氫燃料電池重型貨車總裝工藝與質量控制要素

閆柱，徐紅升，張彪

陜西汽車控股集團有限公司 陜西西安 710042

氫能是實現我國清潔能源利用、能源消費結構優化的重要能源，氫氣來源多樣，可以實現可再生能源的大規模穩定存儲、運輸及利用，是未來清潔能源轉型的重要保障。作為氫能在交通領域的重要應用場景，氫燃料汽車是全球汽車動力電動化轉型升級的重要方向，氫燃料電池汽車具有使用階段零排放、能源利用率高、噪聲低的突出優點。根據國家發展規劃，到2035年實現氫燃料電池汽車大規模的推廣應用，燃料電池汽車規模在80萬～100萬輛的規模[1]。氫燃料電池重型貨車作為燃料電池汽車的重要組成部分，可以有效緩解能源和環境壓力，從根本上應對人類面臨的能源和環保兩大嚴峻挑戰。

氫燃料電池重型貨車技術線路及基本工作原理

1.氫燃料電池重型貨車技術線路

燃料電池重型貨車目前主要的技術線路有3種：增程式、混合功率模式以及全功率模式[2]。

（1）增程式 采用小功率燃料電池和較大電量的動力電池匹配方案。驅動電動機需要的電能全部由動力電池提供，燃料電池產生的電只供給動力電池，不用輸出給驅動電動機。

（2）混合功率模式 燃料電池工作產生電能在整車功率需求較大時直接傳輸給驅動電動機，參與整車驅動；在整車功率需求較小時，燃料電池工作產生電能傳輸到動力電池，存儲在動力電池內。

（3）全功率模式 驅動電動機所需要的驅動電量全部由燃料電池提供，動力電池僅在能量回收時使用。

2.氫燃料電池重型貨車基本工作原理

如圖1所示，氫燃料電池是指質子交換膜燃料電池（PEMFC），基本工作原理為：燃料電池中氫氣與氧氣在常溫下發生電化學反應，產生電能并釋放出水，電能經控制器調節轉換后，與動力電池并聯，共同向驅動電動機輸出電能，驅動電動機將輸入的電能轉化為機械能驅動汽車行駛。當電動機負載較高時，燃料電池和動力電池同時輸出電能給驅動電動機，以滿足車輛的動力性要求；當電動機負載較低時，燃料電池則可將多余的電能輸送給動力電池對其進行充電，補充其在大功率需求所消耗的電能，使動力電池始終維持在最佳的SOC狀態。此外，汽車還具有制動能量回收功能，當車輛減速時可以將機械能轉化為電能，提高車輛的能量利用率。

圖1 氫燃料重型貨車基本原理

氫燃料電池重型貨車與純電動重型貨車產品差異分析

根據氫燃料電池重型貨車技術路線及產品結構，燃料電池重型貨車實現了燃料電池系統、供氫系統、純電動重型貨車的有效結合，因此在分析氫燃料重型貨車裝配工藝及質量控制要素的過程中，主要是在純電動重型貨車的基礎上按照差異化、模塊化分析。經過分析，氫燃料電池重型貨車在總裝配方面的差異主要是燃料電池堆與熱管理系統裝配、儲氫系統裝配及管路密封性檢測、氫氣置換及氫氣加注。

氫燃料電池重型貨車裝配工藝與質量控制要素

1.氫燃料電池重型貨車總裝配工藝流程

氫燃料電池重型貨車總裝配工藝流程如圖2所示。

圖2 氫燃料重型貨車總裝工藝流程

2.燃料電池動力系統工藝與質量控制要素分析

氫燃料發動機結構示意如圖3所示。燃料電池動力系統主要對車輛行駛過程中的電堆運行可靠性及電導率進行控制，在車輛裝配過程中主要的工藝控制要素是電堆懸置系統緊固件防松及電導率控制。

圖3 氫燃料發動機結構示意

電堆緊固件防松主要從緊固件擰緊力矩及螺紋部分涂膠兩個方面控制，具體規格緊固件擰緊力矩要求為M12螺栓擰緊力矩（280±28）N·m，M14螺栓擰緊力矩（280±28）N·m，M16螺栓擰緊力矩（280±28）N·m。為保證緊固件更好防松效果，要求在螺紋部分涂HT-7262或其他同等規格的螺紋鎖固膠。同時裝配過程中為避免電堆在吊裝過程中的螺紋損壞，盡量避免使用撬棍在減振墊螺紋孔進行下落定位。

