高集成度氫燃料電池廂式載貨車設(shè)計(jì)

陳 琳， 孟永紅， 田 方， 譚喜峰， 王 瀅

(陜西汽車控股集團(tuán)有限公司 技術(shù)中心，西安 710200)

全球能源產(chǎn)業(yè)正在經(jīng)歷一場從傳統(tǒng)能源到可再生能源的加速變革，全球各國對于能源的低碳化、清潔化、可再生的要求不斷提升.美國、日本、歐盟、中國等國家都在能源可持續(xù)發(fā)展方面投入了大量的資金和資源，謀求在能源變革中占領(lǐng)先機(jī)[1].

氫能作為一種來源豐富、轉(zhuǎn)化方便的優(yōu)質(zhì)中間能源載體，已在現(xiàn)代交通、能源、建筑、工業(yè)、通訊等各個(gè)領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用，是未來能源可再生化、能源分布化、能源多樣化的理想中間一環(huán)[2].氫燃料電池汽車是現(xiàn)代氫能產(chǎn)業(yè)的重要一環(huán)，也是人類擺脫對于化石能源束縛，走向綠色、清潔、可持續(xù)的必由之路，更是我國構(gòu)建可再生能源體系、實(shí)現(xiàn)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重大戰(zhàn)略方向[3].中國氫能及燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展一直處于國際前列，“十三五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃中明確指出，要系統(tǒng)性推進(jìn)燃料電池汽車發(fā)展與產(chǎn)業(yè)化[4].《中國制造2025》、《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃2021-2035》等綱領(lǐng)性文件中，也對氫燃料電池汽車發(fā)展提出了明確發(fā)展規(guī)劃，重視程度不斷提升.

在輕型燃料電池商用車領(lǐng)域，國內(nèi)各大廠家相繼推出了輕型燃料電池載貨車，多采用電-電混合技術(shù)路線，以滿足城市和城市群區(qū)域物流配送需求.目前市場上常見的輕型燃料電池載貨車的燃料電池系統(tǒng)多采用以下后背式結(jié)構(gòu)：一種是燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)、氫系統(tǒng)、散熱系統(tǒng)、DC/DC變換器等整體后背于駕駛室與貨箱之間；另一種是燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)布置于柴油車發(fā)動(dòng)機(jī)處，氫系統(tǒng)、DC/DC變換器等布置于駕駛室與貨箱之間.

后背式方案需占用一定的貨箱空間，長度方向占用0.8～1 m，即2.5～3.4 m3，此種結(jié)構(gòu)形式開發(fā)周期短、成本低、可直接在純電動(dòng)成熟底盤上進(jìn)行簡單改裝.但此類車型底盤集成度較低，車輛底盤空間未被充分利用，且侵占用戶貨箱空間影響載貨能力，進(jìn)而影響用戶運(yùn)營收益.

1 氫燃料電池廂式載貨車設(shè)計(jì)

文中設(shè)計(jì)了一種高集成度氫燃料電池廂式載貨車，采用側(cè)置氣瓶、電-電混合技術(shù)路線，保證車輛啟動(dòng)、加速、能量回收等性能[5]，有效改善車輛的動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性[6]，燃料電池系統(tǒng)全底盤布置，解決了氫燃料電池電堆、氫系統(tǒng)、DC/DC變換器侵占貨廂空間的問題，可為用戶提供完整的上裝貨廂空間，同時(shí)也可降低整車質(zhì)心，提高整車操控性及穩(wěn)定性.

圖1為文中設(shè)計(jì)的全底盤布置燃料電池廂式載貨車，車輛軸距設(shè)置為3 800 mm，前懸/后懸為1 200/1 500 mm，可匹配貨箱的尺寸為4 400 mm×2 100 mm×2 100 mm(長×寬×高).與同級別車型相比，由于釋放了駕駛室后部氫系統(tǒng)布置空間，貨箱長度方向增加約800 mm，載貨能力提高了約22%.

圖1 全尺寸燃料電池廂式貨車

1.1 氫燃料電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)

氫燃料電池廂式載貨車主打市場為城市物流配送，根據(jù)用戶需求調(diào)研、目標(biāo)用戶營運(yùn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、國家政策及法規(guī)限值，進(jìn)行整車設(shè)計(jì)目標(biāo)參數(shù)確認(rèn)，確定參數(shù)如表1所示.

