壓力減少加濕量，降低加濕器體積，增加燃料電池高溫工作區(qū)間；

3.通過采用電動渦輪增壓空壓機(jī)實(shí)現(xiàn)降噪，取消了降噪輔助設(shè)備，降低了空氣供應(yīng)系統(tǒng)的體積；

4.開發(fā)無傳感器控制的逆變器，實(shí)現(xiàn)了無旋轉(zhuǎn)變壓器電機(jī)的小型化，有助于減小燃料電池系統(tǒng)體積。

1.空氣軸承結(jié)構(gòu)

本田與蓋瑞特(原霍尼韋爾)公司合作開發(fā)的兩級電動渦輪增壓空壓機(jī)具備以下特性：1.采用空氣軸承；2.兩級渦輪增壓，即轉(zhuǎn)子兩端分別為低壓空壓機(jī)和高壓空壓機(jī)；3.渦輪增壓改善噪音。*，內(nèi)燃機(jī)的渦輪增壓器通常采用油潤滑軸承。但對于燃料電池系統(tǒng)，來自軸承中的潤滑油會污染燃料電池，使其“中毒”，引起性能下降。本田公司將航空器中的空氣軸承引入到車用燃料電池空壓機(jī)中。

兩級電動渦輪增壓空壓機(jī)外觀

兩級電動渦輪增壓空壓機(jī)截面

空氣軸承結(jié)構(gòu)

當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，空氣的粘滯作用強(qiáng)制擠壓空氣進(jìn)入一個楔形的空間，產(chǎn)生壓力(動壓)，將轉(zhuǎn)子抬離軸承，如下圖所示。緊接著，產(chǎn)生的壓力通過頂箔(top foil)傳遞到凸箔(bump foil)。壓力的浮動變化可以被頂箔的變形吸收掉，后被摩擦力消除。以上過程可以得到一個合適的超薄空氣層，即使在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變化引起壓力浮動的情況下，也可以使得轉(zhuǎn)子抬離。

空氣軸承抬離(lift-off)原理

空氣軸承作用過程

2.空壓機(jī)結(jié)構(gòu)

為了降低燃料電池系統(tǒng)體積，有必要提高空壓機(jī)出口壓力。再者，車用環(huán)境中經(jīng)常經(jīng)歷外界環(huán)境中載荷、溫度和壓力的變化。為了應(yīng)對上述變化，必須對電堆入口氣體的流量和壓力進(jìn)行控制，確?？諌簷C(jī)工作區(qū)間較寬。

離心式空壓機(jī)被廣泛應(yīng)用于渦輪增壓空壓機(jī)中，在離心式空壓機(jī)中，氣體從葉輪的外部流出，因此可以實(shí)現(xiàn)可觀的壓力升果。然而當(dāng)氣體流量降低，系統(tǒng)壓力和流量開始出現(xiàn)浮動，喘振(surge)現(xiàn)象有可能發(fā)生，限制了空壓機(jī)工作范圍。

相比之下，噴氣發(fā)動機(jī)中的軸流式空壓機(jī)(axial compressor)雖然可以實(shí)現(xiàn)高流量，但使用單級葉輪無法實(shí)現(xiàn)高壓比。對于高壓比很重要的場合，有必要使用多級葉輪。

空壓機(jī)葉輪類型

為了實(shí)現(xiàn)寬工作范圍，本田采用了介于離心式空壓機(jī)和軸流式空壓機(jī)之間特性的混流式空壓機(jī)(mixed-flow)結(jié)構(gòu)。通過可以實(shí)現(xiàn)高流量的兩級結(jié)構(gòu)達(dá)到高壓比效果。

兩級電動渦輪增壓空壓機(jī)內(nèi)部空氣流動

性能Map圖

下表為單級增壓和兩級增壓空壓機(jī)對比情況?？梢园l(fā)現(xiàn)，相比于離心式空壓機(jī)，混流式空壓機(jī)結(jié)構(gòu)工作范圍寬，壓比提高了1.7倍。

單級和雙級增壓對比

3.通過渦輪增壓實(shí)現(xiàn)降噪

沒有了傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)，燃料電池汽車行駛過程中異常安靜，同時(shí)有必要降低空氣壓縮機(jī)的噪音。傳統(tǒng)Lysholm空壓機(jī)在一對轉(zhuǎn)子之間壓縮空氣。由于進(jìn)氣和出氣都是間歇性的，進(jìn)出口會產(chǎn)生脈沖噪聲(pulsation noise)。此外，由于轉(zhuǎn)子由齒輪驅(qū)動，齒輪產(chǎn)生的噪音同樣存在。為了降低燃料電池汽車行駛過程中的噪音，有必要采用降噪的輔助設(shè)備。

