毅合捷黃建軍：增壓技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用
江蘇毅合捷汽車科技股份有限公司技術(shù)總監(jiān)黃建軍作主題演講
8月25日，由中國電池工業(yè)協(xié)會(huì)、電池中國網(wǎng)聯(lián)合主辦的“2023氫能與燃料電池技術(shù)及應(yīng)用國際峰會(huì)”在中國上海隆重舉行。中國電池工業(yè)協(xié)會(huì)理事長劉寶生、中國工程院院士彭蘇萍、中國科學(xué)院院士孫世剛、上海市嘉定區(qū)副區(qū)長李峰等出席峰會(huì)，來自行業(yè)主管部門、高校、科研機(jī)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)鏈知名企業(yè)，以及外賓代表共300余人與會(huì)。
江蘇毅合捷汽車科技股份有限公司技術(shù)總監(jiān)黃建軍在會(huì)上作主題演講。
以下是發(fā)言內(nèi)容實(shí)錄，未經(jīng)嘉賓審閱：
黃建軍：我今天給大家做的報(bào)告內(nèi)容是關(guān)于燃料電池空壓機(jī)，更多是關(guān)于增壓技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用的講座。
開始演講前，我想讓大家猜一下下面三個(gè)設(shè)備大概是什么東西。第一款是一款汽油增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，第二款是一款氫內(nèi)燃機(jī)、第三款是燃料電池系統(tǒng)（燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)），它們最大的特點(diǎn)也是我報(bào)告的主角，背后都需要空氣增壓器（渦輪增壓器）給它提供清潔的空氣。
接下來帶大家近距離看一下燃料電池的空壓機(jī)和渦輪增壓器產(chǎn)品的一些具體結(jié)構(gòu)。從圖上大家可以看出來其實(shí)這兩個(gè)產(chǎn)品特別相似，左邊的是配內(nèi)燃機(jī)的渦輪增壓器，右邊的圖的話就是配我們?nèi)剂想姵叵到y(tǒng)的空壓機(jī)，從圖片上大家可以看出來，他們都有一個(gè)壓氣機(jī)在左側(cè)，右側(cè)都有一個(gè)膨脹機(jī)（空壓機(jī)），未來也都會(huì)有一個(gè)膨脹機(jī)，中間都有一個(gè)軸承系統(tǒng)，稍微有差別的話就是右邊燃料電池空壓機(jī)中間加了一個(gè)電機(jī)，需要電機(jī)驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)這是唯一的差異，所以說我們可以下這樣一個(gè)結(jié)論，我們?nèi)剂想姵乜諌簷C(jī)技術(shù)來源傳承于渦輪增壓器。
我們?cè)倏匆幌挛覀內(nèi)剂想姵乜諌簷C(jī)它的需求有什么樣的變化，我這邊列了一個(gè)圖X軸的話，就是空壓機(jī)空氣流量的需求，Y軸的話就是空壓機(jī)空氣壓比的需求，圖上面某一個(gè)點(diǎn)就是我們收集的某個(gè)燃料電池系統(tǒng)，它在最大功率點(diǎn)需要的空氣流量和壓比。從圖上大家可以看得出來，我們的流量需求越來越大，從50g/s增加到現(xiàn)在應(yīng)該接近于350g甚至于400g/s的需求，壓比的話大概從2.0增加到3.5，甚至于有一些系統(tǒng)要3.5以上的壓比，所以說我們的空壓機(jī)的流量跟壓比會(huì)越來越大，他會(huì)帶來什么樣的挑戰(zhàn)。
第一個(gè)挑戰(zhàn)就是我的空壓機(jī)的功耗會(huì)越來越大，從圖上可以看得出來我的空壓機(jī)的功耗從最小的10千瓦或者10千瓦不到，到現(xiàn)在的我們空壓機(jī)越做越大要到60千瓦，60千瓦是什么概念？接近一臺(tái)小型的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的功率，所以說功耗特別大。
