氫燃料電池商用車電氣系統設計

趙雷雷，秦振海，黃 龍，王曉鵬

（陜西汽車集團股份有限公司，陜西 西安710201）

隨著環境問題和能源問題的日益突出，新能源汽車成為世界各大汽車廠商及科研機構的研究熱點。美國、加拿大、日本、韓國等國家投入了大量的資金和人力開展氫燃料電池汽車研究，豐田、本田、現代等車企已陸續推出市場化的氫燃料電池汽車。

2020年12月21日，國務院新聞辦公室發布《新時代的中國能源發展》白皮書，在該白皮書中提到，加速發展綠氫制取、儲運和應用等氫能產業鏈技術裝備，促進氫能燃料電池技術鏈、氫燃料電池汽車產業鏈發展。近年來，中國大力發展氫能源，在氫的制取、儲運等環節有一定突破，同時也在不斷推進氫燃料電池車的應用。數據顯示，2015-2019年間，中國燃料電池汽車的銷量分別為10輛、629輛、1275輛、1527輛、2737輛，2019年的銷量是2015年的272.7倍。其中，2019年中國燃料電池汽車產銷分別完成2833輛和2737輛，同比分別增長85.5%和79.2%，截至2019年底中國燃料電池車累計數量為6000輛。另外，據最新數據顯示，2020年1-11月燃料電池汽車產銷分別完成935輛和948輛。詳見圖1。

1 氫燃料電池系統的工作原理

氫燃料電池是一種化學電池，它利用H2和O2發生化學反應生成H2O時釋出的能量，直接將其變換為電能。也可以說，氫燃料電池是一種利用水的電解反應的逆反應的“發電機”。它由正極、負極和夾在正負極中間的電解質板所組成。

圖1 2016年-2019年中國燃料電池車銷量變化趨勢圖（數據來源：中商情報網）

工作時向負極供給燃料（氫），向正極供給氧化劑（空氣，起作用的成分為氧氣）。氫在負極分解成正離子H+和電子e-。氫離子進入電解液中，而電子則沿外部電路移向正極。用電的負載就接在外部電路中。在正極上，空氣中的氧同電解液中的氫離子吸收抵達正極上的電子形成水。這正是水的電解反應的逆過程。利用這個原理，氫燃料電池便可在工作時源源不斷地向外部輸電。氫燃料電池工作原理如圖2所示。

2 氫燃料電池商用車的電氣系統總體布置設計

2.1 氫燃料電池商用車的底盤部分主要構成

氫燃料電池商用車底盤部分主要由以下部件組成：車架、動力電池及高壓盒、蓄電池、電驅橋、集成控制器、電動轉向油泵、空調壓縮機、ABS控制器、燃料電池發動機、DCL電源變換器、氫瓶、整車冷卻系統、燃料電池冷卻系統等，各系統在底盤上的分布見圖3。

圖2 氫燃料電池工作原理

圖3 氫燃料電池車各系統在底盤上的分布位置

2.2 氫燃料電池商用車燃料電池系統主要構成

氫燃料電池系統主要由電堆、氫供給循環系統、空氣供給單元、升壓DC/DC、DCL、散熱系統、氫瓶以及數據采集單元等組成。

電堆作為氫燃料電池發動機的核心部件，是氫氣和氧氣發生化學反應，進而產生電能的地方。電堆由雙極板和膜電極兩大部分組成，其中膜電極是由催化劑、質子交換膜以及碳紙組成。

氫供給循環系統由減壓閥、電磁閥和氫氣回流泵、氫濃度傳感器以及氫氣管路組成。

數據采集單元用來時刻監控燃料電池發動機運行的各種參數以及狀態，對這些參數進行數據分析處理，并對異常的參數進行報警以及處理。

由于燃料電池發動機產生的電壓比較低，無法滿足車輛動力電池使用要求，需要使用升壓DC/DC將燃料電池發動機產生的電能轉換成適合動力電池電壓要求的電能，從而給動力電池補充能量。同時，作為氫燃料電池動力系統的關鍵部件，升壓DC/DC通過對發動機輸出功率的精確控制，實現燃料電池與整車高壓之間的解耦，實現整車動力系統之間的功率分配和優化控制，并能穩定發動機的工作狀態，延長發動機壽命。

氫燃料電池系統中的加熱器以及空氣泵等組件的工作電壓介于燃料電池發動機輸出電壓以及DC/DC變換器的輸出電壓之間，與兩者皆不相同，需要通過DCL將DC/DC的電壓轉換成適合其工作電壓范圍的電源，以滿足其使用。

由于氫氣作為一種易燃易爆氣體，在使用過程中，一旦發生氫氣泄露，很容易產生安全風險，對車輛以及周圍的人員、環境等帶來安全隱患。所以在氫氣使用過程中，需要對燃料電池系統的氫氣壓力及系統周圍的氫氣濃度進行實時監測，以確保車輛以及人員的安全。

