燃料電池汽車整車及關(guān)鍵零部件布置研究

熊良劍 翟文龍 倪立 郝義國(guó)

（武漢格羅夫氫能汽車有限公司，武漢 430070）

1 前言

就現(xiàn)階段燃料電池汽車技術(shù)的發(fā)展以及市面上主流燃料電池車型來(lái)看，目前燃料電池汽車整車關(guān)鍵零部件布置主要分為2種平臺(tái)[1]：（1）在傳統(tǒng)燃油車平臺(tái)改制來(lái)布置氫燃料電池相關(guān)的部件，在傳統(tǒng)燃油車身結(jié)構(gòu)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)局部調(diào)整以,滿足適應(yīng)燃料電池乘用車關(guān)鍵零部件的合理布置需求，研發(fā)成本也較低。（2）燃料電池汽車專用研發(fā)平臺(tái)，同時(shí)也是新型、可變模塊化的專用平臺(tái)，這種平臺(tái)適應(yīng)能力強(qiáng)，可以衍生出多種類型的車型，在整車關(guān)鍵零部件布置方面優(yōu)勢(shì)較為明顯，但其研發(fā)費(fèi)用也較為昂貴。

2 燃料電池汽車與傳統(tǒng)燃油車整車布置差異

氫能汽車結(jié)構(gòu)和原理不同于傳統(tǒng)乘用燃油汽車，2種截然不同的驅(qū)動(dòng)類型，兩者在原理結(jié)構(gòu)上有著較大的區(qū)別[2]，相應(yīng)的系統(tǒng)部件也會(huì)存在差異，直接導(dǎo)致燃料電池車比傳統(tǒng)燃油汽車新增了關(guān)鍵零部件。參照?qǐng)D1中燃料電池汽車整車關(guān)鍵零部件布置形式，首先燃料電池乘用車相比傳統(tǒng)燃油車配置了燃料電池系統(tǒng)、車載供氫系統(tǒng)、高壓動(dòng)力電池、充電裝置和高低壓轉(zhuǎn)換器（DC-DC）。傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)布置空間需考慮燃料電池系統(tǒng)和電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的布置要求，傳統(tǒng)燃油箱的布置空間需要考慮供氫系統(tǒng)的布置要求，相比于燃油車的能量轉(zhuǎn)換形式，燃料電池汽車的高低壓附件和熱管理系統(tǒng)的布置要求更為復(fù)雜[3]。同時(shí)，相比于傳統(tǒng)燃油車，燃料電池車型的空調(diào)制冷和采暖的高壓空調(diào)壓縮機(jī)及高壓PTC同樣依靠的是燃料電池發(fā)電來(lái)運(yùn)行。另外，燃料電池汽車的關(guān)鍵零部件，如高壓設(shè)備的高壓用電都需要由高壓動(dòng)力電池進(jìn)行輸送，為了保證各用電設(shè)備的用電安全，并減少高壓線束的分支，在動(dòng)力電池和各用電設(shè)備之間安裝高壓配電盒來(lái)實(shí)現(xiàn)以上功能。高壓配電盒內(nèi)部有保險(xiǎn)絲來(lái)保障線路安全，與傳統(tǒng)燃油汽車的電器盒類似，但是參照ISO 20653-2006 道路車輛防護(hù)等級(jí)(IP代號(hào))電氣設(shè)備對(duì)外來(lái)物、水和接觸的防護(hù)技術(shù)要求[4]，2者之間存在較大區(qū)別，見表1。

表1 燃油車與燃料電池車配電盒差異

圖1 燃料電池汽車整車布置

3 整車總體布置形式

氫能汽車的燃料電池系統(tǒng)在尺寸及性能要求方面相當(dāng)于傳統(tǒng)車型的發(fā)動(dòng)機(jī)，在整車布局當(dāng)中能兼顧的空間有限，對(duì)于燃料電池乘用車來(lái)說(shuō)一般將燃料電池與電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)集成布置于前艙內(nèi)，滿足燃料電池散熱及碰撞安全需求的同時(shí)空間充足且可調(diào)整范圍大，而且布置在前艙還可以直接驅(qū)動(dòng)半軸從而驅(qū)動(dòng)前輪，節(jié)省了大量空間，并提高整車傳動(dòng)效率[5]。

