氫燃料電池公交車常見故障及處理方法

劉 珂

（濟南公共交通集團有限公司，濟南 250013）

1 研究背景

2020 年9 月，我國提出了2030 年“碳達峰”與2060 年“碳中和”的節(jié)能減排目標，意味著要將傳統(tǒng)化石能源為主的能源體系轉變?yōu)橐钥稍偕茉礊橹鲗А⒍嗄芑パa的能源體系，進而促進我國能源及相關工業(yè)升級。為推動我國新能源汽車產業(yè)持續(xù)健康、科學有序發(fā)展，2020 年9 月，財政部、工業(yè)和信息化部、科技部、發(fā)展改革委、國家能源局聯(lián)合發(fā)布了《關于開展燃料電池汽車示范應用的通知》[1]，明確提出“調整補貼方式，開展燃料電池汽車示范應用”規(guī)劃，確定了到2025 年實現(xiàn)超過3 萬輛燃料電池汽車的應用推廣目標。2021年6 月，濟南市政府發(fā)布了《關于加快新能源汽車推廣應用的若干政策》[2]，明確在公交領域支持氫燃料電池公交車示范推廣運行。目前，濟南市已在K106、K230、K265 等多條公交線路示范運行60 輛10.5m 氫燃料電池公交車，并建設了一座1000kg/d標準加氫站。2019 年11 月至2022 年底，示范車輛累計運送乘客683 萬人次，示范運行里程已超過600 萬km，經(jīng)測算，已替代燃油消耗1305t，節(jié)約標準煤相當1902t，減少碳排放4742t。

2 氫燃料電池公交車動力總成結構和電-電混合驅動策略

2.1 動力總成結構

氫燃料電池公交車動力總成采用濰柴動力生產的50kW 氫燃料電池系統(tǒng)，電堆額定功率63kW、體積功率密度2.5kW/L，發(fā)電效率達到59%。車輛配備105kWh 的磷酸鐵鋰電池及功率100kW 的驅動電機。車輛頂部安裝35MPa 儲氫瓶6 個，每個容量140L，加氫一次可以行駛大于300km。圖1為氫燃料電池公交車動力總成結構示意圖。

圖1 氫燃料電池公交車動力總成結構示意圖

2.2 電-電混合驅動策略

城市公交車經(jīng)常運行在低車速、頻繁啟停、加速與制動等工況，為適應其工況特征，示范運行的氫燃料電池動力系統(tǒng)采用了“電-電混合動力”技術路線[3]，即氫燃料電池系統(tǒng)與鋰離子動力電池組并聯(lián)驅動方式，由鋰電池提供公交車啟動、加速等非穩(wěn)態(tài)下所需的功率輸出，而氫燃料電池系統(tǒng)則用來提供穩(wěn)定工況下的功率輸出。這種方案不僅解決了氫燃料電池動態(tài)響應速度較慢的問題，還可大大延長燃料電池的壽命，同時在急加速、爬坡、高速大功率運行工況時，由氫燃料電池系統(tǒng)與鋰離子動力電池組聯(lián)合提供強勁的動力輸出，滿足了車輛動力需求。試驗數(shù)據(jù)表明，氫燃料電池城市客車與同等功率的傳統(tǒng)燃油城市客車相比，最大爬坡度、0-50km/h 加速時間等指標明顯優(yōu)于傳統(tǒng)燃油城市客車[4]。圖2 為氫燃料電池公交車電-電混合驅動策略示意圖。

3 示范運行過程出現(xiàn)的常見故障及處理方法

統(tǒng)計表明，在3 年多示范運行過程中出現(xiàn)的故障主要集中在氫燃料電池系統(tǒng)及供氫系統(tǒng)等方面。

3.1 氫燃料電池系統(tǒng)故障及處置

質子交換膜氫燃料電池（proton exchange membrane fuel cell，簡稱PEMFC）故障主要為電堆故障、控制系統(tǒng)故障、機械因素故障等。

（1）燃料電池單體故障。主要表現(xiàn)為質子交換膜故障和膜的機械衰減。①拆解表明，運行一段時間的燃料電池單體故障通常是電池內部水含量過高產生的水淹以及膜電極過干故障，觀察發(fā)現(xiàn)，氣體擴散層和流道的水淹現(xiàn)象使得催化劑活性面積因水的覆蓋而減少；而膜干故障會引起電阻率上升，使得PEMFC 在運行過程中產熱增加，甚至造成膜穿孔，嚴重影響輸出性能和PEMFC 工作壽命。②示范運行過程中，對質子交換膜機械衰減（蠕變、開裂、針孔）現(xiàn)象產生的原因進行了分析，拆檢結果表明，除制備膜電極時產生的缺陷之外，運維過程中拆檢造成的膜電極裝配變形、電堆裝配過程中造成的雙極板預緊力不均勻、雙極板流道形狀對膜電極形成的機械應力等是造成其機械衰減的主要因素，因此，電堆拆檢過程中嚴格遵守運維操作規(guī)范是必要的，這與季文嬌的研究結果[5]也是一致的。