電堆電導率控制主要是對電堆冷卻模塊電導率的控制，主要從冷卻模塊電導率測試、清洗及冷卻液三個方面控制。

1）裝配前必須使用電導率測試設備對管路、散熱器等接觸冷卻液的零部件進行電導率測試，要求25℃時，電導率值＜2μs/cm。

2）電堆首次加注冷卻液前必須用去離子水清洗冷卻系統管路內部，清洗完成后要求25℃時，冷卻液電導率值＜2μm/cm。

3）電堆采用專用冷卻模塊，冷卻液需采用去離子水+乙二醇專用冷卻液。

3.供氫系統裝配及管路密封性檢測裝配工藝與質量控制要素分析

供氫系統結構如圖4所示。對于供氫系統來說，其與CNG相似，都是采用高壓氣態燃料，氣瓶框架、氣瓶及管路結構相類似。但是不同之處氫氣壓力為35MPa和70MPa，相對CNG壓力更高。同時氫氣是極度易燃易爆的高能量氣體，高壓氫氣對存儲裝置的密封性、耐沖擊性、可靠性等方面要求苛刻。因此針對供氫系統三個方面的嚴苛要求，在產品總裝環節需對管路布置與固定、供氫管路管接頭擰緊與氣密性檢測三個方面進行控制。

圖4 供氫系統結構示意

供氫管路在車輛運行過車中關鍵控制要素主要是抗震，以避免環境溫度及振動的影響，因此在管路布置與固定方面主要工藝與質量控制要求如下：

1）在設計和裝配過程中管路需將兩個部件之間的剛性連接管路可設計成O形、S形或U形等，能消除熱脹冷縮及振動影響的結構。

2）增加管路固定點，高壓剛性固定卡間距應不大于600 mm。

3）若相鄰部件可能會發生相對位移，需要設計為柔性管路。對于柔性管路每隔300mm需要增加固定點，同時柔性管路長度需預留一定長度，允許振動產生的位移。

4）管路布置應排列整齊、布置合理，各管路在使用中不因變形而與其他部件接觸，不應穿越牽引車與掛車。

供氫管路管螺紋擰緊控制，供氫管路系統接頭采用雙卡套結構，由前、后卡套、鉸鏈點、卡套螺母及接頭本體組成，如圖5所示。該卡套在結構形式上前卡套推入接頭體形成主密封，后卡套向內產生鉸鏈作用以對卡套管形成強有力的抓緊，這種結構需要很小的擰緊力矩，根據卡套螺母的規格，具體擰緊力矩見表1。

圖5 供氫管路管接頭結構示意

表1 氫氣管路接頭擰緊力矩 （單位：N·m）

供氫系統氣密性檢測主要操作分為氮氣/氦氣氣密性試驗、氫氣氣密性試驗、氫氣泄漏量試驗。氮氣/氦氣氣密性試驗是在供氫管路裝配完成之后，首次進行氣密性試驗。其主要是通過打壓機將氮氣/氦氣分別在不同壓力下保壓一定時間使用檢漏液檢測。氫氣氣密性試驗是在氮氣/氦氣氣密性試驗合格之后，使用氫氣在不同壓力下進氣氣密性測試。氫氣泄漏量試驗將試驗車輛的儲氫容器加注至100%的額定工作壓，在某一個時間周期內檢測整個供氫系統的密封性。氮氣/氦氣氣密性試驗、氫氣氣密性試驗要求100%進行檢測。氫氣泄漏量試驗同批次不定期隨機抽檢一套進行檢測。具體要求見表2。

表2 供氫系統氣密性試驗要求

4.氫氣瓶氫氣置換操作工藝要求

氫氣瓶首次加氫需要進行氣體置換，將氮氣置換成氫氣，具體氫氣置換工藝要求如下：

步驟一，確定周圍環境安全，車輛需下電，并關閉24V電源總開關，確定氫氣進入電堆的限流閥關閉。

步驟二，連接加氫槍和加注口，利用加注機將氫氣加注到氣瓶中，加注至2MPa[3]，斷開加氫槍，通過排氣口將氫氣瓶中氣體排出，一手指感覺排氣口處無氣流輸出視為排空完成。

步驟三，重復步驟二動作2次視為置換完成。

5.氫氣加注工藝流程

目前根據不同的情況主流加氫方式主要有小型撬裝式氫氣加注機、常壓加注及加氫站高壓加注，主機廠可根據實際情況選擇不同加氫方式。

加氫過程中主要控制因素是安全操作，具體加氫步驟與要求如下：

步驟一，加氫前車輛需下電，并關閉24V電源總開關，車輛禁止加氫指示燈亮時，供氫管路未斷開，不允許加氫，燈滅時方可進行加氫操作。

步驟二，加氫時，嚴格按照加氫操作規范。充氣壓力不得高于供氫系統的需用壓力，周邊嚴禁煙火，排空閥為常閉閥門，不得私自打開，只有管路系統檢修時由專業維護人員打開。

步驟三，加氫完成后，應確認加氫槍拔掉，合上防塵塞并關閉加氫口蓋板，起動車輛。

結語

根據氫燃料電池車整車裝配技術要求，梳理了整車裝配的工藝流程，對氫燃料電池重型貨車與純電動重型貨車在產品裝配工藝方面的差異進行了分析。對燃料電池重型貨車特有的燃料電池系統、供氫系統，針對其裝配工藝方法與質量控制要素，著重進行了探討，對今后的氫燃料電池重型貨車總裝配工作具有一定的指導意義。