燃料電池車用雙驅動無油螺桿壓縮機設計與試驗研究

（西安交通大學，西安 710049）

0 引言

作為燃料電池汽車系統重要設備之一，空氣壓縮機需具備的核心功能是為燃料電池系統提供無油的壓縮空氣，進而保證氫燃料電池系統持續健康地發生電化學反應而輸出電能［1］。螺桿壓縮機作為燃料電池車用空氣壓縮機的一種，具有結構簡單、可運行工況范圍廣、維護周期長等優點。因此，在各類型燃料電池車用壓縮機中，螺桿壓縮機得到了各個國家相關機構廣泛的研究并成為燃料電池汽車空氣壓縮機的首選機型之一［2-4］。為了滿足燃料電池系統對空氣壓縮機提出的無油條件，螺桿壓縮機常使用同步齒輪來保證陰陽轉子嚙合而不發生接觸和無油潤滑，軸承采取脂潤滑的方式盡可能滿足無油潤滑。但是無油螺桿壓縮機無法避免同步齒輪的使用，在螺桿壓縮機的部分運行工況，同步齒輪腔的潤滑油依然有可能泄漏至轉子腔造成壓縮空氣被污染。因此，避免同步齒輪腔潤滑油泄漏至轉子腔是雙螺桿壓縮機需要解決的核心問題。

近年來，我國通過863等科技計劃支持國內研發機構與企業合作開展燃料電池關鍵技術攻關。邢子文等［5-7］對燃料電池空氣壓縮機與其產品的設計和開發做了深入研究，開發出了燃料電池汽車供氣系統用的LG300無油螺桿空氣壓縮機等多款機型，為實現壓縮空氣的無油和冷卻以及轉子嚙合間隙的密封，壓縮機設計為噴水式轉子工作腔。西安交通大學開發出用于30 kW燃料電池的無油螺桿壓縮機，通過上海重塑科技集成后，在東風汽車的燃料電池物流車上批量裝車運行。孫來玉等［2］對燃料電池用高速無油螺桿壓縮機、測試平臺及其能效性開展了一系列的研究，并研制出了原理樣機。瑞典等公司在燃料電池供氣系統的研發上也取得了進展，其產品被多個汽車制造商所采用并得到了一致的認可［8］。該壓縮機同樣采用轉子腔噴水的方式實現壓縮空氣所要求的無油條件，并在壓縮過程中使空氣獲得冷卻和加濕。為降低螺桿壓縮機提供高壓空氣的軸承負荷，同時為了回收燃料電池系統化學反應之后所剩余的高壓氣體能量，英國城市大學提出壓縮機-膨脹機一體式的螺桿空壓機組用于燃料電池供氣系統［9］。德國等公司開發的梅賽德斯奔馳A和B級燃料電池汽車系統的空氣供給系統均使用了螺桿壓縮機。其中A級燃料電池汽車采用空壓機-膨脹機一體式螺桿機組，其空壓機同樣采用噴水的方式實現空氣的無油、加濕和冷卻［10］。B級燃料電池汽車在此基礎上做了升級，為了實現較寬度流量范圍，同樣使用電機驅動的螺桿式空壓機。

綜上所述，目前燃料電池車用無油螺桿壓縮機的研究中，大多集中在噴水螺桿的設計與研究上。本文以實現雙驅動螺桿壓縮機的伺服控制以達到燃料電池空氣壓縮機所要求的無油為目標，通過理論建模、仿真分析等方法完成了雙驅動無油螺桿壓縮機及其控制系統的設計，并搭建了系統的硬件及軟件控制平臺，然后將軟件與硬件網絡結合完成整個試驗臺的搭建，為后續雙驅動無油螺桿壓縮機的研究提供了新方向。

1 燃料電池車用雙驅動無油螺桿壓縮機基本結構

傳統無油螺桿壓縮機在轉子軸上加裝同步齒輪進而帶動另一轉子進行同步運動，此時齒輪主要起到2個作用，一是傳遞驅動電機的力矩，二是確保陰陽轉子之間的間隙防止接觸。顯然該方式避免了轉子腔潤滑油的使用，但壓縮機的齒輪腔與軸承腔內存在大量的潤滑油，雖然采取了軸封等隔離方式，但部分工況下潤滑油仍有泄漏至轉子腔的可能，顯然這種情況在氫燃料電池系統中是不被允許的。本文提出采用2個驅動電機取代傳統同步齒輪，避免了同步齒輪潤滑油的使用和軸封的漏油風險，真正實現“無油壓縮”。

