氫能源商用車動力系統(tǒng)集成分析

亓立剛

摘 要：氫能源商用車動力系統(tǒng)具有能量轉(zhuǎn)化效率高、環(huán)境污染、噪聲低等特點，應(yīng)用范圍比較廣。氫能源商用車動力系統(tǒng)在無人機、熱電聯(lián)供系統(tǒng)等應(yīng)用不斷地增多，其應(yīng)用價值比較高，并且改變了人們的日常生活，當(dāng)前氫能源在商用車動力系統(tǒng)運用比較多。本文是針對氫能源商用車動力系統(tǒng)的集成情況進(jìn)行分析，了解這項技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用情況，希望可以促進(jìn)商用車對于氫能源的運用，促進(jìn)動力系統(tǒng)的集成研究。

關(guān)鍵詞：氫能源商用車 動力系統(tǒng) 集成 分析

Integrated Analysis of Hydrogen Energy Commercial Vehicle Power System

Qi Ligang

Abstract：The power system of hydrogen energy commercial vehicle has the characteristics of high energy conversion efficiency， environmental pollution and low noise， and has a wide range of applications. Hydrogen energy commercial vehicle power system in UAV， combined heat and power system and other applications， continues to increase， and its application value is relatively high， and changes people's daily life. Hydrogen energy in commercial vehicle power system application is widely applied. This paper analyzes the integration of hydrogen energy commercial vehicle power systems， understands the development and application of this technology， and hopes to promote the use of hydrogen energy in commercial vehicles and promote the integration research of power systems.

Key words：hydrogen energy commercial vehicles， powertrain， integration， analysis

氫能源商用汽車是采用氫氣作為動力能源，燃料系統(tǒng)為氫，主要是通過氫氣與氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生的能量，這種技術(shù)不會有任何碳化物，并且實現(xiàn)了零排放，具有良好的環(huán)保效果。氫能源商用車動力系統(tǒng)續(xù)航能力在五百千米以上，當(dāng)前研究不斷地完善，隨著氫氣瓶的增加續(xù)航里程也能夠不斷地提高。當(dāng)前氫能源商用汽車的研究不斷增加，使用環(huán)境也在不斷地完善，在40度以下溫度中也能夠啟動氫能源商用車，這項技術(shù)在不斷地推廣，并且在寒冷地區(qū)也在不斷，這也說明氫能源商用汽車的應(yīng)用價值及具有良好的發(fā)展空間[1]。氫能源商務(wù)車動力系統(tǒng)集成比較完善，在不斷地改善其具有良好的應(yīng)用價值。

1 氫能源商用車動力系統(tǒng)概述

1.1 氫能源商用車動力系統(tǒng)原理

氫能源商務(wù)汽車燃料電池系統(tǒng)為氫氣、氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的場所，可以將電流集合輸出，并且在這個過程中系統(tǒng)可以給燃料電池供給氫氣和氧氣，在這個過程中可以控制溫度，降低在化學(xué)反應(yīng)中產(chǎn)生的熱量，這樣能夠保證電池系統(tǒng)正常運行。氫能源汽車動力系統(tǒng)研究中要對其電池系統(tǒng)進(jìn)行重點分析，這是汽車行駛的關(guān)鍵，由于燃料電池動力系統(tǒng)集成比較復(fù)雜，并且可能會出現(xiàn)反應(yīng)，因此需要充分的了解其實際運行情況[2]。氫能源商用汽車的燃料電池分為氫氣、空氣、冷卻電路等系統(tǒng)，其中氫氣路是由高壓氫瓶、氫氣循環(huán)泵等組成可以降壓至燃料電池所需要的數(shù)值；空氣路可以將氧氣推給電路，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；冷卻水路是為了控制當(dāng)前電池的溫度，避免溫度過高而出現(xiàn)意外情況，電路是連接車輛各種設(shè)備將產(chǎn)生的電供給各個系統(tǒng)。