Lysholm空壓機(jī)截面

新型渦輪增壓空壓機(jī)的使用降低了脈沖，使得降低進(jìn)出口噪音變成可能。盡管傳統(tǒng)Lysholm空壓機(jī)中的一對轉(zhuǎn)子由齒輪驅(qū)動，但由于在新型空壓機(jī)中使用了相同的軸和轉(zhuǎn)子，無需齒輪，實(shí)現(xiàn)電磁噪聲減少。

進(jìn)口噪音對比

出口噪音對比

降低空壓機(jī)的噪音達(dá)到了諸多效果，包括：減少了抑制進(jìn)口脈沖噪聲的共鳴器尺寸，取消了抑制出口脈沖噪聲的消音器；取消了降低電磁噪聲的擋板(cover)。因此，本田將空氣過濾器和輔助降噪設(shè)備集成在一起。與前一代FCX相比，體積減少了50%。

電磁噪聲對比

降噪設(shè)備對比

4.兩級電動渦輪增壓空壓機(jī)的逆變器驅(qū)動

下圖為本田和BRUSA公司聯(lián)合開發(fā)的逆變器單元。逆變器和IPU(Intelligent Power Unit)箱集成起來，可以安裝在一個狹小的空間。同時(shí)，配合高速轉(zhuǎn)化的設(shè)備和冷卻結(jié)構(gòu)，使得轉(zhuǎn)速為100000 rpm的空壓機(jī)可以實(shí)現(xiàn)sensor-less控制。

空壓機(jī)逆變器單元外觀

車用逆變器單元需要滿足兩個標(biāo)準(zhǔn)。首先，連接逆變器單元原邊的直流高壓線纜需要和IPU箱集成連接起來。再者，布局需要滿足車用碰撞要求。為了避免碰撞中來自剛體的沖擊，有必要將逆變器單元安置于IPU箱的前段，如下圖所示。

潛在控制器單元放置區(qū)域

為了保護(hù)技術(shù)人員維護(hù)時(shí)的安全，需要保證直流線纜連接的地方不可觸及。因此，將直流線纜從IPU箱直接延伸到逆變器單元。同時(shí)，IPU箱的防水性能也至關(guān)重要。為了防水，在IPU箱和逆變器單元之間用一個柔韌的橡皮管連接。此外，由于放置在引擎蓋下方，逆變器有被水淹的可能，因此需要考慮防水和防腐蝕。因此，高耐腐蝕性的鋁材質(zhì)被用來制作逆變器盒。在逆變器盒和蓋子之間用FIPG(Formed-in-place-gaskets)密封圈來進(jìn)行防水和防腐蝕。

導(dǎo)管截面

逆變器安裝位置

5.高速轉(zhuǎn)換和降低尺寸技術(shù)

為了降低逆變器尺寸并提高其效率，本田公司采用了以下三項(xiàng)技術(shù)。首先，使用全模組件(full-mold module)提高熱輻射，壓接連接(press-fit)方式減少逆變器單元尺寸。通過無傳感器控制也可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)尺寸降低。其次，在電子模塊(power module)中采用傳遞模塑法(transfer moldings)將DCB基體密封起來。該舉降低了半導(dǎo)體片到底盤的傳熱阻力，實(shí)現(xiàn)的熱輻射，可以實(shí)現(xiàn)逆變器24 kHz的轉(zhuǎn)化頻率，超過了傳統(tǒng)絕緣柵雙極二級管(IGBT)的轉(zhuǎn)換效率。

全模組件和壓接針腳

全模組件截面

壓接連接剖面

將壓接針腳(press-fit pin)高壓擠進(jìn)底盤形成電連接有助于減少由熱接觸引起焊錫缺陷所導(dǎo)致可靠性降低的問題。通過簡化接線、降低部件之間距離可以實(shí)現(xiàn)逆變器單元的小型化。為了減少開發(fā)時(shí)間，使用了基于IEC標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)許可證書所用的壓接端子(press-fit terminal)。與高載流部件接觸的區(qū)域，掌握溫升和接觸電阻的關(guān)系有助于確保電連接部分的可靠性和耐久性。

無傳感器控制下轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速變化過程

24 kHz頻率超出了人們的可聽范圍。通常24 kHz被當(dāng)做無傳感器控制的轉(zhuǎn)換頻率，并且在電機(jī)中使用單個電極，有利于降低轉(zhuǎn)換噪聲和維持電機(jī)在100000 rpm轉(zhuǎn)速穩(wěn)定工作。上圖為無傳感器控制的控制值和不同空壓機(jī)轉(zhuǎn)速下的控制表現(xiàn)。該控制可以滿足在減速過程中使用PWM控制實(shí)現(xiàn)功率回收，實(shí)現(xiàn)在加速和減速過程中快速響應(yīng)。