一种低地板氢燃料电池电电混合城市客车设计方案

2020-03-09赵洪波刘孝艳

客车技术与研究 2020年1期

姜伟，赵洪波，刘孝艳

(北京北方华德尼奥普兰客车股份有限公司，北京 100072)

在氢燃料电池客车研发方面[1]，出于成本考虑，多数车企仍采用二级踏步及传统车桥作为主要方案。本车方案采用低地板(一级踏步)及轮边驱动桥布置，以提高整车的空间利用率及舒适性。

1 整车布置方案

整车长轴距、短前后悬、低地板布置。缩短前后悬、增加轴距，轴距每增加1 m，城市客车就可以增加14～15人的容量。因为轴距增加带来低地板面积的增加,是有效空间的增加。只要解决好因轴距加大后受力情况的变化问题,长轴距、短前后悬城市客车的市场前景是相当广阔的。

整车采用7个140 L氢气瓶布置在车顶，以防氢气泄漏及爆炸对人员造成威胁。通过供氢管路将氢气输送至车辆尾部的氢燃料电池发动机，与空气中的氧气反应产生电，经过DC/DC升压后将电能存储在后部的锂离子动力电池中，再通过电机驱动车辆行驶。

考虑到整车轴荷分布的合理性，主要零部件均布置在后悬处，如图1所示。由于氢燃料发动机散热器占用空间较大，为了节约空间将其布置在车顶，采用倾斜30°布置增加迎风面积。氢气瓶质量较大而后大门较宽，考虑到骨架强度将氢气瓶布置在靠近后轮的车顶上。氢气系统及管路接头均布置在通风区域以防止泄漏聚集，增加安全性。

另外，整车在降重方面尤为突出。采用镁合金及高强钢融合式全承载结构，降重效果明显；采用轮边驱动桥结构减少了传动轴、电机支架、主减速器壳等部件，对整车降重及布置也有明显效果。

(a)左侧视示意图

(b)后视示意图

2 低地板结构

2.1 主要总成选用

1)采用刚性前轴结构,包括完整车桥系统、空气悬架系统、减振器和盘式制动器[2]。前桥地板高度可低至350 mm,前桥处过道宽度可达900 mm。采用门式轮边驱动后桥,后桥地板高度可低至420 mm,后桥处过道宽度可达550 mm以上。

2)采用外径较小的轮胎,以达到降低地板高度的目的。如采用11R22.5轮胎时,轮胎静力半径为498 mm,地板高度为398 mm；如采用新型的无内胎扁平轮胎,即275/70R22.5型轮胎,轮胎静力半径为450 mm,则地板高度可降低至350 mm，使用这种轮胎也可将车内轮胎罩凸起地板的高度有效降低。

3)转向系采用的角转向器总成体积很小,卧式转向器本身高度降低,适应了低地板车架及大落差低地板前轴的要求。由于前轴转向节臂与工字梁的距离较小,而且受地板高度限制,设计时将转向垂臂水平摆动布置,这样转向拉杆运动时占用的垂直空间较小。为避免转向拉杆与前空气悬架上下推力杆的运动干涉,根据四连杆机构运动原理,用作图法确定转向拉杆球头与转向垂臂连接位置,再确定卧式转向机布置位置。根据整车及驾驶区布置要求,确定方向盘及角转向器布置位置。

2.2 车架布置方案

1)车架采用模块化设计，分前段车架、中段车架、驱动桥处车架、后段桁架4个模块[3],使原本纷繁复杂的设计分散简化,方便逐一解决各个模块的难点,也易于底盘的尺寸变化及变型。将前桥、前悬架及其连接车架,后桥、后悬架及其连接车架部分各作为固定模块,前悬、轴距、后悬尺寸根据需要作相应变化,就可以设计出不同长度的低地板客车。易于实现系列化、通用化、标准化设计。