與傳統無油螺桿壓縮機相比，雙驅動無油螺桿壓縮機不再使用同步齒輪，而是使用雙電機分別驅動陰陽轉子。因此，雙驅動結構將要求螺桿壓縮機具備雙驅動軸，由于陰陽轉子之間的中心距較小，2個普通驅動電機無法裝在壓縮機端蓋的同一側，將兩根驅動軸加裝在壓縮機陰陽轉子的兩端，最終增設的驅動軸設計如圖1所示［11］。

圖1 雙驅動無油螺桿壓縮機結構示意Fig.1 Schematic diagram of the structure of a double-drive oil-free screw compressor

2 雙電機驅動同步控制策略及其模型

2.1 雙電機驅動同步控制策略

目前實現同步控制的算法較多，包括PID、神經網絡、滑模模型等多種算法。本文對每個永磁同步電機采用PID控制算法［12-15］。在永磁電機典型的三環伺服控制系統中，PID調節、PI組合調節以及單獨P調節都得到了應用。如圖2所示，伺服系統電流環通過PID電流調節器調節“速度環輸出”和“電流環反饋”之間的電流差值，使其達到理想值進而使電機三相繞組獲得理想的三相電流。

2.2 雙驅動電機主從同步控制模型

永磁電機同步驅動螺桿壓縮機的陰陽轉子實現空氣的壓縮，因而雙電機之間存在強機械作用。同時，螺桿壓縮機陰陽轉子之間的嚙合間隙非常小，為了保證陰陽轉子不發生接觸，這就要求驅動陰陽轉子的雙電機保持較低的同步誤差。因此，本文以雙軸之間的位置誤差為控制對象，通過采用同步控制算法對雙電機進行控制，以盡可能消除同步誤差以及保證系統的抗干擾能力來保證每個電機的定位精度，從而實現陰陽轉子的精密雙驅動同步控制。比較主令、主從、交叉耦合3種同步控制方式的結構特點、應用要求、控制精度以及實現難易程度等特性，即可得到適用雙電機驅動螺桿壓縮機陰陽轉子的同步控制方式。3種同步控制方式特性的比較見表1。

根據以上同步控制策略的比較可以看出，雖然主從同步控制在同步精度上不如交叉耦合控制高，但只要從電機的跟隨誤差較小，也能達到較高的同步精度，并且結構簡單、系統響應較快。因此，針對雙驅動螺桿壓縮機統同步控制策略這樣的高同步精度、高負載變化特性的同步應用場合，選擇基于單電機的伺服精確控制的主從同步控制策略作為同步方案。

采用2個永磁電機同步驅動雙螺桿壓縮機陰陽轉子的同步控制有2種：（1）主電機驅動陽轉子；（2）主電機驅動陰轉子。對于螺桿壓縮機來說，陽轉子要傳遞大部分力矩，所以陽轉子屬于高速重載軸，而陰轉子屬于高速輕載軸。對于驅動電機來說，輕載的電機就意味著具有低慣量特性，從而動態性能更好，響應速度更快，適合做為從電機。因此，本文選擇第1種方式，即主電機驅動陽轉子，而從電機驅動陰轉子，其整個數學模型如圖3所示。

圖中下標1表示主驅動電機相關參數，下標2 表示從電機相關參數；Gp，Gv，Gi為分別為位置、速度以及電流環的傳遞函數；Kpf，Kvf分別為位置環和速度環的反饋系數；Kc為電機轉矩系數；J為總轉動慣量（電機和壓縮機轉子）；TL為陰陽轉子負載力矩。

2.3 雙電機驅動同步控制系統設計

在雙驅動主從同步控制數學模型的基礎上，本文根據開放型數控系統的設計方法，將控制系統分為交互通訊模塊、運動控制模塊、伺服驅動模塊、網絡通訊以及輸入與輸出模塊5大模塊。圖4示出了雙電機驅動的壓縮機及其系統的硬件框圖。交互控制模塊由組裝伺服控制交互軟件的PC機組成；運動控制模塊由具備快速運算能力的PLC組成；伺服驅動模塊由包含三環伺服控制數學模型的驅動器組成；網絡通訊以及輸入與輸出模塊由采用通訊報文的以太網組成。

圖4 雙驅動主從同步控制硬件示意Fig.4 Schematic diagram of double-drive master-slave synchronous control hardware

