电动汽车与叶轮机械
电动汽车与叶轮机械
David Schowalter 博士，Concepts NREC，全球软件销售高级总监
Claudio Raia，Concepts NREC 欧洲区域总经理
摘要
近年来，汽车涡轮增压器的设计需求一直在降低。但对电动汽车的研究和开发正在上升，这将需要叶轮机械的专业知识。相对内燃机冷却系统，复杂的电动汽车的冷却系统需要更先进的叶轮机械。此外，燃料电池电动汽车需要高效、宽工况的空气压缩机。在本白皮书中，我们分享了一些拓宽工况的方法。这些部件的设计者将需要先进的设计工具才能取得成功。
介绍
基于一些消息来源，全球涡轮增压器的市场一直在增长，并将在未来数年内继续这一趋势。到2028年涡轮增压器的全球市场将相对2021年翻一倍(BlueWeave Consulting, 2022) (Fact. MR, 2022)。驱动这一增长的因素包括：休闲越野活动、燃料效率的需要、SUV采用双涡轮增压技术、双级涡轮增压概念、电动增压器。此外，重型商用车涡轮增压器市场在未来仍将保持稳步增长。然而，任何参与汽车涡轮增压器设计领域的人都会注意到，对新设计的需求已经大幅放缓。原始设备制造商（OEM）和一级 供应商的研发团队已经将他们的注意力转移到电动汽车上。因此，我们认为未来乘用车涡轮增压器市场的增长将主要集中在已有产品的制造上，而非新产品的设计和研发。
在世界范围内，地方和联邦政府正在提供激励措施，并制定有利于电动汽车的法规。例子包括欧盟和美国加利福尼亚州的拟议和最近的法律，分别要求到2035年，所有销售的新车都是电动汽车(加州行政命令N-79-20)。此外，消费者越来越有动力购买电动汽车。快速上涨的汽油价格促成了这一趋势。在2020年的下半年，电动汽车在主要市场销售速度增加，在欧洲达到了8%的选用率(Cornet, et al., 2021)。由于经济压力，电动汽车的选用率会随着政府激励措施的调整而小幅变化，但整体趋势预计将持续下去。
一台没有内燃机的纯电动汽车不需要涡轮增压器。电动汽车增长的趋势是以牺牲内燃机汽车为代价取得的。这可能被汽车叶轮机械工程师视为一个坏信号，但仍有机会。电动汽车对叶轮机械提出了更高性能的要求。本白皮书的目标是概述这些需求。
电动汽车中的叶轮机械需求
超临界二氧化碳系统的工作原理与布雷顿循环相同，但运行在工质二氧化碳的临界点之上。这带来了一系列独特的优点和挑战。这些优点和挑战如下所示，它们在文献中有详细的介绍，读者可能非常熟悉。
对于电动汽车，叶轮机械主要出现在以下四个部件中：
- 车载冷却设备的压缩机
- 冷却鼓风机/风扇
- 冷却液泵
- 燃料电池鼓风机
我们将更详细地介绍这些组件，但首先要介绍的主题是电动汽车中的冷却系统，因为这是对叶轮机械的最大需求。
电动汽车中的冷却系统
为了保障性能、保持使用寿命、避免热失控，大功率电池需要有效冷却。一般来说，更高流体导热率和热容是一个液体冷却系统的首选。在寒冷天气下启动时，电池甚至可能需要加热一小段时间以优化功率输出。通常，驱动传动系统的大型电池运行在15℃~20℃之间。
相比之下，电动机运行的最大温度约155℃。并且根据类型的不同，汽车燃料电池可能运行在120℃~200℃之间。总之，需要几个冷却回路来满足不同的规格。
一个电动汽车冷却系统的布局实例如下图1所示（Tian, Gan, Zhang, Gu, & Yang, 2018）。在该例中，实际上有三条回路：电机冷却回路，空调/热泵冷却回路，电池冷却回路。一个风扇/鼓风机将环境空气吸入空调/热泵回路，作为一个制冷循环。工质在该回路中作为一种制冷剂。无论是在制冷还是加热模式下，它都在循环的一端被压缩成气体，在循环的另一端被蒸发。控制阀提供了两者之间的过渡。箭头表示加热模式和冷却模式下制冷剂的流动方向。通过热交换器，制冷剂与液体冷却回路(这里是水)、电机冷却回路和电池冷却回路交换热量。就燃料电池汽车而言，除电池冷却回路和电机冷却回路外，还会有一个燃料电池回路。
图1 可能的电动汽车冷却系统布局
车载制冷压缩机
车载制冷压缩机并不是新鲜事物，因为道路上的大多数内燃机汽车都有空调装置，而这些空调装置都需要一个压缩机。这些压缩机通常是往复式或涡旋式的。对于这种需要相对较低质量流量的工况而言，这些压缩机更具成本效益。电动汽车的性能要求更高。对于小型乘用车，一台涡旋式压缩机也许能满足需要。然而。对货车、卡车、公共汽车等大型汽车，通常需要高性能的离心式压缩机。小型乘用电动汽车中的制冷循环可能采用恒温器和阀门来开关系统，并管理往返于各热交换器与冷却回路之间的气流。然而，大型汽车可能依赖于制冷压缩机的调节能力。这要求制冷压缩机在宽工况范围下具有高性能。
燃料电池压缩机
虽然燃料电池（见下框）中的燃料通常来自一个加压罐，但是空气的供应需要加压（既为了供应合适的流量，也为了使燃料电池的效率最大化）。事实上，一篇研究（Li, Pei, Ma, Ren, & Huang, 2020）表明空气压缩机在整个燃料电池系统花费中单一影响最大。这是因为压缩机本身的费用高，又因为如果压缩机未正确选型或未做优化设计时对系统性能的影响非常大。一般来说，空气压缩会增加燃料电池的功率密度；但是功率密度也取决于燃料电池需要的电压和电流。因此，相对于与一个燃料电池职责相关的其他运行条件来说，优化压缩量总是最重要的。
电动汽车燃料电池
燃料电池的本质是一个电池。其阳极和阴极不断的提供电子和质子源。
电解液被放置在阳极和阴极之间。燃料(通常是氢气)被注入阳极，而氧化剂(通常是空气)被注入阴极。质子交换膜（PEM）燃料电池有望成为燃料电池电动汽车中应用最广泛的燃料电池。在这种类型的燃料电池中，质子导电聚合物膜被用作电解质。阳极上的催化剂将氢原子分离成质子和电子。电子沿着所需的电路到达阴极，而质子穿过膜，产生电流和电压(图2)。
图2 PEM燃料电池示意图