表1 整車需求參數(shù)

根據(jù)最高車速，最大爬坡度要求，所需功率與扭矩為[7]

(1)

式中:Pvmax為峰值功率，kW;ηT為傳動(dòng)效率;vmax最高車速， km/h;A為迎風(fēng)面積;m為車輛總質(zhì)量;f為滾動(dòng)阻力系數(shù);CD為風(fēng)阻系數(shù).得所需最大功率Pvmax為59 kW，根據(jù)整車控制策略，常用功率Paverage為29 kW，匹配30 kW的燃料電池系統(tǒng)，可滿足設(shè)計(jì)要求.

燃料電池系統(tǒng)與動(dòng)力電池的功率需要滿足整車的最大功率需求，即電池需求功率Ps與容量Es為[8]

(2)

動(dòng)力電池放電時(shí)間常數(shù)t可根據(jù)Ragone曲線選擇，依據(jù)整車?yán)m(xù)航里程、電壓平臺(tái)等綜合考慮，動(dòng)力電池的放電時(shí)間常數(shù)t斜線如圖2所示.

圖2 電池Ragon曲線

時(shí)間常數(shù)斜線穿過鋰電池、鎳氫電池、鉛酸電池區(qū)域，根據(jù)動(dòng)力電池安裝空間對能量密度的要求，以及整車最高車速下對放電倍率的要求，計(jì)算及匹配選型26 kWh的1 C充電倍率/2 C放電倍率的錳酸鋰電池可滿足設(shè)計(jì)要求.

1.2 氫系統(tǒng)設(shè)計(jì)

車載氫系統(tǒng)是為燃料電池汽車儲(chǔ)存氫燃料的系統(tǒng)裝置，主要由高壓儲(chǔ)氫瓶、安裝托架、PRD、減壓閥、溢流閥、排空閥、加氫口、溫度壓力傳感器、氫管路等組成，如圖3所示.氫氣經(jīng)過兩級減壓將35 MPa壓力降到0.2 MPa，進(jìn)入電堆，中間設(shè)置兩個(gè)排空閥，用于緊急情況泄壓.氫氣的加注過程中會(huì)壓縮氫氣做功，且受到負(fù)焦耳-湯姆遜效應(yīng)的影響，瓶內(nèi)氣體溫度升高較高[9]，加注時(shí)采用氫氣預(yù)冷，且對進(jìn)口壓力及溫度進(jìn)行嚴(yán)格控制.

圖3 車載供氫系統(tǒng)

根據(jù)燃料電池載貨車純氫續(xù)駛里程，需求電量為120 kWh.采用兩個(gè)210 L的35 MPa氫瓶儲(chǔ)氫，在儲(chǔ)氫溫度25 ℃下，根據(jù)高壓理想氣體狀態(tài)方程及真實(shí)氣體密度方程

(3)

式中：P為理想氣體壓強(qiáng)；V理想氣體體積；z為壓縮因子，取1.22；n為氣體物質(zhì)的量；R為理想氣體常數(shù)；T為溫度；m為真實(shí)氣體質(zhì)量；M為摩爾質(zhì)量，P1為氣瓶內(nèi)壓.計(jì)算可用儲(chǔ)氫量如表2所示.

表2 氫瓶參數(shù)

根據(jù)該燃料電池系統(tǒng)，其發(fā)電量

EFC=HHVH2·mH2·η，

(4)

式中：HHVH2為氫氣低熱值，取33.31 kWh/kg；mH2為氫氣質(zhì)量；η為系統(tǒng)綜合發(fā)電效率，取0.4.可得420 L氫氣可發(fā)電量為123 kWh.滿足設(shè)計(jì)要求.

1.3 氫系統(tǒng)布置

高壓氫瓶布置于車架兩側(cè)對稱空間，氫加注系統(tǒng)、氫閥組、供氫管路等系統(tǒng)布置于貨廂以外底盤空間.該種布置方式，對氫瓶托架的強(qiáng)度、防止氫泄露、以及整車氫安全至關(guān)重要[10].

經(jīng)計(jì)算分析結(jié)果顯示，車輛在垂直沖擊、轉(zhuǎn)彎、制動(dòng)工況下氫瓶托架最大應(yīng)力為189.9 MPa、81.2 MPa、67.5 MPa，最大位移6 mm、3.2 mm、1.5 mm，氫瓶拖架選用Q345材料，滿足整車工況要求.氫系統(tǒng)支架第一階模態(tài)為32.1Hz，整體Z向模態(tài)為34.5 Hz，均大于30 Hz，如圖4所示，滿足設(shè)計(jì)要求.

