氫燃料電池客車動力系統(tǒng)開發(fā)

魯 飛，王少凱，朱 鶴，王成堯，王亞峰

(安徽安凱汽車股份有限公司，合肥 230051)

氫燃料汽車具有無污染、續(xù)航里程長、加注燃料時間短等優(yōu)點，被視為最適合推廣應(yīng)用的新能源汽車［1－2］。近幾年來，氫燃料電池客車逐漸受到國家和企業(yè)的重視，氫燃料電池客車產(chǎn)業(yè)化的春天即將到來［3－5］。

1 氫燃料電池系統(tǒng)集成

氫燃料電池客車相對于純電動客車，增加了氫燃料反應(yīng)堆、輔助系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 氫燃料電池系統(tǒng)布置圖

本文氫燃料系統(tǒng)是由水冷質(zhì)子交換膜燃料電池電堆、輔助系統(tǒng)(包括空氣供給系統(tǒng)、氫氣供給系統(tǒng)和冷卻供給系統(tǒng))及控制系統(tǒng)所組成。其中的氫燃料電池電堆系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 氫燃料電池電堆系統(tǒng)

該氫燃料電池系統(tǒng)額定功率是30 kW，總質(zhì)量為112 kg，具有高度集成定制式設(shè)計，IP67防護等級。

1.1 氫氣瓶布置

氫氣是一種無色無味且高度易燃的氣體。氫氣本身無毒，但它可以置換空氣中的氧氣而引起窒息并容易燃燒［6－7］。氫氣具有極強的擴散能力，任何泄漏的氫氣將容易被周圍的空氣稀釋，而氫氣泄漏現(xiàn)象不易察覺。鑒于氫氣的特點，氫氣瓶布置在車輛頂部，這樣便于泄漏時能夠快速擴散，并且泄漏的氫氣不會擴散到乘客區(qū)和其他電器集中區(qū)域，同時還能提升整車的空間利用率。布置在車輛頂部的氫氣瓶還具有防曬防護罩和良好的通風系統(tǒng)。氫瓶組儲氫口設(shè)置氫濃度傳感器，一旦檢測到氫濃度超過限定值就會立即發(fā)出警報，關(guān)閉氫氣供給。

1.2 氫氣供給系統(tǒng)

氫氣供給系統(tǒng)主要由一個內(nèi)部氫氣供給比例閥、氫氣循環(huán)泵及其他一系列部件和管路組成，對進入電堆參加反應(yīng)的氫氣壓力和濕度進行調(diào)節(jié)。在氫燃料電池系統(tǒng)正常工作時，要保證電堆內(nèi)部的氫濃度在一個合適的范圍，電堆內(nèi)部的電磁閥會周期性開閉，將多余氫氣從氫氣管路中吹掃出去。吹掃出去的氫氣混合物引導(dǎo)至空氣尾排管，利用陰極側(cè)反應(yīng)剩余的空氣對其進行稀釋，使排向大氣的尾氣氫氣濃度控制在安全的閥值內(nèi)。系統(tǒng)運行過程中如果由于故障導(dǎo)致氫氣壓力過大，系統(tǒng)內(nèi)部的泄壓閥會自動開啟，降低氫氣濃度，保證氫濃度在正常安全的范圍內(nèi)。

1.3 空氣供給系統(tǒng)

氫燃料電池系統(tǒng)對進入系統(tǒng)的空氣質(zhì)量有著嚴格要求，不僅要保證系統(tǒng)的高效運行，更要保證系統(tǒng)的安全［8］?？諝夤┙o系統(tǒng)主要由空壓機、中冷器、消聲器、增濕器等部件組成，對進入燃料電池電堆的空氣量、空氣壓力和空氣濕度進行調(diào)節(jié)。進入系統(tǒng)的空氣經(jīng)過空壓機壓縮后，溫度上升，中冷器對其進行冷卻后進入增濕器。增濕器利用電堆反應(yīng)生成水的濕氣與中冷器出口的干燥空氣進行熱濕交換，保證系統(tǒng)內(nèi)部的濕度要求。

1.4 電堆模塊

電堆模塊是氫反應(yīng)堆，一般放置在車輛尾部支架上，為了保證減振效果，采用四點懸置設(shè)計。電堆中的氫氣很容易擴散，因此電堆模塊不應(yīng)在封閉或不通風的環(huán)境下運行。氫燃料電堆反應(yīng)會產(chǎn)生大量的熱量，所需的散熱系統(tǒng)體積較大，采用電子風扇形式，將風扇布置在車頂后部，直接將熱量散發(fā)到空氣中，這樣便于溫度控制。