（2）控制系統(tǒng)故障。在運維過程中，硬件故障包括供電電路供電不穩(wěn)或供電品質不佳導致微處理器、檢測電路、控制電路和通信電路無法正常工作，出現(xiàn)故障碼報警。軟件故障主要包括干擾引起的控制軟件失效和通信錯誤引起的失效，出現(xiàn)故障碼報警；或者由于工作條件和環(huán)境的變化，控制策略和控制算法尚不完善造成控制精度差和響應速度慢也屬于軟件故障。例如，冬季氣溫低（-15℃），系統(tǒng)關機時報空壓機故障碼，經(jīng)采集燃料電池系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)故障原因為冬季氣溫過低，燃料電池系統(tǒng)關機時觸發(fā)冷關機吹掃，吹掃時間增加（最長≥6min），由于吹掃過程中空壓機及控制器和DC 升壓工作溫度較低，未觸發(fā)整車輔助水路水泵起轉閾值，水泵不工作，同時空壓機控制器內部采樣溫度點不全面，未完成關機時出現(xiàn)內部局部過溫，故而引發(fā)燃料電池系統(tǒng)關機。針對這個問題，結合燃料電池系統(tǒng)工作狀態(tài)，修改并優(yōu)化了整車電子水泵起轉控制策略，明確了燃料電池開啟水泵即工作，解決了環(huán)境溫度變化引起的系統(tǒng)故障。

（3）機械因素故障。燃料電池系統(tǒng)中的風機、氫氣循環(huán)泵和循環(huán)水泵含有電機的旋轉機械，示范運行過程中發(fā)現(xiàn)軸系不對中、熱彎曲、質量動不平衡等，引起轉子的磨損、轉軸變形和振動等運轉問題，由此造成機械因素故障有：旋轉機械的支架斷裂、軸承損壞、電機短路等故障；還有電堆裝配施壓不均勻導致的膜電極及相關組件的變形和損壞、雙極板流場通道變形、流體進出口壓力損失增加，不利于反應氣體以及冷卻水在通道內的均勻分布等。還有，示范運行初期，車輛電堆散熱風扇轉速變高、電堆工作噪音等機械故障時有發(fā)生，解剖分析了水溫和風扇開啟邏輯，判定為石蠟節(jié)溫器故障，其原因為部分車輛的節(jié)溫器開啟軸安裝不垂直，導致工作時節(jié)溫器未全部打開，致使風扇轉速變高、噪聲振動變大，將運行車輛的節(jié)溫器安裝位置重新調整后，再無此故障現(xiàn)象。

3.2 車載供氫系統(tǒng)故障及處置

示范運行以來，氫燃料電池供氫系統(tǒng)常見故障有電堆進出氫氣管路破裂、氫氣循環(huán)泵管道破裂、氣水分離器破裂漏氣、控制器損壞等，這類故障主要發(fā)生在寒冷的冬季。例如：

（1）2020 年示范運行過程中，有十幾輛車報備“氫氣進氣壓力低”故障碼，經(jīng)現(xiàn)場氣密性檢測，發(fā)現(xiàn)供氫系統(tǒng)中電堆氫進氣金屬軟管接頭焊縫處漏氣，如圖3 所示。

圖3 氫氣泄漏故障復現(xiàn)

經(jīng)剖切故障軟管發(fā)現(xiàn)，軟管接頭處的焊縫存在明顯裂紋。進一步對故障軟管接頭委托專業(yè)第三方檢測機構做熒光及X 光檢測，發(fā)現(xiàn)氫進氣軟管泄漏端環(huán)形焊縫質量達不到國標（GB/T 14525-2010）對環(huán)形焊縫不低于Ⅲ級的要求，顯然氫氣進氣金屬軟管接頭焊縫存在質量問題。

針對該問題，設計了全新的埋入式波紋管接頭結構，并采用了內外雙層的焊接工藝，改進前、后的軟管接頭結構及焊接工藝如圖4（a、b）所示，同時按照GB/T 14525-2010 對金屬軟管進行了焊縫無損檢測和靜態(tài)彎曲、動態(tài)彎曲（≥5 萬次）等試驗，結果表明，改進后的軟管接頭達到國標要求。據(jù)此，對所有示范運行的60 輛氫燃料電池公交車氫進氣金屬軟管接頭全部更換后，再無此故障發(fā)生。