下面是關(guān)于其他幾個(gè)技術(shù)指標(biāo)，最終這兩三年或者三四年空壓機(jī)的一些變化，我們歸納成如下幾點(diǎn)：
第一點(diǎn)流量壓比我們剛才說過了，在前面4年之內(nèi)我們的空壓機(jī)流量按比至少增加了4倍或者說4倍以上。
第二點(diǎn)的話我們空壓機(jī)的功耗同樣也增加了4倍甚至于更多。
第三點(diǎn)的話，空壓機(jī)的壽命客戶也給我們提出了要求，可能三年前、四年前空壓機(jī)達(dá)到1萬小時(shí)甚至8000小時(shí)就可以了，但是現(xiàn)在肯定不行的，我們至少達(dá)到2萬到3萬小時(shí)工作壽命。
第四點(diǎn)價(jià)格也是有很大的變化，幾年以前空壓機(jī)確實(shí)蠻貴的，現(xiàn)在的話空壓機(jī)的價(jià)格是原來的至少四分之一甚至于降得更多了。它給我們空壓機(jī)帶來的挑戰(zhàn)，我們的空壓機(jī)應(yīng)對(duì)措施，怎么樣更好滿足客戶用戶的需求，針對(duì)流量壓比，我們?cè)诳諌簷C(jī)的開發(fā)上有更多創(chuàng)新的一些系統(tǒng)架構(gòu)。
第二點(diǎn)的話，關(guān)于空壓機(jī)的功耗，怎么樣更有效的降低空壓機(jī)的功耗，所以我們會(huì)有一個(gè)膨脹機(jī)。
第三點(diǎn)針對(duì)壽命，更多的是在開發(fā)的時(shí)候，我們?cè)趺礃佑行У膩碜龊梦覀兊漠a(chǎn)品實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，保證我們產(chǎn)品在應(yīng)用但不會(huì)出可靠性的問題。
關(guān)于價(jià)格的話，不管是設(shè)計(jì)單還是我們靠規(guī)模經(jīng)濟(jì)持續(xù)降本，這是我今天報(bào)告覆蓋的四部分內(nèi)容。
第一部分關(guān)于空壓機(jī)的價(jià)格，我這下面列了六種類型，從圖片上大家可以看得出來，其實(shí)空壓機(jī)可以有不同形式的，有單極增壓的，有兩極增壓的，還有單極增壓加膨脹機(jī)，兩極增壓加膨脹機(jī)，還有渦輪發(fā)電機(jī)，直接利用電堆的尾氣發(fā)電。
基本上6種架構(gòu)提供了不一樣的特點(diǎn)，最終的目的就是我們來滿足客戶的系統(tǒng)堆的不一樣的需求。
第二個(gè)話題，我們簡單介紹一下膨脹機(jī)，膨脹機(jī)可以幫助我們系統(tǒng)來降低功耗，看看我們膨脹機(jī)怎么樣實(shí)現(xiàn)這樣的目的的。我們想帶大家做一個(gè)簡單的物理題，上面的圖片就是我們?nèi)剂想姵乜諌簷C(jī)示意圖，右邊的話就是我的膨脹機(jī)，也就是說我的膨脹機(jī)接受的是來自于燃料電池系統(tǒng)排出來的尾氣，也就是說私空氣，它給我的質(zhì)量流量叫MT。
我們看一下回溯的大概是怎么計(jì)算的，我們摘錄了這樣一個(gè)公式，P膨脹機(jī)，就是我這個(gè)燃料電池空壓機(jī)能回收的最大功率，后面的就是說我進(jìn)來的這些氣體的狀態(tài)參數(shù)，我們來看一個(gè)典型的系統(tǒng)，大概它能提供多少功率，回收多少功率。
這邊我是借用了240千瓦的一個(gè)系統(tǒng)功率的燃料電池系統(tǒng)，它的尾排的參數(shù)大概是這樣子，水氣的質(zhì)量、流量大概是300個(gè)每秒，溫度大概80度或者85度，堆出來的空氣壓力大概是2個(gè)Bar，進(jìn)到我的膨脹機(jī)里面，然后我的膨脹機(jī)效率大概是70%，大家可以猜一下，這里面的答案已經(jīng)有了。
這樣一個(gè)狀態(tài)燃料電池的排氣進(jìn)入膨脹機(jī)，我能回收多少功率，大概是14.5千瓦的功率。對(duì)于240千瓦這個(gè)系統(tǒng)功率或者說300千瓦的電堆功率，我回收14.5千瓦，也就是相當(dāng)于我提升了整個(gè)系統(tǒng)的效率差不多5個(gè)點(diǎn)，那5個(gè)點(diǎn)系統(tǒng)效率提升其實(shí)是一個(gè)很明顯的收益。