2 氫燃料電池客車控制系統(tǒng)

氫燃料電池客車控制系統(tǒng)主要由整車控制系統(tǒng)、儲氫系統(tǒng)、燃料電池系統(tǒng)、輔助控制系統(tǒng)、動力電池系統(tǒng)、驅(qū)動電機系統(tǒng)等組成，各元件通過CAN總線組成一個分布式控制系統(tǒng)，采用的是并聯(lián)式雙能源形式。燃料電池作為主能源，提供車輛行駛的主要動力;動力電池組是輔助能量源，在汽車行駛中提供瞬時大扭矩。

2.1 氫燃料電池系統(tǒng)啟停

燃料電池系統(tǒng)使用常電和ON擋電信號的供電方式。常電為燃料電池系統(tǒng)提供低壓電源，ON擋信號作為喚醒和停止工作信號。

當整車上ON擋電，氫燃料系統(tǒng)接收到ON擋信號，燃料電池系統(tǒng)則從休眠狀態(tài)啟動，系統(tǒng)低壓上電，IGN(喚醒信號)達到ON狀態(tài)，氫燃料系統(tǒng)完成上電狀態(tài)。燃料電池系統(tǒng)的控制系統(tǒng)升壓器(DCF)直接與整車高壓電相連，當整車動力電池總正總負連通后，DCF系統(tǒng)會進行預(yù)充電處理，在自診斷整車無故障的條件下，氫燃料系統(tǒng)進入就緒狀態(tài)。當整車控制器發(fā)出啟動信號后，氫燃料系統(tǒng)開始啟動、運行，整個過程不能出現(xiàn)二級以上故障。當整車控制器發(fā)出停止或者出現(xiàn)重大故障時，氫燃料系統(tǒng)會自行關(guān)閉。

2.2 氫燃料電池系統(tǒng)能量控制

純電動模式下，燃料電池系統(tǒng)不參與工作，整車動力由動力電池提供，動力電池能量通過電機及控制器到主減速器和差速器分配到車輪，實現(xiàn)車輛的驅(qū)動。能量從電機返回動力電池，實現(xiàn)能量回收。

混動模式下，燃料電池系統(tǒng)產(chǎn)生的電能與動力電池的電能共同輸送到電機，電機產(chǎn)生的驅(qū)動力再傳遞到車輪，實現(xiàn)車輛的驅(qū)動。能量分別從燃料電池系統(tǒng)和電機共同返回動力電池實現(xiàn)能量回收。

怠速模式下，能量由燃料電池系統(tǒng)發(fā)電通過DCF流入動力電池，實現(xiàn)動力電池的充電。

行車充電模式下，能量由燃料電池系統(tǒng)分別流向動力電池和電機及控制器，從而實現(xiàn)動力電池的充電和整車驅(qū)動。

3 氫燃料電池客車動力仿真

AVL CRUISE主要用于車輛的動力性、經(jīng)濟性以及排放性能仿真，模塊化的建模理念使用戶可以便捷地搭建不同布置結(jié)構(gòu)的車輛模型，復(fù)雜完善的求解器可以確保計算速度［9］。它可以計算優(yōu)化車輛的經(jīng)濟性、動力性及排放性能等，也可以為應(yīng)力計算和傳動系的振動生成載荷譜［10］。

本氫燃料電池客車設(shè)計完成之后，利用 AVL CRUISE軟件，針對車輛的動力性、經(jīng)濟性進行仿真分析，如圖3所示。根據(jù)車輛使用條件和用途，選擇合適工況進行仿真分析，分析結(jié)果包括，動力性結(jié)果:車速、加速時間、爬坡度;經(jīng)濟性結(jié)果:等速工況續(xù)駛里程、典型工況的續(xù)駛里程。具體仿真結(jié)果見表1。

圖3 AVL CRUISE仿真結(jié)果

表1 氫燃料電池客車性能仿真結(jié)果

從表1中可以看出，該車各項動力參數(shù)表現(xiàn)良好，能夠滿足城市客車日常的運營需要。

4 結(jié)束語

氫燃料電池車是未來新能源車一個重要領(lǐng)域，本文完成了氫燃料電池客車的開發(fā)，實現(xiàn)了樣車的生產(chǎn)。在AVL CRUISE仿真中得到的結(jié)果完全滿足實際城市客車的日常運營，并且在樣車的實際路試中得到了驗證。

修改稿日期:2018－04－03