随着行驶过程中燃料电池动力需求的变化，空气压缩机的运行条件同时也发生变化。显然，最理想的是拥有一台在喘振和阻塞区域之间存在非常宽广工况范围的压缩机。如图3所示，一项模拟整个燃料电池系统的研究显示：当将一典型压缩机性能图叠加至燃料电池压缩机需求图上时，压缩机工作要求的工况点往往位于性能图沿左下至右上的一条线的窄带上(Zhang, Bao, Wan, & Xu, 2017)。这表明设计燃料电池压缩机时应重点关注拓展喘振边界并提高压缩机性能图左侧的效率。
图3 燃料电池需求与压缩机性能叠加图
冷却水泵
冷却水泵对于汽车行业来说并非新鲜事。然而，目前使用的冷却水泵从市场采购。相对于效率和性能，将设计成本和制造成本控制到最低是优先考虑的。这是由于当前的传动系统中有足够的额外动力来克服低效率的冷却剂泵。然而，我们预计电动汽车的情况不会如此。设计师和制造商将在任何可能的地方寻找功耗裕度，因此高性能的水泵将是可取的。对于那些有2~3台泵运行的汽车更是如此。
提升工况范围
如上所述，最大化压缩机的有效运行范围（尤其是靠近喘振线的区域）对于电动汽车非常重要（对于大型汽车冷却压缩机和燃料电池空气压缩机均是如此）。涡轮增压器的设计者们将熟悉这些增加工况范围的方法（因为这些方法中的很多是之前常用于涡轮增压器上的）。入口导叶对于调整进气角以避免低流量下失速是很有效的。但它们需要主动控制，且增加了重量和复杂性。机匣处理(RCT)也已被广泛应用在涡轮增压器行业。RCT的原理是利用叶轮出口与入口的压力差，在机匣外侧提供二次流，在系统质量流量降低的情况下增加经过叶轮的质量流量。
Concepts NREC一直在探索并拓展机匣处理(RCT)的概念。其中的次流道是在轮盘侧驱动的(而不是轮盖/机匣侧)，并通过次流道中的静叶和动叶进行进一步的被动控制，基本上就像一个涡轮一样。在最需要的时候提供额外的二次流，在不太需要的时候减少二次流(Anderson, 2022)。图4展示了这一概念的布局。初步的CFD分析显示了该方法的前景。在研究的案例中，最大运行范围约拓展至基准案例的失速流量的50%处（其设计点效率降低了5个百分点）。通过进一步的研究和改进，预计还可以进一步改善。
图4 轮盘透平二次流概念
由于供应商面临提升电动汽车叶轮机工况范围的挑战，因此采用那些被验证过可以处理这些运行工况范围拓展技术的工具将变得很重要。或者，如果外包，那么选用具有高性能和高工况范围机器(设计)历史的设计团队将变得很重要。在研究方案时，供应商应特别询问包括以下方面的能力：
- 入口导叶
- 机匣处理和其他次通道设计
- 从初步的一维设计到三维计算流体动力学(CFD)和有限元分析(FEA)的结构模拟工作流程
- 叶片调整的实时模拟
- 转子动力学分析
结论
尽管全球涡轮增压器市场在未来十年有望增长，但对新型涡轮增压器设计的需求正在下降。汽车研发部门正将资源集中在电动汽车技术上。然而，叶轮机械仍将占有一席之地，尤其是在冷却系统和燃料电池的空气供应系统中。在这些应用中低重量、(高)效率、(宽)工况范围将变得尤为重要。
参考文献
Anderson, M. (2022). Radial compressors with advanced secondary flow paths for extended operating range. Proceedings of the ASME Turbo Expo 2022 Turbomachinery Technical Conference and Exposition. Rotterdam, The Netherlands.
BlueWeave Consulting. (2022). Automotive Turbocharger Market Report. BWC20013.
Cornet, A., Heuss, R., Tschiesner, A., Hensley, R., Hertzke, P., Moller, T., . . . von Laufenberg, K. (2021). Why the automotive future is electric. McKinsey Center for Future Mobility, IAA 2021: Charticle.
Fact.MR. (2022). Automotive Turbocharger Market. FACT16MR.
Li, Y., Pei, P., Ma, Z., Ren, P., & Huang, H. (2020, November). Analysis of air compression, progress of compressor and control for optimal energy efficiency in proton exchange membrane fuel cell. Renewable and Sustainable Energy Reviews, Volume 133.
Tian, Z., Gan, W., Zhang, X., Gu, B., & Yang, L. (2018). Investigation on an integrated thermal management system with battery cooling and motor waste heat recovery for electric vehicle. Applied Thermal Engineering, 16-27.
Zhang, Y., Bao, P., Wan, Y., & Xu, S. (2017, August). Modeling and analysis of air supply system of polymer electrolyte membrane fuel cell system. 9th International Conference on Applied Energy, ICAE2017, Cardiff, UK.