1.2 氫能源商用車動力系統(tǒng)優(yōu)勢

氫能源商用車動力系統(tǒng)是采用氫氣為動力，能源燃料電池系統(tǒng)中與氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生電能經(jīng)過轉(zhuǎn)化處理后能夠保證汽車行駛中氫氣與氧氣發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)物只有熱量。水和電不會有碳化物，這就能夠?qū)崿F(xiàn)零排放，降低對環(huán)境的污染程度[3]。氫能源商用汽車除了環(huán)保還有其他優(yōu)勢，加氫時間短，一般需要3～5分鐘就可以將氫氣加滿，因此其充電的時間比較短，能夠滿足汽車運行的要求。同時車輛續(xù)航的里程可以控制，一般是在500千米以上，可以有效地改善用戶對于續(xù)航的擔(dān)心。氫能源商用車動力系統(tǒng)續(xù)航能力與車輛的氫量有較大的關(guān)系，增加氫氣的容量，就可以提高整車的續(xù)航能力[4]。在結(jié)合整車成本的情況下，可以調(diào)節(jié)氫氣的容積，提高其續(xù)航能力。氫能源商用汽車的地域限制性比較小，在20度以下的溫度也能夠啟動，因此可以在北方推廣氫能源商用汽車。并且隨著技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)有相關(guān)公司在研究零下40攝氏度環(huán)境中汽車啟動情況，若是研發(fā)成功就可以在寒冷地區(qū)啟動。氫氣的來源比較廣，可以通過化學(xué)制劑、水電解制氫和等離子等制氫，其來源比較多，不受原料的限制可以滿足行駛的要求，并且能夠降低其應(yīng)用限制。

1.3 氫能源商用車動力系統(tǒng)發(fā)展挑戰(zhàn)

氫能源商用車研發(fā)面臨的挑戰(zhàn)比較多，當(dāng)前氫能源商用車動力系統(tǒng)研發(fā)并沒有明確的標(biāo)準(zhǔn)，并且對于汽車的續(xù)航能力還有待加強，傳統(tǒng)汽車的續(xù)航能力優(yōu)越性比較高。而氫能源商用車的加氫站建設(shè)并不完善，要想滿足其應(yīng)用要求就需要加氫站，但是其配套設(shè)施并不完善，因此會影響實際應(yīng)用效果，并且還會導(dǎo)致這一產(chǎn)業(yè)發(fā)展受限。而氫能源商用車動力系統(tǒng)研發(fā)中，電池零部件系統(tǒng)的完善度不足，并且很多零部件的研發(fā)要求比較高，其成本也比較高，要想滿足其發(fā)展需求，還需要建立供應(yīng)鏈，降低零部件的研發(fā)成本[5]。而當(dāng)前在研發(fā)的過程中，氫能源商用汽車也缺乏市場政策導(dǎo)向，市場發(fā)展中雖然給予一定的補貼，但是研發(fā)的過程中需要的資金比較多，因此發(fā)展過程中資金壓力比較大。

2 氫能源商用車動力系統(tǒng)集成零部件分析

氫能源商務(wù)汽車動力系統(tǒng)集成中燃料電池系統(tǒng)，需要對其關(guān)鍵零部件進(jìn)行分析，當(dāng)前這也是汽車技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。氫能源汽車使用的過程中容易存在異常問題，并且在具體處理的過程中可能會影響其應(yīng)用范圍，因此要對其關(guān)鍵零部件進(jìn)行分析，希望可以促進(jìn)其發(fā)展提高其應(yīng)用價值，促進(jìn)相關(guān)技術(shù)不斷成熟。

2.1 高壓氫瓶

當(dāng)前我國市場上氫能源商用車研究中動力系統(tǒng)中關(guān)鍵的部分就是高壓氫瓶，這是提供動力的關(guān)鍵，這種瓶工作壓力一般是在30、70MPa，使用壽命能夠達(dá)到15年以上。高壓氫瓶的瓶身是采用金屬鋁內(nèi)膽制造，當(dāng)前制造高壓氫瓶的單位主要為沈陽斯林達(dá)、北京天海、張家港國富氫能等公司，這些廠家研發(fā)的高壓氫瓶，穩(wěn)定性良好，并且使用效果比較理想。部分廠家已經(jīng)研發(fā)出4型高壓氫瓶，氫瓶的標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)通過實驗驗證，但是當(dāng)前我國明確的法律規(guī)定中，對于這類氫瓶還無法運用到車輛主要是其安全性、有效性等研究還不深入，還需要增加研究提高其應(yīng)用的可靠性[7]。高壓供氫系統(tǒng)中氫瓶是關(guān)鍵部分，因此在對這部分研究中要充分地考慮其應(yīng)用效果和安全性，尤其是其關(guān)鍵零部件也需要重視評估，提高瓶閥的精密性和氣密性，也是保證高壓氫瓶合理使用的關(guān)鍵。在氫瓶供應(yīng)商研發(fā)氫瓶的過程中需要重視氫瓶的研究，需要選擇相應(yīng)的評法，提高其應(yīng)用質(zhì)量，保證其密封性。

