毅合捷黃建軍：增壓技術的創新應用
江蘇毅合捷汽車科技股份有限公司技術總監黃建軍作主題演講
8月25日，由中國電池工業協會、電池中國網聯合主辦的“2023氫能與燃料電池技術及應用國際峰會”在中國上海隆重舉行。中國電池工業協會理事長劉寶生、中國工程院院士彭蘇萍、中國科學院院士孫世剛、上海市嘉定區副區長李峰等出席峰會，來自行業主管部門、高校、科研機構和產業鏈知名企業，以及外賓代表共300余人與會。
江蘇毅合捷汽車科技股份有限公司技術總監黃建軍在會上作主題演講。
以下是發言內容實錄，未經嘉賓審閱：
黃建軍：我今天給大家做的報告內容是關于燃料電池空壓機，更多是關于增壓技術創新應用的講座。
開始演講前，我想讓大家猜一下下面三個設備大概是什么東西。第一款是一款汽油增壓發動機，第二款是一款氫內燃機、第三款是燃料電池系統（燃料電池發動機），它們最大的特點也是我報告的主角，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和渦輪增壓器產品的一些具體結構。從圖上大家可以看出來其實這兩個產品特別相似，左邊的是配內燃機的渦輪增壓器，右邊的圖的話就是配我們燃料電池系統的空壓機，從圖片上大家可以看出來，他們都有一個壓氣機在左側，右側都有一個膨脹機（空壓機），未來也都會有一個膨脹機，中間都有一個軸承系統，稍微有差別的話就是右邊燃料電池空壓機中間加了一個電機，需要電機驅動壓氣機這是唯一的差異，所以說我們可以下這樣一個結論，我們燃料電池空壓機技術來源傳承于渦輪增壓器。
我們再看一下我們燃料電池空壓機它的需求有什么樣的變化，我這邊列了一個圖X軸的話，就是空壓機空氣流量的需求，Y軸的話就是空壓機空氣壓比的需求，圖上面某一個點就是我們收集的某個燃料電池系統，它在最大功率點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增加到現在應該接近于350g甚至于400g/s的需求，壓比的話大概從2.0增加到3.5，甚至于有一些系統要3.5以上的壓比，所以說我們的空壓機的流量跟壓比會越來越大，他會帶來什么樣的挑戰。
第一個挑戰就是我的空壓機的功耗會越來越大，從圖上可以看得出來我的空壓機的功耗從最小的10千瓦或者10千瓦不到，到現在的我們空壓機越做越大要到60千瓦，60千瓦是什么概念？接近一臺小型的汽油發動機的功率，所以說功耗特別大。
下面是關于其他幾個技術指標，最終這兩三年或者三四年空壓機的一些變化，我們歸納成如下幾點：
第一點流量壓比我們剛才說過了，在前面4年之內我們的空壓機流量按比至少增加了4倍或者說4倍以上。
第二點的話我們空壓機的功耗同樣也增加了4倍甚至于更多。
第三點的話，空壓機的壽命客戶也給我們提出了要求，可能三年前、四年前空壓機達到1萬小時甚至8000小時就可以了，但是現在肯定不行的，我們至少達到2萬到3萬小時工作壽命。
第四點價格也是有很大的變化，幾年以前空壓機確實蠻貴的，現在的話空壓機的價格是原來的至少四分之一甚至于降得更多了。它給我們空壓機帶來的挑戰，我們的空壓機應對措施，怎么樣更好滿足客戶用戶的需求，針對流量壓比，我們在空壓機的開發上有更多創新的一些系統架構。
第二點的話，關于空壓機的功耗，怎么樣更有效的降低空壓機的功耗，所以我們會有一個膨脹機。
第三點針對壽命，更多的是在開發的時候，我們怎么樣有效的來做好我們的產品實驗驗證，保證我們產品在應用但不會出可靠性的問題。
關于價格的話，不管是設計單還是我們靠規模經濟持續降本，這是我今天報告覆蓋的四部分內容。
第一部分關于空壓機的價格，我這下面列了六種類型，從圖片上大家可以看得出來，其實空壓機可以有不同形式的，有單極增壓的，有兩極增壓的，還有單極增壓加膨脹機，兩極增壓加膨脹機，還有渦輪發電機，直接利用電堆的尾氣發電。
基本上6種架構提供了不一樣的特點，最終的目的就是我們來滿足客戶的系統堆的不一樣的需求。
第二個話題，我們簡單介紹一下膨脹機，膨脹機可以幫助我們系統來降低功耗，看看我們膨脹機怎么樣實現這樣的目的的。我們想帶大家做一個簡單的物理題，上面的圖片就是我們燃料電池空壓機示意圖，右邊的話就是我的膨脹機，也就是說我的膨脹機接受的是來自于燃料電池系統排出來的尾氣，也就是說私空氣，它給我的質量流量叫MT。
我們看一下回溯的大概是怎么計算的，我們摘錄了這樣一個公式，P膨脹機，就是我這個燃料電池空壓機能回收的最大功率，后面的就是說我進來的這些氣體的狀態參數，我們來看一個典型的系統，大概它能提供多少功率，回收多少功率。
這邊我是借用了240千瓦的一個系統功率的燃料電池系統，它的尾排的參數大概是這樣子，水氣的質量、流量大概是300個每秒，溫度大概80度或者85度，堆出來的空氣壓力大概是2個Bar，進到我的膨脹機里面，然后我的膨脹機效率大概是70%，大家可以猜一下，這里面的答案已經有了。
這樣一個狀態燃料電池的排氣進入膨脹機，我能回收多少功率，大概是14.5千瓦的功率。對于240千瓦這個系統功率或者說300千瓦的電堆功率，我回收14.5千瓦，也就是相當于我提升了整個系統的效率差不多5個點，那5個點系統效率提升其實是一個很明顯的收益。