接下來再提供一下關(guān)于膨脹機(jī)的匹配，因?yàn)榕蛎洐C(jī)在燃料電池的匹配上，其實(shí)還是有很多可以需要討論的點(diǎn)，這里面我們列了一個(gè)應(yīng)用案例，某個(gè)點(diǎn)去表示工情膨脹機(jī)出來的尾氣的參數(shù)，它的流量跟膨脹比，跟它的流量，我們可以選擇不同的方案來匹配這個(gè)系統(tǒng)的需求。
第一個(gè)方案，就是我們選擇一個(gè)大的流通能力的渦殼，來匹配燃料電池系統(tǒng)。
第二個(gè)方案，我們選擇一個(gè)小流通能力的渦殼，來匹配這個(gè)燃料電池系統(tǒng)的需求。
第三個(gè)方案，我們選擇一個(gè)可便鞋的VGT這個(gè)方案，也許在的人熟悉這個(gè)內(nèi)燃機(jī)渦輪增壓器，可能大家也聽說過這個(gè)所謂的可變界面，不管是VNT也好，還是VGT也好，最終這3個(gè)方案匹配下來，我們簡單看一下它回收大概功率比較，最上面這根線就是我不帶膨脹機(jī)我的空壓機(jī)功耗，下面三根線就是我?guī)Я瞬煌桨傅呐蛎洐C(jī)它的功耗比較。
簡單來說，我匹配上可便界面的膨脹機(jī)，它的功耗是最低的，也就是說它的能量回收是最大的，帶著固定界面的膨脹機(jī)，它的側(cè)重點(diǎn)不一樣，如果你的渦殼大，就是大流量回收的功率多一些，如果你的渦殼小，那就是說中小流量回收的流量多一些，大流量會(huì)放掉一部分氣，也就是說回收效率會(huì)差一些。
關(guān)于空壓機(jī)的可靠性跟它的耐久性，渦輪增壓器是我們的主業(yè)，更多的我們是把燃料電池的空壓機(jī)的開發(fā)，也是借用渦輪增壓器開發(fā)流程，也就是說在開發(fā)的早期我們做了大量的仿真分析，來確認(rèn)我們的這些指標(biāo)能被滿足。
后面在產(chǎn)品端，我們會(huì)做比較嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑囼?yàn)，不管是單體的，還是系統(tǒng)級(jí)的，然后在應(yīng)用端PE試驗(yàn)，我們要結(jié)合客戶的整車，來做很多耐久的試驗(yàn)，來保證我們這個(gè)產(chǎn)品在應(yīng)用端不會(huì)有那些意外的風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生。
接下來我們給大家介紹一下我們毅合捷公司的產(chǎn)品，目前我們毅合捷公司有兩個(gè)產(chǎn)品，一個(gè)是渦輪增壓器，左邊就是示意圖。右邊我們剛才前面已經(jīng)提過了，燃料電池空壓機(jī)，這是我們毅合捷公司目前的兩個(gè)主要產(chǎn)品，他們產(chǎn)品背后的一些技術(shù)特點(diǎn)確實(shí)有很多共性的地方，我們簡單看一下。
第一點(diǎn)，確實(shí)都是液冷機(jī)械，而且是一個(gè)高速轉(zhuǎn)子機(jī)械，它都帶有膨脹機(jī)跟渦輪機(jī)，被壓縮做工提供空氣，然后膨脹機(jī)可以提供發(fā)電也好，或者提供機(jī)械的助能也好。
第二點(diǎn)，他們都是一個(gè)特別高轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)子機(jī)械，渦輪增壓機(jī)的轉(zhuǎn)速至少要20萬這樣每分鐘以上，然后燃料電池空壓機(jī)將近10萬轉(zhuǎn)或者10萬轉(zhuǎn)以上的轉(zhuǎn)速。
第三點(diǎn)，他們都是一個(gè)高精密加工的工藝，或者很精密的一個(gè)裝配工藝。我們舉一個(gè)簡單的例子，渦輪增壓器這個(gè)軸承的間隙或者說燃料電池空壓機(jī)軸承的間隙，它達(dá)到什么樣的一個(gè)精細(xì)程度，大概人的頭發(fā)是直徑的1/7，也就是說這個(gè)設(shè)備確實(shí)很精密的一個(gè)設(shè)備，雖然它工作的環(huán)境很惡劣，工作環(huán)境到底多惡劣我們下面有介紹，像主編的渦輪增壓器最高的工作溫度要1000度以上，它是工作在高溫的甚至于高壓的工作環(huán)境之下。