圖4 1-4階約束模態(tài)

1.4 氫燃料電池整車總布置設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)燃料電池系統(tǒng)高集成度的全底盤布置，總布置設(shè)計(jì)時(shí)，將燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的電堆、儲(chǔ)氫系統(tǒng)、供氫系統(tǒng)、DC/DC變換器、電堆及其附件的散熱系統(tǒng)優(yōu)先進(jìn)行布置，其他系統(tǒng)部件做適應(yīng)性布置，總布置如圖5所示.同時(shí)，采用通用化、模塊化、集成化的設(shè)計(jì)思路，提高驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、動(dòng)力電池系統(tǒng)、高壓系統(tǒng)、氫輔機(jī)等系統(tǒng)與常規(guī)車輛部件的通用化程度[11].

通過采用電機(jī)與減速器集成的電驅(qū)動(dòng)橋，一方面利于提高傳動(dòng)效率，另一方面釋放的車架中部空間可用于布置其他部件；電機(jī)控制器布置于車架尾部，固定于左右縱梁上；將氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的電堆、輔機(jī)(包括空壓機(jī)及其控制器、氫氣循環(huán)泵等)、燃料電池系統(tǒng)控制器和DC/DC變換器集成為一體，可置于駕駛室下方；儲(chǔ)氫裝置將氫瓶及其支架、氫系統(tǒng)控制器、氫氣加注模塊集成為一體，對稱的布置于動(dòng)力電池兩側(cè)，且分別固定于左右縱梁外側(cè)；中置式電池系統(tǒng)布置于燃料電池系統(tǒng)后方.

依據(jù)電堆及其附件與電機(jī)及其控制器冷卻介質(zhì)的不同，該車型設(shè)計(jì)4套冷卻系統(tǒng)，包括電堆冷卻系統(tǒng)、輔機(jī)冷卻系統(tǒng)、電機(jī)冷卻系統(tǒng)及電池冷卻系統(tǒng).散熱系統(tǒng)分別與散熱部件就近布置，有利于分散系統(tǒng)阻力，同時(shí)有利于模塊化設(shè)計(jì)以及各模塊的升級替換.

圖5 高集成度氫燃料電池整車底盤

2 整車性能仿真分析

根據(jù)前文的總布置方案及核心系統(tǒng)選型匹配，確定了動(dòng)力系統(tǒng)的主要參數(shù)，應(yīng)用CRUISE軟件搭建整車模型(圖6所示)，對整車動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行仿真，檢驗(yàn)是否滿足開發(fā)目標(biāo).

圖6 整車模型

2.1 動(dòng)力性仿真結(jié)果

圖7、8、9為整車動(dòng)力性仿真結(jié)果，0～50 km/h加速時(shí)間為8.9 s，50～80 km/h加速時(shí)間為13.8 s，整車持續(xù)最高車速為93 km/h，滿載最大爬坡度為24%，各項(xiàng)參數(shù)均滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求.

圖7 原地起步加速時(shí)間

圖8 超車加速時(shí)間

圖9 最大爬坡度

2.2 經(jīng)濟(jì)性仿真結(jié)果

結(jié)合整車控制策略對經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行仿真，選取40 km/h等速工況、綜合工況(30%公路+70%城市道路)進(jìn)行仿真計(jì)算，結(jié)果如下表3所示.40 km/h等速工況下，無論空調(diào)是否開啟，整車?yán)m(xù)駛里程均滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)≥300 km；綜合工況下整車?yán)m(xù)航可達(dá)202 km，滿足用戶一天的使用需求.

表3 整車經(jīng)濟(jì)性仿真結(jié)果

3 結(jié) 論

文中通過采用通用化、集成化、模塊化的設(shè)計(jì)思路，動(dòng)力系統(tǒng)的最優(yōu)匹配，整車各系統(tǒng)合理化布置，實(shí)現(xiàn)氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)、儲(chǔ)氫系統(tǒng)、氫輔機(jī)系統(tǒng)、動(dòng)力電池系統(tǒng)、電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等子系統(tǒng)的全面底盤布置，各項(xiàng)指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，解決了市場現(xiàn)有廂式載貨車采用后背式結(jié)構(gòu)存在的用戶貨廂空間被侵占痛點(diǎn)問題，打造了一款滿足用戶載貨空間需求的高集成度氫燃料電池廂式載貨車.高集成度、全底盤布置方案是新一代氫燃料電池物流車的核心特征，文中設(shè)計(jì)的氫燃料電池廂式載貨車滿足產(chǎn)品和技術(shù)的發(fā)展方向，亦可為相關(guān)氫燃料電池商用汽車產(chǎn)品與技術(shù)的發(fā)展提供可借鑒的思路與方向.