接下來再提供一下關于膨脹機的匹配，因為膨脹機在燃料電池的匹配上，其實還是有很多可以需要討論的點，這里面我們列了一個應用案例，某個點去表示工情膨脹機出來的尾氣的參數，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系統的需求。
第一個方案，就是我們選擇一個大的流通能力的渦殼，來匹配燃料電池系統。
第二個方案，我們選擇一個小流通能力的渦殼，來匹配這個燃料電池系統的需求。
第三個方案，我們選擇一個可便鞋的VGT這個方案，也許在的人熟悉這個內燃機渦輪增壓器，可能大家也聽說過這個所謂的可變界面，不管是VNT也好，還是VGT也好，最終這3個方案匹配下來，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我的空壓機功耗，下面三根線就是我帶了不同方案的膨脹機它的功耗比較。
簡單來說，我匹配上可便界面的膨脹機，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，它的側重點不一樣，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，大流量會放掉一部分氣，也就是說回收效率會差一些。
關于空壓機的可靠性跟它的耐久性，渦輪增壓器是我們的主業，更多的我們是把燃料電池的空壓機的開發，也是借用渦輪增壓器開發流程，也就是說在開發的早期我們做了大量的仿真分析，來確認我們的這些指標能被滿足。
后面在產品端，我們會做比較嚴謹的試驗，不管是單體的，還是系統級的，然后在應用端PE試驗，我們要結合客戶的整車，來做很多耐久的試驗，來保證我們這個產品在應用端不會有那些意外的風險發生。
接下來我們給大家介紹一下我們毅合捷公司的產品，目前我們毅合捷公司有兩個產品，一個是渦輪增壓器，左邊就是示意圖。右邊我們剛才前面已經提過了，燃料電池空壓機，這是我們毅合捷公司目前的兩個主要產品，他們產品背后的一些技術特點確實有很多共性的地方，我們簡單看一下。
第一點，確實都是液冷機械，而且是一個高速轉子機械，它都帶有膨脹機跟渦輪機，被壓縮做工提供空氣，然后膨脹機可以提供發電也好，或者提供機械的助能也好。
第二點，他們都是一個特別高轉速的轉子機械，渦輪增壓機的轉速至少要20萬這樣每分鐘以上，然后燃料電池空壓機將近10萬轉或者10萬轉以上的轉速。
第三點，他們都是一個高精密加工的工藝，或者很精密的一個裝配工藝。我們舉一個簡單的例子，渦輪增壓器這個軸承的間隙或者說燃料電池空壓機軸承的間隙，它達到什么樣的一個精細程度，大概人的頭發是直徑的1/7，也就是說這個設備確實很精密的一個設備，雖然它工作的環境很惡劣，工作環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境之下。
我們這個燃料電池空壓機或者渦輪增壓器，它是要配合整車應用，有一些商用車的應用它振動的極值要接近于25個G，那是相當高的一個振動，也就是說我們這個產品是工作在相對惡劣的工作環境之中。
下面一頁我想給大家介紹一下我們毅合捷公司在轉子機器我們的核心技術跟我們的一些制造工藝的技術，關于核心技術我們列了這四五個點，第一個就是空氣動力學，因為這兩個轉子機器跟空氣動力學是完全結合到一起去的，空氣動力學決定了我們這個產品性能的一個核心技術之一。
第二個就是轉子動力學，我們剛才提到了它的轉速特別高，起點都是10萬轉每分鐘的轉速。第三個就是結構強度和疲勞，因為我們這個設備它的工作環境特別有挑戰，所以說這個結構強度和疲勞也是我們的核心技術之一。
第四點就是高速電機跟電控，尤其對燃料電池空壓機，因為轉速太高了，它是我們主機電機轉速的10倍甚至10倍以上，所以說高速電機電控也是我們的核心技術之一。關于制造端、工藝端我們有下面這幾個核心技術：
第一，高精密加工和裝配工藝。
第二，高速動平衡技術，這也是我們生產線一個很關鍵的技術。
第三，供應鏈和質量管理，因為我們是汽車行業服務于整車廠的，所以說這個供應鏈包括我們的質量管理是特別關鍵的。
第四，數字化或者柔性化的生產技術，也是幫助我們做好這個產品，服務好客戶的一個關鍵的技術。
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里面，我們已經開發出來或者正在開發的產品型譜，從圖上可以看到空壓機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，我們有一個微型的風機來配合使用，最大可以滿足300千瓦這個系統功率電堆的空壓機，我們也有適配的產品。
簡單的再總結一下：
第一，燃料電池空壓機它的技術是傳承于渦輪增壓器，空壓機是渦輪增壓器里面我們有10年以上的行業經驗，所以我們的核心技術是相通的。
第二，燃料電池空壓機它的流量越來越高，我的功率會越來越高，所以說我們需要膨脹機來幫助我們減少這個公告，所以這個膨脹機技術也是未來燃料電池空壓機可能必備的技術之一。
第三，我們空壓機公司還會繼續深耕增壓技術的創新應用，來服務好我們這個行業的客戶。
我的報告就這么多，感謝大家。
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