圖4 改進前、后的軟管接頭結構及焊接工藝

（2）燃料電池公交車運行過程中還屢次出現(xiàn)多輛整車報備動力不足、出現(xiàn)故障碼報警“燃料電池發(fā)動機輸出功率受限”的問題。為此，采集了示范運行的整車系統(tǒng)CAN 通信數(shù)據(jù)，經(jīng)確認，整車控制器和燃料電池控制器間的通訊正常、燃料電池空氣端工作正常，但氫氣入口供氫壓力為0.55-0.90MPa，而示范運行的氫燃料電池公交車電堆額定功率為63kW、設定的氫系統(tǒng)減壓器后端供氫壓力為0.7-1.0MPa，相應的電堆氫氣入口壓力也是0.7-1.0MPa，顯然氫系統(tǒng)減壓器后端供氫壓力與氫氣入口壓力有較大壓降。眾所周知，氫氣入口壓力與電堆的輸出功率密切相關，進一步對運行車輛從減壓器后端管路至電堆氫氣入口進行剖析發(fā)現(xiàn)：①原管路較長，管路急拐彎及管接頭較多，增加了氫氣流動時流體力學意義上的局部和沿途阻力損失，形成壓降。②氫系統(tǒng)主電磁閥通徑為5mm，較連接管路通徑要小。為此，做了供氫系統(tǒng)連接管路的改進，如圖5 所示。去除原管路多余的急拐彎及管接頭，并更換為通徑6mm 的主電磁閥，改進后的檢測數(shù)據(jù)如圖6 所示，減壓器后端壓力為0.75-1.0MPa，氫氣入口壓力為0.7-0.95MPa。不同運行工況下故障碼消除，輸出功率恢復。

圖5 改進后的車載氫系統(tǒng)布置

圖6 改進后的示范運行整車系統(tǒng)CAN 通信數(shù)據(jù)流

3.3 運維過程中需要注意的技術問題

（1）加強行車前后的日常檢查。制定了具體的巡檢規(guī)范，要求每次出車前后駕駛員都需要對燃料電池車進行必要的條目檢查和記錄。對裸露在外的供氫系統(tǒng)部件目視檢查，主要包括目測高壓儲氫瓶表面是否有損傷，連接管路和主要接口是否完好，以及氫系統(tǒng)框架是否有裂縫、變形等異常現(xiàn)象。另外，在管路供氫狀態(tài)下使用肥皂水或檢漏液檢查氫系統(tǒng)的氣密性，主要包括加注接口、加注口壓力表、主電磁閥、減壓閥、安全閥、放空閥及各接頭等，用于提前發(fā)現(xiàn)和防止由于設備原因導致氫氣輕微泄漏事故的發(fā)生。

（2）行車過程中需注意的事項。燃料電池公交車啟動后，應先查看儀表盤氣瓶壓力和溫度數(shù)據(jù)是否正常，有無故障碼報警，確認無故障碼后車輛方可起步行駛。燃料電池公交車配備的儲氫瓶組位于車輛頂部，車輛在行駛過程中需注意限高桿、路牌、橋梁和樹干等，防止刮傷氣瓶及其組件導致氫氣泄漏。車輛在行駛過程中，駕乘人員要及時關注車輛儀表報警的情況，發(fā)生氫氣泄漏等問題時，要及時處理。

（3）燃料電池公交車停車中的安全。燃料電池公交車存放期間，要確保場地通道通風條件良好，車輛加氫口必須蓋上帽蓋，防止雨水及灰塵侵入，同時必須確保加氫口艙門處于鎖閉狀態(tài)。對于運營用燃料電池車輛，建議集中存放、集中管理，存放位置要遠離加油站、加氣站、熱源、火源、腐蝕性氣體。

4 結語

本文在分析了電-電混合動力氫燃料電池公交車的主要結構特征和運行工況特點基礎上，就示范運行里程已超過600 萬km 的60 輛氫燃料電池公交車運營過程中經(jīng)常出現(xiàn)的代表性技術故障及解決方案進行了匯總和分析。除電堆的膜故障和膜的機械衰減外，對機械故障需要進一步優(yōu)化電堆的附屬零部件結構，加強制造工藝，降低車輛共振與部件早期磨損與損壞；在車輛示范運行中，應制定明確的管理規(guī)范，針對系統(tǒng)易出現(xiàn)的故障要嚴格按照維修工藝定期對部件進行測漏巡檢等；在車輛使用中要注意觀察儀表，及時發(fā)現(xiàn)故障碼報警，同時還要利用局域網(wǎng)監(jiān)控平臺做好故障監(jiān)管。