【隆深机器人•技术】丰田Mirai氢循环泵开发技术
在目前几款面向普通用户的量产终极环保FCV中，丰田第一代Mirai燃料电池汽车采用了丰田自动织机开发的氢循环泵回氢组件。丰田自动织机基于自身在空调压缩机领域中的领先压缩技术，为丰田Mirai开发了两叶罗茨式氢循环泵。本文分享丰田Mirai氢循环泵的降噪、降振和小型化开发设计。为提高氢气利用率、优化水管理能力和提升氢安全性能，回氢组件是质子交换膜燃料电池供氢系统中的重要组成部分。相比引射器，氢循环泵在主动可调节、快响应速度和宽工作区间等方面占有一定优势。由于技术路线问题，加之氢循环泵面临降噪、降振、密封、低温环境适应性等方面的开发和应用难题，高性能国产氢循环泵产品屈指可数。在国内，目前业内已知的完全自主知识产权氢循环泵供应商有东德实业(全称：烟台东德实业有限公司)，从其处了解到，氢气循环泵的重要性与关键技术体现在涉氢安全性、高可靠性和低温启动性能三个方面。东德实业是冰轮集团的孵化企业，依靠60多年的压缩机制造经验，开发出具有多项知识产权的氢循环泵，填补了国内空白。燃料电池系统中气体循环泵的具体作用为：(1)电堆出口未反应氢气再循环至电堆入口，提高氢利用率和氢安全性；(2)将电化学反应生成水(包括水蒸气)供应到电堆入口，改善电堆湿润水平和提高水管理能力。氢气循环泵作为功能部件，极大影响着燃料电池系统的氢燃料电池经济性和电堆性能。丰田Mirai氢气循环泵气体压缩方式采用两叶罗茨式，最大转速6200rpm，最大功率430W。氢气循环泵主体紧邻电堆，有效提升电机散热性能并提升紧凑性；优化泵体结构，通过氢气和水再循环成功实现电堆自增湿功能和性能；减少氢循环泵容积效率波动，增大容量并最大限度抑制体积增大；优化齿轮规格参数和增加外壳紧固点数，降低振动和噪声。丰田汽车公司第一代燃料电池氢循环泵见于丰田2002年在日本和美国有限租赁的燃料电池车FCHV上。为在高压比条件下获取高效率，丰田第一代氢循环泵压缩方式采用涡旋式。为防止氢气泄露进入电机造成氢安全风险和损坏，采用铁氧体磁铁材料来避免氢脆现象，并在电机中用氮气进行置换吹扫以防易燃易爆。(铁氧体磁铁是一种主要以SrO或BaO及Fe2O3为原料制作成的永磁磁铁)丰田汽车公司2008款FCHV-adv燃料电池车搭载了第二代氢循环泵。为大幅提升FCHV-adv续航里程和低温启动能力，第二代氢循环泵开发着重围绕零度以下启动、低压缩比下高效率运行、体积小(可紧邻电堆)、重量轻四个课题。为满足上述要求，丰田自动织机在比较各类压缩机类型后选择了罗茨式氢循环泵开发方向。第二代氢循环泵采用两叶转子，即作为旋转体的转子叶数为2，如下图所示。由于罗茨式压缩机转子和壳体通常为间隙配合(间隙配合是指具有间隙(包括最小间隙等于零)的配合，孔或外壳的公差带在轴或转子公差带之上，即外壳实际尺寸永远大于或等于转子实际尺寸)，因此高压缩比下高压出口侧向低压入口侧的氢泄漏量可能增加，无法满足目标流量。因此，丰田自动织机利用下图所示公式计算出转子和壳体间隙氢泄露量，并设计出满足目标流量的转子和壳体间隙。此外，为防止温度上升导致间隙增大，转子和壳体采用了同种材料。另外，为实现小型化，丰田自动织机对氢循环泵结构再次评估。通常，罗茨式压缩机采用双支撑结构，转子和轴配合并由轴承从两侧支撑。丰田第二代罗茨式氢循环泵转子采用悬臂结构减少了一侧轴承，实现驱动扭矩的降低。通过上述结构可以使电机小型化，且循环泵零件数量的减少也进一步减少体积。丰田2008款FCHV-adv基于SUV(克鲁格)平台车型打造，而Mirai为乘用轿车，因此燃料电池系统(氢循环泵)安装空间较小。另一方面，为改善驾驶性能，Mirai增加了燃料电池堆的峰值输出功率，氢循环泵最大流量也相应增加。因此，为在确保目标流量的同时提高系统可安装性，需要减小氢气循环泵主体尺寸和重量。针对燃料电池系统安装，丰田2008款FCHV-adv安装在其车辆前端引擎盖下方，Mirai则置于驾驶员座椅下(底盘上)。如上图所示，由于Mirai氢气循环泵靠近乘员，即便很小的噪音或振动也会增加不舒适。此外，由于没有诸如防振橡胶之类用于抑制振动传播的结构，氢循环泵的振动会直接传递至燃料电池堆并进一步传递至车身，引起噪声。针对FCHV-adv的噪音和振动等问题，丰田改进开发使Mirai车辆语言清晰度指标(AI)超过2008款FCHV-adv水平，如下图所示。综上所述，极有必要进一步降低氢气循环泵导致的噪声和振动问题。