2)大型城市客车载客量大,在严重超载的情况下,很容易出现早期断裂和早期损坏现象。车架采用焊接管梁半承载底架结构,前、后门均实现低地板无踏步入口,车内空间全低地板平坦无障碍。中段车架釆用贯通横向管梁与分段纵梁焊接结构,保证了车身与底架连接后底架整根横梁传递承载力。贯通横梁与分段纵梁焊接处,其上下平面增加加强板,保证了底盘强度。

3 新能源动力系统

3.1 动力系统构型及控制策略

该燃料电池客车动力系统构型[4]如图2所示。由于城市客车的平均车速不高，而且经常走走停停，每次在停车的间歇，燃料电池系统都可以给动力电池充电，因此燃料电池系统功率的选择可以不像公路客车那么大。2个水冷三相永磁同步轮边电机作驱动电机即可。除了氢燃料电池作为主要供给能源外，还装有锂离子动力电池可通过外置充电设备进行补电。

图2 燃料电池客车动力系统构型

车辆行驶时能量控制策略为：

1)当锂离子电池SOC较高时[5]，氢燃料发动机不启动，整车需要的电能均来自锂离子电池。

2)当锂离子电池SOC较低时，氢燃料发动机启动，此时又分为两种情况：一是整车需求功率较低未超过氢燃料发动机能提供的最大功率时，能量均由氢燃料发动机提供，而氢燃料发动机多余的电能储存在锂离子电池中；二是整车需求功率已经超出氢燃料发动机能提供的最大功率，此时额外的能量需求由锂离子电池补充，以满足整车动力性需求。

3.2 燃料电池发动机及供氢系统

本车采用的燃料电池发动机额定输出功率为60 kW，输出电压范围400～700 V，最高效率52%，室温下可在5 s内完成启动，系统最高具有61.3 kW的输出能力。内部工作温度小于120 ℃(低温型[6])，工作环境温度-20～45 ℃，相对湿度≤95%，空气质量不低于三级，海拔高度0～1 600 m。绝缘电阻≥60 kΩ、耐久时间4 000 h、氢气利用率95%。燃料电池发动机附近装有防撞梁。

整车供氢系统的设计[7]以乘客和维修使用人员的安全为最高原则[8]。该车具备氢气泄漏报警、使用状态监控、剩余气量监控、提醒驾驶员加气等功能。对车内的氢气浓度在线监控，并发出声光提示。在撞车时紧急切断氢气系统的供应。在氢气量低于设定值时，发出警告并进行相应的保护动作，避免氢瓶放空。加氢气时根据压力传感器显示屏的压力数值判断氢气瓶压力是否到达规定使用值，当压力值满足要求时关闭截止阀，充气系统不再向氢气瓶充气[9]。电磁阀在设计时采用先导式加泄荷组合的方式，以保证电磁阀的主阀开度和可靠启闭。

3.3 锂离子动力电池及驱动系统

整车配备93.66 kWh的动力电池，为整车提供辅助能源，并可在各种情况下提供整车动力，使得在燃料电池系统发生故障时可以采用锂离子电池的动力提供返程的动力来源。按照中国典型城市公交工况试验标准[10]，百公里氢气消耗小于7.5 kg[11]，百公里电耗低于80 kWh，实际使用中续航超过300 km。采用国标充电协议，可以在任何一个符合国标的充电桩进行充电。选用磷酸铁锂动力电池，其电池单体能量密度较锰酸锂高，安全性能最优，工作温度范围广，充放电倍率良好，成本较低。该车锂离子动力电池系统布置在车辆后部座椅下，且有防撞梁以防止碰撞影响安全。

整车采用两个轮边驱动电机予以驱动。每个电机功率90 kW，集成在低门式后桥系统中，经行星排减速增扭后可以提供高达14 000 Nm以上的驱动力。采用轮边驱动电机方案增加了客车内部空间，且每个车轮的驱动力可以直接控制，提高了恶劣路面条件下汽车的行驶性能，增加了传动效率。同时电子差速的问题已经逐步完善。电机的防护等级达到IP67，可以有效避免雨雪天气对行车产生影响。