我們這個(gè)燃料電池空壓機(jī)或者渦輪增壓器，它是要配合整車應(yīng)用，有一些商用車的應(yīng)用它振動(dòng)的極值要接近于25個(gè)G，那是相當(dāng)高的一個(gè)振動(dòng)，也就是說我們這個(gè)產(chǎn)品是工作在相對(duì)惡劣的工作環(huán)境之中。
下面一頁我想給大家介紹一下我們毅合捷公司在轉(zhuǎn)子機(jī)器我們的核心技術(shù)跟我們的一些制造工藝的技術(shù)，關(guān)于核心技術(shù)我們列了這四五個(gè)點(diǎn)，第一個(gè)就是空氣動(dòng)力學(xué)，因?yàn)檫@兩個(gè)轉(zhuǎn)子機(jī)器跟空氣動(dòng)力學(xué)是完全結(jié)合到一起去的，空氣動(dòng)力學(xué)決定了我們這個(gè)產(chǎn)品性能的一個(gè)核心技術(shù)之一。
第二個(gè)就是轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)，我們剛才提到了它的轉(zhuǎn)速特別高，起點(diǎn)都是10萬轉(zhuǎn)每分鐘的轉(zhuǎn)速。第三個(gè)就是結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和疲勞，因?yàn)槲覀冞@個(gè)設(shè)備它的工作環(huán)境特別有挑戰(zhàn)，所以說這個(gè)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和疲勞也是我們的核心技術(shù)之一。
第四點(diǎn)就是高速電機(jī)跟電控，尤其對(duì)燃料電池空壓機(jī)，因?yàn)檗D(zhuǎn)速太高了，它是我們主機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速的10倍甚至10倍以上，所以說高速電機(jī)電控也是我們的核心技術(shù)之一。關(guān)于制造端、工藝端我們有下面這幾個(gè)核心技術(shù)：
第一，高精密加工和裝配工藝。
第二，高速動(dòng)平衡技術(shù)，這也是我們生產(chǎn)線一個(gè)很關(guān)鍵的技術(shù)。
第三，供應(yīng)鏈和質(zhì)量管理，因?yàn)槲覀兪瞧囆袠I(yè)服務(wù)于整車廠的，所以說這個(gè)供應(yīng)鏈包括我們的質(zhì)量管理是特別關(guān)鍵的。
第四，數(shù)字化或者柔性化的生產(chǎn)技術(shù)，也是幫助我們做好這個(gè)產(chǎn)品，服務(wù)好客戶的一個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)。
下面給大家展示一下目前我們毅合捷公司在燃料電池空壓機(jī)里面，我們已經(jīng)開發(fā)出來或者正在開發(fā)的產(chǎn)品型譜，從圖上可以看到空壓機(jī)幾乎可以覆蓋目前市面上所有的電堆的需求，從小到1.5千瓦這種微型的燃料電池系統(tǒng)，我們有一個(gè)微型的風(fēng)機(jī)來配合使用，最大可以滿足300千瓦這個(gè)系統(tǒng)功率電堆的空壓機(jī)，我們也有適配的產(chǎn)品。
簡單的再總結(jié)一下：
第一，燃料電池空壓機(jī)它的技術(shù)是傳承于渦輪增壓器，空壓機(jī)是渦輪增壓器里面我們有10年以上的行業(yè)經(jīng)驗(yàn)，所以我們的核心技術(shù)是相通的。
第二，燃料電池空壓機(jī)它的流量越來越高，我的功率會(huì)越來越高，所以說我們需要膨脹機(jī)來幫助我們減少這個(gè)公告，所以這個(gè)膨脹機(jī)技術(shù)也是未來燃料電池空壓機(jī)可能必備的技術(shù)之一。
第三，我們空壓機(jī)公司還會(huì)繼續(xù)深耕增壓技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用，來服務(wù)好我們這個(gè)行業(yè)的客戶。
我的報(bào)告就這么多，感謝大家。
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