供氫系統(tǒng)是燃料電池汽車中關(guān)鍵的組成部分，由于氫瓶特殊的尺寸規(guī)格和存儲(chǔ)要求，不能像傳統(tǒng)燃油車的油箱的布置那么靈活，在乘用車中氫瓶的布置在滿足整車離地間隙時(shí)勢(shì)必會(huì)影響到人體的坐姿空間和行李箱的容積。

常見的乘用車氫瓶布置形式：

（1）氫瓶布置于后排座椅下部和行李箱下部，動(dòng)力電池及高壓附件系統(tǒng)布置于前地板，如圖2 所示。此類布局形式的優(yōu)勢(shì)在于滿足人體坐姿和行李箱空間，同時(shí)整體的后期維護(hù)性較好，劣勢(shì)在于氫瓶?jī)?chǔ)氫量不會(huì)太大，一般在3～4 kg，目前這種布局形式儲(chǔ)氫量做的最大的豐田Mirai二代僅為5 kg。

圖2 燃料電池乘用車的布置

（2）氫瓶采用同等規(guī)格縱梁平鋪于成員艙地板下部，動(dòng)力電池及高壓附件布置于后地板下部，此種布置形式的優(yōu)勢(shì)在于氫瓶的儲(chǔ)氫量相對(duì)較高，整車?yán)m(xù)駛里程較長(zhǎng)，同時(shí)氫瓶具有較好的碰撞安全性，劣勢(shì)在于后艙地板下部的高壓附件和動(dòng)力電池的裝配維護(hù)性較差，同時(shí)有碰撞風(fēng)險(xiǎn)。

4 前艙關(guān)鍵零部件布置方案設(shè)計(jì)

根據(jù)氫能汽車關(guān)鍵零部件的工作特性和特點(diǎn)，把前艙布置分為上、中、下3 層。如圖3 中所示，在前艙的上層空間布置一些易于維修保養(yǎng)的、需要經(jīng)常進(jìn)行維護(hù)更換的零部件，如燃料電池反應(yīng)堆、燃料電池DC、燃料電池控制器、保險(xiǎn)絲盒和蓄電池等。在前艙的中層空間布置燃料電池子系統(tǒng)部件，考慮到電堆懸置安裝固定點(diǎn)在中層位置，一般將振動(dòng)幅值較大的部件布置于此層，例如空氣壓縮機(jī)、氫氣循環(huán)泵、水泵、增濕器和中冷器。在前艙的下層空間布置一些不易于維修保養(yǎng)、不需要經(jīng)常進(jìn)行維護(hù)更換的零部件，例如電機(jī)、減速器、電機(jī)控制器等。這樣的布置方案把前艙分為上、下2層，層次分明，前艙零部件布置較為干凈整潔，便于后期的維修診斷和零部件的更換[6]。

圖3 前艙布置方案

前艙布置安全原則方案，這種方案設(shè)計(jì)需要滿足以下5項(xiàng)要求：

（1）前艙布置需要滿足整車碰撞安全的硬性要求，符合法規(guī)要求；

（2）各關(guān)鍵零部件符合純電動(dòng)汽車機(jī)艙布置間隙要求標(biāo)準(zhǔn)；

（3）滿足電磁干擾防護(hù)等級(jí)，保證足夠安全距離；

（4）滿足涉水密封IP67 級(jí)安全要求、滿足NVH、操穩(wěn)性能等試驗(yàn)要求；

（5）滿足生產(chǎn)制造、總裝、維修售后等便力性要求。

5 氫能汽車燃料電池布置

5.1 氫能源汽車燃料電池系統(tǒng)原理

氫能源汽車的燃料電池系統(tǒng)原理可分為3 部分，包括空氣子系統(tǒng)、冷卻子系統(tǒng)和氫氣子系統(tǒng)，通過(guò)空氣系統(tǒng)與氫氣系統(tǒng)之間產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)并把電流集合、輸出。同時(shí)冷卻系統(tǒng)提供冷卻保證燃料電池的正常、高效運(yùn)行。本文介紹的系統(tǒng)原理如下：

