氢燃料电池客车动力系统开发

2018-08-23王少凯王成尧王亚峰

客车技术与研究 2018年4期

关键词：电堆氢气动力电池

鲁飞，王少凯，朱鹤，王成尧，王亚峰

(安徽安凯汽车股份有限公司，合肥 230051)

氢燃料汽车具有无污染、续航里程长、加注燃料时间短等优点，被视为最适合推广应用的新能源汽车［1－2］。近几年来，氢燃料电池客车逐渐受到国家和企业的重视，氢燃料电池客车产业化的春天即将到来［3－5］。

1 氢燃料电池系统集成

氢燃料电池客车相对于纯电动客车，增加了氢燃料反应堆、辅助系统以及控制系统，如图1所示。

图1 氢燃料电池系统布置图

本文氢燃料系统是由水冷质子交换膜燃料电池电堆、辅助系统(包括空气供给系统、氢气供给系统和冷却供给系统)及控制系统所组成。其中的氢燃料电池电堆系统如图2所示。

图2 氢燃料电池电堆系统

该氢燃料电池系统额定功率是30 kW，总质量为112 kg，具有高度集成定制式设计，IP67防护等级。

1.1 氢气瓶布置

氢气是一种无色无味且高度易燃的气体。氢气本身无毒，但它可以置换空气中的氧气而引起窒息并容易燃烧［6－7］。氢气具有极强的扩散能力，任何泄漏的氢气将容易被周围的空气稀释，而氢气泄漏现象不易察觉。鉴于氢气的特点，氢气瓶布置在车辆顶部，这样便于泄漏时能够快速扩散，并且泄漏的氢气不会扩散到乘客区和其他电器集中区域，同时还能提升整车的空间利用率。布置在车辆顶部的氢气瓶还具有防晒防护罩和良好的通风系统。氢瓶组储氢口设置氢浓度传感器，一旦检测到氢浓度超过限定值就会立即发出警报，关闭氢气供给。

1.2 氢气供给系统

氢气供给系统主要由一个内部氢气供给比例阀、氢气循环泵及其他一系列部件和管路组成，对进入电堆参加反应的氢气压力和湿度进行调节。在氢燃料电池系统正常工作时，要保证电堆内部的氢浓度在一个合适的范围，电堆内部的电磁阀会周期性开闭，将多余氢气从氢气管路中吹扫出去。吹扫出去的氢气混合物引导至空气尾排管，利用阴极侧反应剩余的空气对其进行稀释，使排向大气的尾气氢气浓度控制在安全的阀值内。系统运行过程中如果由于故障导致氢气压力过大，系统内部的泄压阀会自动开启，降低氢气浓度，保证氢浓度在正常安全的范围内。

1.3 空气供给系统

氢燃料电池系统对进入系统的空气质量有着严格要求，不仅要保证系统的高效运行，更要保证系统的安全［8］。空气供给系统主要由空压机、中冷器、消声器、增湿器等部件组成，对进入燃料电池电堆的空气量、空气压力和空气湿度进行调节。进入系统的空气经过空压机压缩后，温度上升，中冷器对其进行冷却后进入增湿器。增湿器利用电堆反应生成水的湿气与中冷器出口的干燥空气进行热湿交换，保证系统内部的湿度要求。

1.4 电堆模块

电堆模块是氢反应堆，一般放置在车辆尾部支架上，为了保证减振效果，采用四点悬置设计。电堆中的氢气很容易扩散，因此电堆模块不应在封闭或不通风的环境下运行。氢燃料电堆反应会产生大量的热量，所需的散热系统体积较大，采用电子风扇形式，将风扇布置在车顶后部，直接将热量散发到空气中，这样便于温度控制。

2 氢燃料电池客车控制系统

氢燃料电池客车控制系统主要由整车控制系统、储氢系统、燃料电池系统、辅助控制系统、动力电池系统、驱动电机系统等组成，各元件通过CAN总线组成一个分布式控制系统，采用的是并联式双能源形式。燃料电池作为主能源，提供车辆行驶的主要动力;动力电池组是辅助能量源，在汽车行驶中提供瞬时大扭矩。

2.1 氢燃料电池系统启停

燃料电池系统使用常电和ON挡电信号的供电方式。常电为燃料电池系统提供低压电源，ON挡信号作为唤醒和停止工作信号。

当整车上ON挡电，氢燃料系统接收到ON挡信号，燃料电池系统则从休眠状态启动，系统低压上电，IGN(唤醒信号)达到ON状态，氢燃料系统完成上电状态。燃料电池系统的控制系统升压器(DCF)直接与整车高压电相连，当整车动力电池总正总负连通后，DCF系统会进行预充电处理，在自诊断整车无故障的条件下，氢燃料系统进入就绪状态。当整车控制器发出启动信号后，氢燃料系统开始启动、运行，整个过程不能出现二级以上故障。当整车控制器发出停止或者出现重大故障时，氢燃料系统会自行关闭。