(清晰度指数，英文ArticulationIndex，简写为AI，是语音清晰度的评估方法之一，采用百分比来表示；通过不同的百分比数值可以客观得到在背景噪声下说话的清晰程度；在汽车声品质研究中，语音清晰度的评估方法基本采用的都是清晰度指数AI方法)。下面介绍丰田自动织机针对上述问题采取的各项措施。为在实现氢循环泵小型化和轻量化同时提高峰值工作流量，其中一种方法是增加转子旋转速度，但增加转速带来噪声和振动恶化的风险。因此，丰田自动织机采取的思路是氢循环泵峰值转速与传统产品相比基本维持不变，通过增加循环泵的容量来增加峰值流量，必要的扭矩提升带来的电机体积增加效应控制在最小限度，使电机体积最小化。此外，为降低成本，丰田自动织机采用了旗下已批量化生产的空调用电动压缩机零件来平摊成本。如上所述，电机所用磁体必须采用不会导致氢脆的铁氧体磁铁，需进行单独设计。在确保所需扭矩前提下可适当增加磁铁尺寸，以便直接挪用空调用电动压缩机的定子。由于与上一代产品相比，循环泵电机散热面积减少约20％(体积减少)，因此电机定子温度无法通过电机壳体的自然散热来满足所需工作范围内零部件的耐热标准。为了解决上述问题，丰田自动织机采用将电机壳体和电堆端板接触的结构，使电机部分热量散发到电堆。从上图可以发现，通过该结构定子温升符合零件的耐热标准。为防止氢循环泵因容量增加导致泵体(转子)体积变大，丰田自动织机采取了：1.提高容积效率；2.降低容积效率的波动(或偏差)。减小转子和壳体间隙可以提高容积效率，但由于担心零下启动时性能下降，该方法不予采用。因此，通过减小转子和壳体的相位偏差(不受装配误差影响)并避免转子间局部干扰和冲突(优化转子外形)来实现降低容积效率的波动。结果，与上一代产品相比，体积效率偏差和泵体积明显缩小，如下图所示。由于电堆出口水分与未参与电化学反应的氢气一起流入氢气循环泵，因此氢气循环泵需要较高耐腐蚀性，Mirai氢循环泵转子和壳体由不锈钢材料制成。在前两代氢循环泵产品开发中，氢泄漏引发的氢安全性课题被放在首位，氢循环泵外壳体通过整体切割加工制成。整体切割可保证较高气密性，而不必担心气孔影响。但该方法除去边角料较难，难以减轻重量。为有效实现轻量化，改变制造方法尤为必要，丰田自动织机对此进行研究和改进。新的制造方法需具备两项特性：(1)能够生产或成形复杂形状；(2)高尺寸精度。上述两项特性都旨在通过减少无用(非必要)的壳体部分来减轻重量。为确保大规模生产并降低成本，丰田自动织机选择失蜡铸造加工方式。针对氢泄漏安全性问题，丰田自动织机与供应商进行了大量试生产、评估和迭代改进，最终达到或低于限值。通过上述措施减少尺寸和减重后，与常规产品相比，第三代氢循环泵产品能够有效降低质量/最大流量比和体积/最大流量比，如上图所示。为了减少噪声和振动，必须抑制齿轮啮合噪声和齿轮啮合频带内的壳体共振。为此，丰田自动织机对齿轮参数(齿间隙量、扭转角、模数、齿面形状)以及外壳紧固点数目进行优化和研究。对齿轮的各项规格进行大量实验评估后发现，齿面形状优化对降低噪音和振动作用较大，下图为齿面优化前后的声压图。(齿轮啮合频率等于该齿轮的转频(转每秒或HZ)乘以它的齿数；相互啮合的两个齿轮的啮合频率相等)为更容易通过隔音和吸音方法来降低车载运行时的齿轮啮合噪声，对齿轮模块进行小型化设计并增加了齿数，使齿轮啮合频率向高频移动或转变。此外，根据氢气循环泵与管路一体化的要求，增加了外壳固定点数目，如下图所示。第三代氢循环泵增大了壳体尺寸以在泵内部提供大容积氢气流路，并在上一代氢循环泵安装紧固点四个的基础上增加到八个。这样，壳体主共振频率移至高频侧，在氢循环泵常用转速范围内避免与齿轮啮合频带共振，如下图所示。通过上述改进措施，与前一代产品相比，噪音和振动得到了大幅降低，声压降低效果如下图所示。最后，对泵头和电机之间未良好对准引起的振动问题进一步改进。泵头和电机未良好对准主要由零件公差、转子不平衡和装配误差等因素引起。丰田自动织机对此采取了各向综合措施来保证氢循环泵产品的可靠性，如提高装配精度工艺、旋转体的精密平衡设计、零件公差重新评估等。鉴于在水平衡、氢经济性和氢安全性方面的重要作用，开发高性能、低噪音、低振动、宽工作范围、高密封性和低温环境适应性强的燃料电池氢气循环泵成为关键。『燃料电池干货』从行业内部人员了解到，国内东德实业(全称：烟台东德实业有限公司)目前已完成各项试验并批量供货氢循环泵。据了解，东德实业是冰轮集团的孵化企业，依靠60多年的压缩机制造经验，开发出具有多项知识产权的氢循环泵，填补国内空白。
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