（1）燃料電池的空氣子系統(tǒng)主要由空氣濾清器、空壓機(jī)、中冷器和加濕器部件組成，系統(tǒng)簡(jiǎn)化后如圖4所示。燃料電池起動(dòng)時(shí)，空壓機(jī)由動(dòng)力電池供電，起動(dòng)完成之后，空壓機(jī)繼續(xù)由整車動(dòng)力系統(tǒng)高壓直流母線供電，空氣濾清器的作用是對(duì)進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣進(jìn)物理過(guò)濾及化學(xué)過(guò)濾，防止對(duì)燃料電池電堆的污染。

圖4 空氣子系統(tǒng)

（2）燃料電池的冷卻子系統(tǒng)簡(jiǎn)化后如圖5所示，主要由水泵、PTC 加熱器、2 個(gè)電控閥、散熱器、去離子器、濾網(wǎng)及水箱部件組成。給電堆內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱量的部件降溫，使電堆處于最佳溫度，保證高效工作。

圖5 冷卻子系統(tǒng)

（3）燃料電池的氫氣子系統(tǒng)簡(jiǎn)化后如圖6所示，主要由高壓氫瓶、減壓閥、電磁閥、氫氣循環(huán)泵、氫氣止回閥、氫氣泄壓閥等部件組成。通過(guò)各種閥體將氫瓶里的高壓氫氣降壓后輸入給電堆，使得電堆內(nèi)氧氣與氫氣充分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)[7]。

圖6 氫氣子系統(tǒng)

5.2 氫能源汽車燃料電池系統(tǒng)構(gòu)成及系統(tǒng)集成分析

5.2.1 燃料電池系統(tǒng)構(gòu)成

燃料電池系統(tǒng)主要包括進(jìn)氣部件、排氣部件、冷卻部件、進(jìn)氫部件、高壓控制部件、低壓部件組成，如圖7某車型燃料電池系統(tǒng)[8]所示。

圖7 某車型燃料電池系統(tǒng)

（1）進(jìn)氣部件主要包括空氣濾清器、流量計(jì)、空氣壓縮機(jī)、中冷器、加濕器和節(jié)氣門，該系統(tǒng)為燃料電池提供充足的氧氣參與化學(xué)反應(yīng)，而進(jìn)氣節(jié)氣門是整個(gè)燃料電池的總開關(guān)；

（2）排氣部件包括排氣截止閥、背壓閥和消聲器，它可以排出燃料電池中的廢氣以及氫氧反應(yīng)產(chǎn)生的水；

（3）冷卻部件包括散熱器、散熱風(fēng)扇、水泵、節(jié)溫器和去離子儀，它形成一個(gè)獨(dú)立的循環(huán)[9]，來(lái)維持整個(gè)燃料電池氫氧反應(yīng)系統(tǒng)工作在合理的溫度范圍內(nèi)，同時(shí)過(guò)濾系統(tǒng)中的干擾離子；燃料電池附屬系統(tǒng)零件（空氣壓縮機(jī)及其控制器、氫氣循環(huán)泵控制器）的冷卻則依靠整車上的冷卻循環(huán)來(lái)實(shí)現(xiàn)；

（4）進(jìn)氫部件包括減壓閥、進(jìn)氫電磁閥、比例電磁閥、排氮閥、水汽分離器和氫氣循環(huán)泵，它為燃料電池提供適量的氫氣參與化學(xué)反應(yīng)；同時(shí)過(guò)濾出尾氣中的氫氣，并通過(guò)循環(huán)泵加壓后再次供給燃料電池；

（5）高壓控制部件包括電堆DC-DC、PTC、DCL、空壓機(jī)控制器、氫氣循環(huán)泵控制器。該系統(tǒng)將燃料電池產(chǎn)生的高壓電輸出至整車電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，同時(shí)擔(dān)負(fù)著自身高壓元件的用電需求和控制邏輯；

（6）低壓部件包括FCU、電器盒以及各種傳感器，它與整車通訊，接受整車的用電請(qǐng)求從而執(zhí)行燃電化學(xué)反應(yīng)，同時(shí)又監(jiān)控燃料電池的各項(xiàng)參數(shù)，以保證其正常運(yùn)行。

