丰田工程师告诉你如何开发Mirai空压机

丰田于2014年发布了旗下首款量产Mirai燃料电池汽车，并且极力给Mirai燃料电池汽车贴上几个“World's First”标签。除了世界首创的阴极侧3D精细网眼流场板(3D fine-mesh flow field)被贴上“World's First”标签外，丰田自动织机开发搭载在Mirai燃料电池汽车上的螺杆式空压机也被贴上“World's First”标签，并且号称全球首创压缩结构(World's First Compression Structure)。丰田自动织机开发的空气压缩机额定功率为10kW，最大功率20kW，压缩方式为六叶螺杆罗茨(6-lobe helical root type)，最大转速为12500r/min。注意，在JC08模式下行驶只能使用2kW左右。紧挨出风口上边设有水冷式冷却器，将压缩过程温度最高提高至200℃的空气冷却至110~120℃。与前一代空压机相比，Mirai燃料电池空压机在小流量下的压缩效率提高14%，大流量下压缩效率提高20%，空压机体积降低33%，噪音降低44%。下面将以亲身经历Mirai燃料电池汽车六叶螺杆罗茨式空压机开发过程的丰田自动织机五位工程师为主线，了解空压机开发过程中的难点，希望给正在开发空压机的工程师以鼓励和灵感。

序言：空压机是车用燃料电池阴极供气系统的核心部件，主要作用为：引导空气进入阴极并对其增压。空压机的设计和开发影响燃料电池系统的功率密度、系统效率和系统尺寸。区别于传统内燃机上使用的空压机，燃料电池车用空压机需要满足无油、体积小、噪音低、响应快、喘振线在小流量区、成本低等要求。目前常见空压机有离心式、螺杆式、涡旋式、罗茨式和滑片式等类型。与现代和本田路线不同，丰田在Mirai燃料电池汽车上采用螺杆式空压机。

下图为六叶螺杆罗茨转子CG图。空压机由两个转子构成，转子的凹凸彼此咬合并进行旋转;随着咬合空间逐渐减小，空气被压缩并且喷出。丰田自动织机开发的空压机实现了小流量到大流量下皆能高效压缩的目标。

Mirai空压机转子模型(丰田自动织机官网)

Mirai空压机转子

丰田自动织机为Mirai燃料电池汽车开发的空压机在低负荷时效率达50%以上，高负荷时效率达60%以上。低负荷时空气流量约为0.1N·m3/min，高负荷时空气流量5N·m3/min，最大压缩比为3。为了实现减重，空气压缩机外壳采用铝合金材料。空压机没有单独配备逆变器，和驱动马达逆变器公用。空气西入口约为250×50 mm，配置在发动机舱内。

丰田Mirai空压机外观

丰田Mirai空压机剖视图

丰田燃料电池系统中的空气入口

1.丰田自动织机开发空压机始于1993年

丰田自动织机开发空压机的历史一直紧随丰田燃料电池汽车，始于1993年。丰田自动织机开发空压机并非从零开始，从无到有。最初，丰田自动织机技术研发中心开发的是储氢合金罐(hydrogen-storage alloy tank)和氢气循环泵(hydrogen gas aspiration pump)。由于氢气循环采用往复式，不满足时下追求极致性能、安静的标准。因此，丰田自动织机技术研发中心在1997年要求空压机部门重新开发氢气循环泵。第二年，丰田自动织机将往复式(reciprocating type)更换为涡旋式(scroll type)。与此同时，开始进行涡旋式空压机开发工作。最终，该款空压机于2002年末搭载在丰田FCHV燃料电池汽车上。

丰田FCHV燃料电池汽车