3 氫燃料電池商用車電氣原理設計

3.1 氫燃料電池商用車高壓電氣原理設計

氫燃料電池商用車高壓系統主要包括氫燃料電池發動機、升壓DC/DC變換器、DCL變換器、加熱器、空氣泵，動力電池、動力電池高壓盒、集成控制器、電動空調壓縮機、PTC電加熱、電動助力轉向油泵電機等。氫燃料電池車輛高壓系統電氣原理拓撲如圖4所示。

圖4 氫燃料電池車輛高壓系統電氣原理拓撲

3.2 氫燃料電池商用車低壓電氣配電原理設計

氫燃料電池商用車低壓電氣系統配電設計，主要分為兩部分：一部分是氫燃料電池系統低壓配電設計，另一部分是純電動部分底盤低壓配電設計。這里著重介紹燃料電池低壓系統配電設計，純電動部分底盤低壓配電設計在這里不做介紹。

氫燃料電池系統低壓部分主要有：空氣流量計、氫濃度傳感器、氫系統控制器、氫循環泵、氫尾排系統控制器、燃料電池冷卻風扇、燃料電池冷卻水泵、燃料電池升壓DC/DC、燃料電池DCL、燃料電池系統控制器等。

當車輛上高壓后，燃料電池系統低壓供電，如車輛SOC達到整車控制策略的限值（如30%）時，燃料電池堆開始工作，系統給整車提供動力電，并根據其工作時的整車實際工況，燃料電池系統參與整車不同的工作工況。

而在整車需要下電或者需要關閉氫燃料電池系統，如果外界溫度過低時，氫燃料電池系統還需要進行氫尾排管的吹掃工作，以避免管中的冷凝水結冰，影響系統的使用。因此，整車在設計時，必須要考慮燃料電池系統的延時下電，確保燃料電池系統的正常使用和可靠性。

氫燃料電池系統低壓配電原理如圖5所示。

圖5 氫燃料電池系統低壓配電原理

4 氫燃料電池系統的控制設計

氫燃料電池系統工作的控制流程如圖6所示。

整車上低壓電后，控制氫燃料電池系統低壓上電，低壓上電后，氫燃料電池控制系統處于待機狀態。然后整車上高壓，氫燃料電池系統開始工作。氫燃料電池系統工作后，向整車控制反饋系統狀態以及可加載功率，整車根據運行工況信息結合氫燃料電池可加載功率，控制氫燃料電池系統的功率輸出。

當車輛需要下電或者需要氫燃料電池系統關機時，整車控制器向氫燃料電池系統發送關機指令，氫燃料電池系統根據整車控制器指令，依次進行系統降載、關機等指令。如果外界溫度過低時，氫燃料電池系統還需要進行氫尾排管的吹掃工作，以避免管中的冷凝水結冰，影響系統的使用。氫燃料電池系統關機后，向整車控制器反饋系統關閉成功狀態信息。

圖6 燃料電池系統控制流程示意

就整車下電情況下氫燃料電池系統的關閉流程而言，由于燃料電池系統關閉前必須考慮進行氫尾排系統的吹掃過程，整車控制器需要為燃料電池系統設計延時下電功能，待氫燃料電池系統吹掃完成并系統關閉后，整車控制器再執行后續下電操作。

5 氫燃料電池商用車安全設計

由于氫氣屬于無色無味氣體，易燃，遇熱或明火會發生爆炸，因此氫燃料電池商用車在設計過程中應尤其注意安全設計問題。

5.1 燃料電池堆的氫安全設計

燃料電池堆的氫安全設計方面，除了保證燃料電池堆能夠承受預期的沖擊、振動以及溫度產生的應力外，還需要考慮其系統內部的通風設計以及氫泄露的在線監測設計。

5.2 儲氫系統的氫安全設計

1）氫瓶、氫氣管路以及管路上用的閥門等部件，在設計時必須考慮發生氫脆的情況。

2）氫瓶、氫管路的氫氣壓力狀況實時監測。

3）氫系統的氫氣泄露監測，針對氫瓶、管路接頭等易泄露的地方進行多點泄露監測，當監測到氫氣濃度超過一定的限值時，觸發報警或者直接上報整車并關閉燃料電池系統。

5.3 整車安全設計

1）整車上對于氫系統可能產生靜電的地方要可靠搭鐵，搭鐵點應使用焊接螺母，螺栓采用如圖7所示具有除漆功能的螺栓，供氫系統外殼與搭鐵端子間的電阻應小于50mΩ。

圖7 搭鐵螺栓

2）對于可能產生靜電的地方進行氫泄漏量及濃度控制，以使得即便產生靜電也不會發生安全問題。

3）通過整車實施監測氫系統運行狀態，如發生氫氣泄露、絕緣降低等可能影響到車輛以及人員安全的風險時，由整車控制器執行整車安全管理策略，降低整車安全風險。

6 結束語

氫燃料電池商用車作為一種新能源汽車的發展方向，可以解決純電動汽車里程焦慮問題。同時，氫燃料電池汽車使用過程的尾氣排放污染物幾乎為0，一旦解決了燃料電池系統中所用的氫燃料的生產、儲存、運輸、加注以及氫能安全問題，氫燃料電池商用車將會迎來一個爆發式的發展和增長。