5.2.2 燃料電池系統(tǒng)集成分析

通過(guò)多維度分析各品牌燃料電池系統(tǒng)布置集成特性見表2，為實(shí)現(xiàn)在一定車型范圍內(nèi)的氫燃料電池通用化設(shè)計(jì)，針對(duì)整車匹配的方便性和基本性能要求，對(duì)氫燃料電池本體、附件系統(tǒng)和外部接口做出統(tǒng)一的布置策略[10]，建議如下：

表2 各品牌電堆系統(tǒng)集成特性分析

（1）燃料電池系統(tǒng)其中一側(cè)緊貼整車的前圍板，其前/后/左/右應(yīng)至少有一側(cè)的外觀面需保持整齊，且懸置以上的區(qū)域不能預(yù)留外部接口；

（2）進(jìn)氫口和尾排口盡量預(yù)留在同一側(cè)；

（3）盡量體現(xiàn)統(tǒng)一的設(shè)計(jì)包絡(luò)和外部接口布置策略；

以上技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)一定車型范圍內(nèi)的氫燃料電池通用化設(shè)計(jì)，并降低整車布置匹配的復(fù)雜程度。對(duì)減少產(chǎn)品多樣性，縮短開發(fā)周期，降低整車成本有積極作用。

5.3 氫燃料電池布置要求

氫燃料電池布置的對(duì)象，是附件集成后的電堆總成。其布置的合理程度直接影響到整車裝配、售后及整車外接口匹配。本文規(guī)范以GB/T 15089—2001 機(jī)動(dòng)車輛及掛車分類[11]中N1/N2類整車承載式車身的布置方法進(jìn)行舉例論述。

5.3.1 布置輸入及準(zhǔn)備

在布置工作啟動(dòng)之前，需要確認(rèn)以下準(zhǔn)備工作，如表3。

表3 燃料電池布置輸入說(shuō)明

5.3.2 布置要求

燃料電池布置時(shí)，不僅要考慮自身的布置要求，還要結(jié)合整車環(huán)境、制造工藝和性能要求共同確定布置位置。

5.3.3 整車環(huán)境約束

N1/N2 類整車大都為承載式車架，如圖8?？紤]燃料電池的安全性，一般布局在駕駛艙和貨箱前部的車架中間位置。

圖8 燃料電池常規(guī)布置位置

（1）X/Y/Z向角度：燃料電池的封裝本體為規(guī)則的立方體，布置時(shí)應(yīng)分別保持與X/Y/Z3個(gè)平面平行；

（2）X向位置：考慮整車軸荷分配，燃料電池盡可能靠近車頭布置；以燃料電池前部的車身橫梁為基準(zhǔn)，向車尾方向布置，考慮到燃料電池系統(tǒng)整體裝配工藝X向前后預(yù)留最小20 mm間隙；

（3）Y向位置：車架左右兩側(cè)的縱梁一般為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，布置燃料電池時(shí)應(yīng)保證封裝本體在Y向居中，以便于左右懸置的對(duì)稱設(shè)計(jì)；

（4）Z向位置：燃料電池封裝本體上集成的附件較多，其最低位置應(yīng)高于車架下橫梁的上表面20 mm，且其頂部與車架上橫梁間隙大于20 mm；如果整車Z向高度不足，可降低燃電高度至最小離地間隙限制面，但需保證其不處于整車前部的最低點(diǎn)。

5.3.4 整車制造工藝約束

（1）燃料電池裝配時(shí)需通過(guò)吊具或舉升設(shè)備，將燃料電池舉升到車架特定高度后安裝懸置。故燃料電池的封裝本體需具備至少2 個(gè)吊裝孔，或者至少3個(gè)底部支撐平面，且吊裝孔或支撐平面的工具進(jìn)入方向不能有零件遮擋；

（2）懸置安裝支架的正上方，不能集成其它零部件，以保證裝配便利性。

5.3.5 整車性能約束

除安全性之外，布置時(shí)需兼顧燃料電池的防水性能，尤其是電器元件。按照一般SUV 的涉水標(biāo)準(zhǔn)，電器件高度需滿足整車滿載姿態(tài)下>450 mm。若受空間限制無(wú)法滿足時(shí)，需確認(rèn)零部件及外部插接件的防水等級(jí)不低于IP67。

