一種搭載燃料電池的廂式運(yùn)輸車開發(fā)

徐子航，唐俊安

（南京依維柯汽車有限公司，江蘇 南京 211806）

根據(jù)國家十三五規(guī)劃及新能源汽車十年規(guī)劃，汽車產(chǎn)業(yè)各家公司一直在新能源汽車研發(fā)上不斷進(jìn)取，為國家環(huán)保積極履行企業(yè)的責(zé)任與義務(wù)。隨著近兩年純電動產(chǎn)品補(bǔ)貼的逐漸退坡，純電動整車市場已接近飽和，產(chǎn)品利潤已大幅壓縮，且電動汽車的主力使用者，尤其是物流運(yùn)輸方面的商用車客戶，對續(xù)駛里程和充電時間的要求越來越高，傳統(tǒng)的純電動物流運(yùn)輸車已無法帶來性能和價格方面的優(yōu)勢。在這種情況下，發(fā)展高續(xù)航能力、高可靠性的燃料電池汽車已成為汽車產(chǎn)業(yè)新的技術(shù)與經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)。與傳統(tǒng)純電動汽車相比，燃料電池汽車?yán)脷錃庾鳛橹饕哪芰縼碓矗哂心茉囱a(bǔ)充時間短、實際續(xù)駛里程長的優(yōu)勢。本文介紹了一種基于燃料電池的商用廂式運(yùn)輸車的開發(fā)，并深入討論關(guān)鍵系統(tǒng)的布置方案及動力總成的匹配計算。

1 燃料電池廂式運(yùn)輸車的原理與布置

1.1 燃料電池廂式運(yùn)輸車的原理

燃料電池汽車是在傳統(tǒng)燃油汽車的基礎(chǔ)上，剔除燃油發(fā)動機(jī)及其附件系統(tǒng)，再加裝燃料電池系統(tǒng)、氫系統(tǒng)、動力電池系統(tǒng)、電驅(qū)動系統(tǒng)及其冷卻系統(tǒng)等，實現(xiàn)從燃油驅(qū)動到“氫+電”驅(qū)動的轉(zhuǎn)變。燃料電池汽車的基本工作原理如圖1所示。

燃料電池發(fā)動機(jī)內(nèi)部的氫氣和氧氣在電堆中進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)物是水和電能，而產(chǎn)生的電能則是驅(qū)動車輛行駛的主要能源，在特定的能量分配模式下，燃料電池系統(tǒng)產(chǎn)生的電能也可以給動力電池補(bǔ)充能源。

圖1 燃料電池汽車基本工作原理

為該廂式運(yùn)輸車車型配備的質(zhì)子交換膜型燃料電池系統(tǒng)額定功率為40kW，最高工作效率超過50%，該套系統(tǒng)由反應(yīng)電堆、發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)、安全監(jiān)測系統(tǒng)、氫氧供應(yīng)循環(huán)系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)等部分構(gòu)成。

1.2 燃料電池廂式運(yùn)輸車的布置方案

該車型底盤的結(jié)構(gòu)布置如圖2所示。

燃料電池系統(tǒng)布置于整車的前艙部分，方便吊裝與調(diào)試。動力電池包的預(yù)留布置空間位于底盤前部和后部，可容納最多2個電池包。中部的空間預(yù)留給電驅(qū)動系統(tǒng)和配電箱、分流箱等高壓零部件系統(tǒng)。這種布置方式在保證動力電池電量可擴(kuò)展的前提下也兼顧了所有零部件位置的合理性，且主要高壓部件集中在底盤中部可節(jié)省60%以上的高壓連接線束成本。

該車型的儲氫系統(tǒng)布置于車身貨廂內(nèi)部，具體布置方案如圖3所示。這種一體化集成設(shè)計理念的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)潛在漏點(diǎn)少、運(yùn)行安全可靠、集成度高。

此種布置方式能有效節(jié)約底盤空間，為布置更多動力電池的電量提供可能性，需要特別考慮的是氫罐的通風(fēng)問題及車廂質(zhì)量不平衡造成的側(cè)翻可能性。

圖3 燃料電池廂式運(yùn)輸車氫罐布置示意

2 動力總成的匹配計算

布置方式基本確定后，需要對電機(jī)、電池等關(guān)鍵動力總成進(jìn)行選型與匹配計算。

為縮短開發(fā)周期，降低整車性能的不確定性，本車型采用純電動基型車已批量配備的永磁同步驅(qū)動電機(jī)，最高車速、加速度、坡道起步性能、最大爬坡度等動力性已滿足主流要求。

整車經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)：車輛滿載情況下，40km／h等速續(xù)駛里程達(dá)到350km。

確定了整車的經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)后，如何選擇動力電池的電量尤為重要。根據(jù)現(xiàn)有純電動基型車的開發(fā)經(jīng)驗，首先確定的幾個條件如表1所示。

當(dāng)整車以40km／h的速度勻速行駛時，驅(qū)動電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)速：

滾動阻力功率：

空氣阻力功率：

后橋輸出功率：

電機(jī)輸出功率：

表1 計算用固定參數(shù)

電機(jī)輸出扭矩：

后橋輸出扭矩：

電機(jī)消耗總功率：

為保證續(xù)航，電機(jī)消耗總電量：

在40km／h等速行駛的理想情況下，車燈、喇叭、收音機(jī)、空調(diào)、雨刮器等處于關(guān)閉狀態(tài)，附件能耗趨近于0，故電池輸出總功率：