除了考慮伺服控制方面的特性，還需根據螺桿壓縮機轉子工作的機械特性出發綜合設計控制主程序。雙驅動螺桿壓縮機陰陽轉子含有固定的齒數比，即陰陽轉子轉動的角度始終保持一定的比例，否則陰陽轉子就會發生接觸，甚至出現壓縮機卡死的狀況。因此，主程序中的控制邏輯需要保證螺桿壓縮機在啟動、停止以及急停之后，能在報警和復位之后依然能正常啟動。雙驅動主從同步控制程序流程如圖5所示。

圖5 雙驅動主從同步控制程序流程Fig.5 The block diagram of the double-drive master-slave synchronic control program

3 雙驅動無油螺桿壓縮機試驗臺

雙電機驅動同步控制系統的搭建為雙電機同步控制性能測試部分奠定了基礎，伺服系統監控層PC機可通PROFINET網絡通訊從驅動器獲取電機位置參數，進而得到電機跟隨誤差和同步誤差的參數。因此，雙驅動無油螺桿壓縮機試驗平臺搭建的示意如圖6所示。

圖6 雙驅動無油螺桿壓縮機試驗平臺示意Fig.6 Schematic diagram of the experimental platform of double-drive oil-free screw compressor

雙驅動無油螺桿壓縮及其控制試驗臺主要設備有：無油螺桿壓縮機、主從驅動電機、伺服驅動器、質量流量計及上位機PLC等其他設備。

4 雙電機驅動螺桿壓縮機試驗結果與分析

4.1 主從電機跟隨性能誤差分析

圖7示出了主電機跟隨性能，主電機設定值為 360°，加速度為 3 000 °/s2，最大速度為 360 °/s。從圖中可以看出，反饋值在動態跟隨設定值的過程中保持較小的差距。如圖8所示動態追隨過程和最終穩態過程各5個點計算誤差的平均值。最終計算結果表明，主電機動態跟隨誤差為0.012°，穩態誤差為0.011°。

圖7 主電機跟隨性能示意Fig.7 Schematic diagram of master motor following performance

圖8示出了從電機跟隨性能，圖中從電機設定值為216°，加速度設為3 000 °/s2，最大速度設為150 °/s。從圖中可以看出，反饋值在動態跟隨設定值的過程中具有一定的滯后性，這是因為本文采取主從控制策略，從主電機接收到給定值到輸出信號傳遞至從電機需經過一定的信號延遲，因此從電機動態反饋值具有一定的滯后性，但最終反饋值與設定值之間具有良好跟隨性和穩定性。同樣本文選取動態追隨過程和最終穩態過程各5個點計算誤差的平均值。最終計算結果表明，從電機動態跟隨誤差為0.061°左右，而最終的穩態誤差為0.013°左右。

圖8 從電機跟隨性能示意Fig.8 Schematic diagram of slave motor following performance

4.2 陰陽轉子同步嚙合誤差分析

圖9示出了無負載時陰陽轉子的嚙合誤差。

圖9 無擾動時陰陽轉子嚙合誤差帶Fig.9 The meshing error band of the male and female rotors without disturbance

從圖中可看出，隨著陽轉子轉速的升高，陰陽轉子之間的嚙合誤差的最大值和平均值先降后升，而嚙合誤差的最小值波動較為厲害。整體來說，轉速上升，陰陽轉子嚙合誤差帶由寬變窄然后繼續變寬，在轉速為3 000 r/min時，陰陽轉子嚙合誤差帶較窄并且波動較小，說明此時同步性能良好。這是因為主驅動電機的額定轉速在3 000 r/min附近，在低速和高速工況下驅動電機的電壓和電流波動較為嚴重，輸出力矩較為不穩定，使得系統受到的擾動較為劇烈。同時在高速工況下，電機旋轉一周的時間更短，而電機發出脈沖的頻率是有限的，因此高速工況下電機控制的精確性將快速下降。