6 氫能汽車供氫系統(tǒng)布置

6.1 供氫系統(tǒng)構(gòu)成

供氫系統(tǒng)主要包括加氫口、排氫口、氫瓶、氫閥、手操作開關(guān)、HCU以及氫管，如圖9。

圖9 供氫系統(tǒng)總成

（1）車用氣瓶共分為4 種類型：全金屬氣瓶(I 型)、金屬內(nèi)膽纖維環(huán)向纏繞氣瓶(II 型)、金屬內(nèi)膽纖維全纏繞氣瓶(III 型)、非金屬內(nèi)膽纖維全纏繞氣瓶(IV型)。I 型和II 型氣瓶重容比較大，難以滿足單位質(zhì)量?jī)?chǔ)氫密度要求，用于車載供氫系統(tǒng)并不理想。采用金屬內(nèi)膽的III 型氣瓶為我國(guó)在高壓氫氣瓶領(lǐng)域的主要研究方向。目前35 MPa的氫瓶技術(shù)已經(jīng)成熟，內(nèi)至外包括內(nèi)襯材料、鋁合金內(nèi)膽、纖維纏繞層、外保護(hù)層、閥門瓶口。國(guó)內(nèi)主流采用鋁合金+碳纖維材料[12]見圖10。

圖10 氫瓶組結(jié)構(gòu)

（2）氫氣閥控制著整個(gè)氫氣回路的充氣/供氣/氣體泄放，其原理圖見圖11。它可以是一個(gè)高度集成的閥體，也可以是多個(gè)具備單獨(dú)功能的閥體組合。

圖11 供氫系統(tǒng)原理

6.2 供氫系統(tǒng)布置要求

供氫系統(tǒng)的關(guān)鍵在于氫瓶及氫瓶框架的布置[13]。首先根據(jù)整車總體布局，確定氫瓶的最大布置容積，以此可以初步確定氫瓶的數(shù)量和尺寸，進(jìn)而推算其容積是否滿足整車?yán)m(xù)駛里程的要求。布置時(shí)需關(guān)注：

（1）考慮整車碰撞安全性，氫瓶與整車最外側(cè)結(jié)構(gòu)件的間隙＞70 mm；

（2）確定氫瓶長(zhǎng)度時(shí)，需考慮其兩端瓶口閥和瓶尾閥的尺寸，可按照供應(yīng)商的零件選型初定為50 mm+100 mm；

（3）氫瓶的外徑和長(zhǎng)度需結(jié)合整車環(huán)境確定，保證與環(huán)境件間隙>15 mm；

（4）氫氣閥體控制著整個(gè)系統(tǒng)的減壓/截止/充氣和排氣功能。一般閥體是集成在氫瓶或氫管上，布置需保證手動(dòng)閥處于方便手動(dòng)操作的位置；

（5）加氫口的位置沒有明確的法規(guī)要求，布置以方便設(shè)計(jì)加氫口蓋，并盡可能縮短加氫管的長(zhǎng)度為原則來(lái)確定其位置；

（6）加氫口的高度需滿足人機(jī)操作方便性，建議在770～880 mm，如果受造型限制，可以視情況調(diào)整；

（7）加氫口蓋的尺寸需滿足加氫槍的操作空間，建議在加氫槍3D 的基礎(chǔ)上，單邊預(yù)留>50 mm 的間隙；

（8）氫濃傳感器主要檢測(cè)氫氣泄露量，宜水平布置在瓶尾閥附件的上部區(qū)域，保證探頭朝下；

（9）HCU 應(yīng)盡可能的靠近氫瓶閥體和傳感器，且易于操作的位置，以縮短線束的長(zhǎng)度并保證售后/試制調(diào)試的需求。

7 高壓控制系統(tǒng)的布置

7.1 控制系統(tǒng)構(gòu)成

控制模塊包括BDU、PDU、DCDC、MCU、空壓機(jī)和循環(huán)泵控制器；負(fù)載端包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)、DCL、空調(diào)壓縮機(jī)、高壓轉(zhuǎn)向泵和風(fēng)冷機(jī)組。系統(tǒng)構(gòu)成見圖12。