故電池設(shè)計總電量：

根據(jù)經(jīng)驗，1kg氫氣可以提供約15kWh的電量，考慮到氫氣在輸送和反應(yīng)過程中的損耗，這個換算比大約是在15×0.95=14.25kWh左右。

氫系統(tǒng)可以提供的總電量：

綜上所述，為滿足經(jīng)濟(jì)性要求，動力電池電量的下限：

3 控制系統(tǒng)原理解析

燃料電池系統(tǒng)的電控系統(tǒng)主要是由燃料電池發(fā)動機(jī)控制單元 （FCU）及各種傳感器構(gòu)成。FCU控制器就好比是燃料電池系統(tǒng)的大腦，控制并保障系統(tǒng)功能的有序?qū)崿F(xiàn)及安全可靠的正常運(yùn)作。FCU的功能主要包括氣管理、電管理、水管理、熱管理、通信功能與故障診斷。

1）氣管理：燃料電池的主要發(fā)電原理是氫氧的電化學(xué)反應(yīng)，所以負(fù)責(zé)氫氧供應(yīng)循環(huán)的氣管理在系統(tǒng)中扮演著最重要的角色。

2）電管理：燃料電池的電管理在對系統(tǒng)及單體間的實時電流、實時電壓等的監(jiān)測與控制上起到關(guān)鍵作用，可以有效預(yù)防電壓超過閾值等問題。

3）水管理：水管理的主要功能是保障燃料電池系統(tǒng)的水平衡，確保在車輛面臨極端運(yùn)行情況時系統(tǒng)滿負(fù)荷工作的可靠性。

4）熱管理：熱管理主要關(guān)注對燃料電池發(fā)動機(jī)內(nèi)部工作溫度的監(jiān)測、調(diào)節(jié)與控制。

5）通信功能：FCU接收VCU的工作指令并向VCU匯報當(dāng)前系統(tǒng)的工作狀態(tài)與實時參數(shù)。

6）故障診斷：FCU故障診斷的及時性與完善程度決定了燃料電池汽車的安全性、可靠性與長期可維護(hù)性。

燃料電池系統(tǒng)的控制框圖見圖4。

為應(yīng)對不同的行駛狀況，燃料電池廂式運(yùn)輸車具有純電模式和混動模式兩種行駛模式，各個模式下燃料電池系統(tǒng)的能量分配見圖5。

4 燃料電池廂式運(yùn)輸車的優(yōu)勢

1）有競爭力的續(xù)駛里程。以該車型為例，配備的儲氫系統(tǒng)能容納超過200L的氫氣，總儲氫量超過4kg。根據(jù)模擬仿真計算，不開空調(diào)的情況下，該車型的40km／h等速法續(xù)駛里程最高可達(dá)到350km。考慮到動力電池電量的可擴(kuò)展性，在完全利用底盤剩余布置空間的情況下，動力電池電量最高可擴(kuò)展到90kWh以上，相同噸位車型可達(dá)到的最大續(xù)駛里程與純電動車型相比能提升超過90%。

2）能源補(bǔ)充時間短。正常情況下，燃料電池廂式運(yùn)輸車的儲氫系統(tǒng)加注時間只需要5～10min，相較于純電動車型動力電池電量充滿所需2～3h，具有無比的優(yōu)勢。

3）過載能力強(qiáng)。燃料電池系統(tǒng)除了在較寬的工作范圍內(nèi)具有較高的工作效率外，還具有短時過載能力可達(dá)額定功率200%以上的優(yōu)勢，更適合于物流車需要的加速、爬坡等工況。

4）零排放、無污染。燃料電池汽車在本質(zhì)上是一種零排放汽車，其中燃料電池系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性較高，且工作過程中較為安靜，沒有產(chǎn)生機(jī)械能量的折損。與傳統(tǒng)汽車相比，燃料電池汽車有效規(guī)避了燃油流失導(dǎo)致的水污染問題，又可觀地減少了碳排放，為汽車環(huán)保事業(yè)做出了卓越的貢獻(xiàn)。

5）法規(guī)政策推廣力度高。現(xiàn)在正值國家大力推廣燃料電池汽車，根據(jù)2019年最新的新能源汽車推廣政策，中重型貨車的單車國家補(bǔ)貼最高可達(dá)45萬。隨著純電動車型的國家補(bǔ)貼的日益縮減，燃料電池汽車國家補(bǔ)貼水漲船高的優(yōu)勢會逐漸突出。

5 結(jié)論

圖5 燃料電池系統(tǒng)能量分配模式

作為一種零污染、效率較高的新型清潔能源，在政府扶持和利好政策的不斷導(dǎo)向下，燃料電池有望成為未來汽車，尤其是廂式運(yùn)輸車的主流技術(shù)發(fā)展方向。縱觀目前的國內(nèi)燃料電池廂式運(yùn)輸車市場，受制于原材料成本的高昂和基礎(chǔ)設(shè)施的薄弱，要達(dá)到大規(guī)模的推廣應(yīng)用不僅需要突破燃料電池的關(guān)鍵技術(shù)壁壘，也需要企業(yè)對相關(guān)研究付出大量的資金投入及堅持不懈的嘗試。