圖10示出了不同負載下時陰陽轉子的嚙合誤差。從圖中可以看出，雙驅動壓縮機排氣背壓恒定時，隨著主電機轉速的升高，陰陽轉子之間的嚙合誤差的最大值和平均值均呈現出先降后升的趨勢。嚙合誤差的最小值波動較為厲害，忽略個別轉速下的波動時，整體也呈現出先降后升的趨勢。這是因為主驅動電機的額定轉速在3 000 r/min附近，在低速和高速工況下驅動電機的電壓和電流波動較為嚴重，輸出力矩較為不穩定，使得系統受到的擾動較為劇烈。觀察不同排氣壓力下陰陽轉子嚙合誤差帶可看出，陽轉子轉速為3 000 r/min附近的誤差帶最小，而在遠離3 000 r/min的低速區和高速區，陰陽轉子的嚙合誤差帶較寬并且波動較大。因此，在試驗工況下，雙驅動主從同步控制方案在陽轉子轉速為3 000 r/min附近，即主伺服電機額定轉速下，系統呈現出優異的同步性能。當驅動電機轉速（陽轉子轉速）為3 000 r/min時，陰陽轉自在排氣背壓分別為 0.121，0.128，0.132，0.139 MPa 下嚙合誤差的平均值分別為 30.25，26.21，36.96，87.36 μm。從數據看出，除了較大排氣背壓0.139 MPa下，驅動電機轉速（陽轉子轉速）3 000 r/min附近的嚙合誤差帶以及波動均不大，可以推斷出，在不超過電機額定功率下電機轉速對嚙合誤差的影響不大，其主要的影響來源于電機本身的電磁性能。因此，在對雙驅動螺桿壓縮機進行主從同步控制時，在伺服電機額定轉速滿足的條件下，選擇高轉速的伺服電機不會對雙螺桿壓縮機陰陽轉子的同步控制的嚙合誤差產生太大影響。

從圖10中不同排氣壓力下主從電機之間同步誤差的變化可以看出，排氣背壓的變化對陰陽轉子嚙合誤差的變化有著顯著影響。具體來說，當壓縮機排氣背壓小于0.128 MPa、轉速低于3 000 r/min時，陰陽轉子嚙合誤差隨排氣背壓上升而稍有增加，而轉速超過3 000 r/min時，陰陽轉子嚙合誤差隨排氣背壓上升而明顯增加，顯然這是因為在高于額定轉速的工況下，增加排氣背壓使得電機負載顯著增加，系統受到的擾動較為劇烈，使得嚙合誤差增大。

圖10 不同排氣背壓下主從電機同步誤差帶Fig.10 Synchronization error band of master-slave motors under different exhaust backpressures

排氣背壓高于0.132 MPa時，主從電機同步誤差的最大值、最小值以及平均值在轉速3 000 r/min以下均增加，而在驅動電機轉速（陽轉子轉速）3 000 r/min以上時增加得更快。當排氣背壓達到0.139 MPa時，主從電機驅動的陰陽轉子同步誤差的平均值超過了67.19 μm，最大值超過了436.77 μm，此時的同步誤差不再滿足雙螺桿壓縮機陰陽轉子嚙合所要求的最大同步誤差，壓縮機發出明顯的噪聲，故后續試驗工況未能繼續。因此，當驅動電機功率有限時，壓縮機排氣背壓越高，雙驅動電機的主從同步誤差隨陽轉子轉速的升高而急劇下降，導致驅動電機所能到達的最大轉速越低，所以對于同步控制的雙驅動無油螺桿壓縮機來說，增大陰陽轉子的嚙合間隙將降低控制系統對同步誤差控制的難度，同時有利于提高雙驅動螺桿壓縮機的轉速。

5 結論

（1）在伺服電機功率與螺桿壓縮機理論設計功率匹配的情況下，通過建立典型的三環伺服控制數學模型，并在此基礎上應用主從同步控制策略設計的雙驅動無油螺桿壓縮機的伺服控制方案是可行的。結果表明，主驅動電機穩態誤差為0.011°，從驅動電機穩態誤差為 0.013°。

（2）在壓縮機軸功率不超過電機輸出功率情況下，陰陽轉子嚙合誤差不超過67.19 μm。在低速和高速工況下，系統同步誤差有所波動，這主要是因為驅動電機此時電流波動造成輸出力矩不穩定。因此，當驅動電機轉速（陽轉子轉速）處于電機額定工況時，轉速對系統的同步誤差不會造成較大的影響。

（3）排氣背壓對陰陽轉子嚙合誤差有著顯著影響，在驅動電機額定功率內，嚙合誤差隨排氣背壓上升而稍有上升，而當壓縮機所需軸功率超過驅動電機額定功率時，同步誤差快速上升。

（4）在進行雙驅動螺桿壓縮機設計中應重點考慮排氣背壓和轉子嚙合間隙的設計，特別是轉子間隙應從同步控制精度和壓縮機性能兩個角度進行綜合考慮。