圖12 所示的加粗箭頭連接的零部件代表高壓控制模塊。確定高壓控制系統(tǒng)的線束連接原理圖之后，即可啟動(dòng)零件布置，控制器的通用布置要求如下：

圖12 高壓控制系統(tǒng)

（1）控制模塊的離地高度一般>500 mm，若受空間限制無(wú)法滿足時(shí)，其滿載高度不應(yīng)低于整車最小離地間隙要求，且零部件及外部接插件的防水等級(jí)不應(yīng)低于IP67；

（2）需要水冷的控制模塊，應(yīng)保證其高度不超出冷卻水壺的最低液面高度；

（3）整個(gè)高壓系統(tǒng)的零部件方案應(yīng)同步考慮，布置控制模塊時(shí)應(yīng)充分考慮固定接口設(shè)計(jì)、外部高低壓接口的位置以及線束設(shè)計(jì)的方便性，盡可能規(guī)避線束的迂回，且其高壓接插件的軸線方向至少預(yù)留5D（高壓線束直徑）+10 mm的線束折彎空間；

（4）空氣壓縮機(jī)、水泵等維護(hù)頻率較高的零件，需布置在易于檢修和調(diào)試的位置；

（5）控制模塊需盡量遠(yuǎn)離熱源，與周邊固定零件和動(dòng)態(tài)零件包絡(luò)的間隙需≥15 mm；

（6）控制模塊的布置還需考慮裝配和售后維修的方便性，特別是BDU等安裝比較費(fèi)時(shí)的零件。

7.2 氫燃料電池的高壓控制系統(tǒng)

氫燃料電池的高壓電輸出至電堆DC-DC 后，一部分輸入BDU用于驅(qū)動(dòng)整車，另一部分用于自身附件的驅(qū)動(dòng)，包括空氣壓縮機(jī)、循環(huán)泵、PTC、高壓水泵以及DCL。這部分高壓零部件往往與燃料電池集成在一體，燃料電池布置完成后，零部件的初版布置方案也可確定下來(lái)。

如果整車空間不足以將集成后的燃料電池做完整的布置，可考慮拆分部分零部件。比較常見的為電堆DC-DC的拆分及布置。

7.3 整車的高壓控制系統(tǒng)

氫燃料電池和電池包的輸出端，通過(guò)BDU和PDU后輸入驅(qū)動(dòng)電機(jī)，從而驅(qū)動(dòng)整車。同時(shí)BDU 和PDU需滿足整車上其它高壓元件的用電需求。

8 電堆總成及關(guān)鍵部件布置檢查單（Check list）

根據(jù)以上各系統(tǒng)的描述內(nèi)容，現(xiàn)將本文中針對(duì)燃料電池總成及關(guān)鍵部件的布置間隙要求匯總形成Check list（表4），為相關(guān)數(shù)據(jù)布置校核提供參考依據(jù)。

表4 燃料電池總成及關(guān)鍵部件布置檢查單(Check list)

9 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)實(shí)例車型開發(fā)過(guò)程的具體布置方案進(jìn)行分析研究，同時(shí)在大量閱讀國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)和前期車型研發(fā)的基礎(chǔ)上，結(jié)合傳統(tǒng)燃油車整車布置規(guī)范和技術(shù)要求，對(duì)燃料電池汽車整車及關(guān)鍵零部件布置進(jìn)行優(yōu)化和總結(jié)，形成了一套相對(duì)完善的總布置設(shè)計(jì)規(guī)范，可供燃料電池車型開發(fā)布置參考，以及通過(guò)對(duì)當(dāng)前國(guó)內(nèi)外燃料電池車型集成布置分析研究，確定了現(xiàn)階段燃料電池車型的布置狀況及未來(lái)整車集成發(fā)展趨勢(shì)，積累的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)對(duì)后期的車型開發(fā)可提供有力支持。相信通過(guò)后續(xù)的研究和開發(fā)及示范工作的不斷深入，本文所述的燃料電池汽車整車布置研究?jī)?nèi)容在實(shí)際工作中會(huì)不斷得到更新。