2.2 空壓瓶

空壓機是為氫能源商務(wù)汽車動力系統(tǒng)提供滿足壓力要求的空氣，這也是動力系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分，可以將空壓系統(tǒng)為兩個部分供電池系統(tǒng)使用，分為容積式和速度式。容積式分為回轉(zhuǎn)式和往復(fù)式，速度式分為離心式和軸流式等，目前氫能源商用汽車上使用的空壓機有4種。

第一，雙螺旋壓縮機。這種設(shè)備的轉(zhuǎn)速比較高，質(zhì)量輕并且體積小，所占的面積比較小，其應(yīng)用優(yōu)點多，但是在使用的過程中對于零部件的精密度要求高，如轉(zhuǎn)子、機體等加工的精密度都比較高，若使其加工精度不足，會影響其實際運行，并且還可能安全問題。設(shè)備裝配的過程中需要嚴(yán)格地按照標(biāo)準(zhǔn)實施，而油路系統(tǒng)和輔助設(shè)備也比較復(fù)雜，這類設(shè)備運行的過程中需要專業(yè)人員的操作，在運行的過程中會產(chǎn)生比較大的噪聲，因此會影響其使用效果。尤其是在氫能源商務(wù)汽車動力系統(tǒng)中應(yīng)用雙螺旋壓縮機可能會影響駕駛?cè)藛T和乘坐人的舒適性，還需要加強這一點的研發(fā)，降低其噪聲。

第二，螺旋壓縮機，這種機器屬于容積式機械設(shè)備，在使用中容積效率比較高，并且壓力與氣量連續(xù)可調(diào)，在運行的過程中可以達(dá)到比較高的效率。螺旋壓縮機的質(zhì)量和體積比較大，因此在使用的過程中可能會影響汽車的重量和體積，在比較小型的商用車中應(yīng)用價值不高，還需加強對其體積和質(zhì)量的控制研究。

第三，羅茨壓縮機，這種壓縮機在豐田商用汽車中應(yīng)用比較多，這是利用兩個葉形轉(zhuǎn)子在氣缸中相對運作而實現(xiàn)對氣體的壓縮，這種壓縮機是靠轉(zhuǎn)子軸端的同步齒輪保持運行。

第四，離心壓縮機，這種壓縮機在本田、通用汽車中應(yīng)用比較多，在商用車中運用能夠提高應(yīng)用效果。離心壓縮機的優(yōu)點比較多，排量大，排氣均勻，轉(zhuǎn)速高，體積小，并且機內(nèi)不需要潤滑，密封效果十分理想，很少出現(xiàn)泄漏情況。離心壓縮機在操作的過程中能夠?qū)崿F(xiàn)自動化和大型化，維修量也比較少。離心壓縮機的運行效果十分理想，可以長時間地運行，并且很少出現(xiàn)損耗情況。但是離心壓縮機使用的過程中氣流速度比較大，因此零部件可能會出現(xiàn)摩擦損失情況，并且有喘振現(xiàn)象會影響乘坐的舒適性，可能會出現(xiàn)振動情況影響汽車的運行效果。

2.3 散熱器

氫能源商務(wù)車動力系統(tǒng)研發(fā)中需要重視散熱，而散熱器可以實現(xiàn)對溫度的有效控制。尤其是在電池反應(yīng)的過程中可能會釋放大量的熱，這就會影響電池的應(yīng)用效果，并且還可能會影響使用安全。而散熱器可以實現(xiàn)對溫度的有效控制，主要是對電堆進(jìn)行散熱，這樣可以降低溫度對于電池的影響。電堆對于冷卻介質(zhì)的要求比較高，因此在散熱器研發(fā)中需要選擇合適的介質(zhì)，一般介質(zhì)要求為電導(dǎo)率低，無污染性熱，容量高，這樣能夠滿足具體應(yīng)用要求。散熱器要選擇合適的介質(zhì)，一般是采用純水或是純水與乙二醇的混合物。低溫散熱采取兩種回路是通過空壓機和空壓機控制器實現(xiàn)，而另一條是電機、電控制器等實現(xiàn)，這兩種散熱方式能夠達(dá)到相同的效果，但是可以提高降溫的速度，對于溫度控制有較大的幫助。

2.4 增濕器

氫能源商用車使用的過程中要注意增濕處理，主要是在空氣進(jìn)入電堆之前，要保證其具有合適的濕度，這樣才能夠保證質(zhì)子交換膜有合適的濕度進(jìn)行運行。若是濕度比較低可能會影響其運行效果，電堆內(nèi)過于干燥會導(dǎo)致電導(dǎo)率降低；而濕度過大可能會導(dǎo)致液態(tài)水流動，影響氫氣和氧氣結(jié)合，因此其發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的速度和效率也會明顯地降低。在研究中要對電堆進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑鰸?，這樣可以提高其運行效果[8]。增濕是通過內(nèi)增濕和外增濕方式實現(xiàn)，當(dāng)前這種設(shè)備主要是來自國外，國內(nèi)對于增濕器研究比較少并且并不成熟，這種設(shè)備的精密度比較高，并且對于濕度的控制效果不足，而國內(nèi)相關(guān)技術(shù)并不成熟，還需要加強增濕器這一設(shè)備的研發(fā)。

2.5 去離子器

在動力系統(tǒng)冷卻介質(zhì)循環(huán)的過程中要將介質(zhì)去離子化，這樣才能夠保證介質(zhì)的純度，在具體使用的過程中要充分的考慮一些冷卻要求，達(dá)到冷卻需求后，能夠保證電池正常運行。動力系統(tǒng)研發(fā)中要結(jié)合去離子器的應(yīng)用要求，并且需要降低其體積和面積，保證在車輛上能夠合理運用[9]。尤其是要監(jiān)測介質(zhì)的純度，若是不達(dá)到冷卻要求，需要及時的警報，還應(yīng)該提醒更換冷卻介質(zhì)，這樣才能夠滿足汽車的運行要求，否則可能會出現(xiàn)多種問題影響汽車動力系統(tǒng)應(yīng)用效果。

3 氫能源商用車動力系統(tǒng)集成發(fā)展情況

氫能源商務(wù)車動力系統(tǒng)研究在不斷地增加，主要是其應(yīng)用價值理想，對于當(dāng)前環(huán)境問題改善有較大的幫助。當(dāng)前傳統(tǒng)燃料存在應(yīng)用短缺問題，并且其成本在不斷地提高，在使用的過程中對于環(huán)境污染比較大。氫能源商務(wù)車動力系統(tǒng)的研究可以有效解決這一問題，在交通運輸領(lǐng)域具有較大的應(yīng)用價值，應(yīng)用前景也值得期待。因此對于氫能源動力系統(tǒng)集成研究也在不斷地增多，在動力系統(tǒng)研究中主要是對其電力系統(tǒng)電池反應(yīng)進(jìn)行分析，選擇合適的裝置提高其應(yīng)用價值，降低對車輛的影響[10]。在氫能源商務(wù)車動力系統(tǒng)研究中，已經(jīng)取得了較多的成績，如豐田、本田等都推出了相應(yīng)的燃料電池汽車，這也能夠促進(jìn)氫能源動力系統(tǒng)研發(fā)工作的開展。氫能源商務(wù)車動力系統(tǒng)研究發(fā)展?jié)摿Ρ容^大，并且在應(yīng)用方面能夠有效地改善安全問題和有效率問題。

當(dāng)前，各個汽車生產(chǎn)廠商在不斷地加強這一工作的研發(fā)，并且在全球范圍內(nèi)這種車輛的銷量也在不斷地提高，隨著技術(shù)不斷升級加氫站等設(shè)施完善，氫能源商用車的研發(fā)在不斷地完善，這樣能夠促進(jìn)汽車行業(yè)的發(fā)展，并且能夠有效地改善當(dāng)前存在的問題。氫能源商務(wù)車動力系統(tǒng)研究中電池類型在不斷地增多，但是我國對于這一問題的研究并不完善，主要是在研究中存在較多的問題，技術(shù)不成熟缺乏資金等，這些還需要得到國家的支持，通過政策扶持促進(jìn)我國氫能源動力系統(tǒng)的研發(fā)，將其運用到商務(wù)車中提高其應(yīng)用價值，促進(jìn)汽車行業(yè)的發(fā)展。

結(jié)論：綜上所述，國內(nèi)氫能源應(yīng)急電源車的研究中，產(chǎn)業(yè)鏈并不成熟，能源動力編制在零件選型上的空間比較小，零件只能采用現(xiàn)存產(chǎn)物，并且集成動力編制效果比較不佳。因此當(dāng)前國內(nèi)的氫能源商務(wù)汽車并不完善，也沒有上市出售，但是氫能源商用汽車在的研究在不斷地增加，主要是聚焦到氫能源研究上。在未來發(fā)展中氫能源應(yīng)急電源車動力系統(tǒng)會逐漸地傾向成熟，并且氫能源應(yīng)急電源車動力系統(tǒng)集成效果也在不斷地完善，在動力編制上也能夠打破傳統(tǒng)限制。相關(guān)研發(fā)單位要開拓周期，增加研發(fā)成本，這樣能夠促進(jìn)輕能源商用汽車的研發(fā)。

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