一种搭载燃料电池的厢式运输车开发

徐子航，唐俊安

（南京依维柯汽车有限公司，江苏 南京 211806）

根据国家十三五规划及新能源汽车十年规划，汽车产业各家公司一直在新能源汽车研发上不断进取，为国家环保积极履行企业的责任与义务。随着近两年纯电动产品补贴的逐渐退坡，纯电动整车市场已接近饱和，产品利润已大幅压缩，且电动汽车的主力使用者，尤其是物流运输方面的商用车客户，对续驶里程和充电时间的要求越来越高，传统的纯电动物流运输车已无法带来性能和价格方面的优势。在这种情况下，发展高续航能力、高可靠性的燃料电池汽车已成为汽车产业新的技术与经济增长点。与传统纯电动汽车相比，燃料电池汽车利用氢气作为主要的能量来源，具有能源补充时间短、实际续驶里程长的优势。本文介绍了一种基于燃料电池的商用厢式运输车的开发，并深入讨论关键系统的布置方案及动力总成的匹配计算。

1 燃料电池厢式运输车的原理与布置

1.1 燃料电池厢式运输车的原理

燃料电池汽车是在传统燃油汽车的基础上，剔除燃油发动机及其附件系统，再加装燃料电池系统、氢系统、动力电池系统、电驱动系统及其冷却系统等，实现从燃油驱动到“氢+电”驱动的转变。燃料电池汽车的基本工作原理如图1所示。

燃料电池发动机内部的氢气和氧气在电堆中进行电化学反应，产物是水和电能，而产生的电能则是驱动车辆行驶的主要能源，在特定的能量分配模式下，燃料电池系统产生的电能也可以给动力电池补充能源。

图1 燃料电池汽车基本工作原理

为该厢式运输车车型配备的质子交换膜型燃料电池系统额定功率为40kW，最高工作效率超过50%，该套系统由反应电堆、发动机控制系统、安全监测系统、氢氧供应循环系统、热管理系统等部分构成。

1.2 燃料电池厢式运输车的布置方案

该车型底盘的结构布置如图2所示。

燃料电池系统布置于整车的前舱部分，方便吊装与调试。动力电池包的预留布置空间位于底盘前部和后部，可容纳最多2个电池包。中部的空间预留给电驱动系统和配电箱、分流箱等高压零部件系统。这种布置方式在保证动力电池电量可扩展的前提下也兼顾了所有零部件位置的合理性，且主要高压部件集中在底盘中部可节省60%以上的高压连接线束成本。

该车型的储氢系统布置于车身货厢内部，具体布置方案如图3所示。这种一体化集成设计理念的优点是系统潜在漏点少、运行安全可靠、集成度高。

此种布置方式能有效节约底盘空间，为布置更多动力电池的电量提供可能性，需要特别考虑的是氢罐的通风问题及车厢质量不平衡造成的侧翻可能性。

图3 燃料电池厢式运输车氢罐布置示意

2 动力总成的匹配计算

布置方式基本确定后，需要对电机、电池等关键动力总成进行选型与匹配计算。

为缩短开发周期，降低整车性能的不确定性，本车型采用纯电动基型车已批量配备的永磁同步驱动电机，最高车速、加速度、坡道起步性能、最大爬坡度等动力性已满足主流要求。

整车经济性目标：车辆满载情况下，40km／h等速续驶里程达到350km。

确定了整车的经济性目标后，如何选择动力电池的电量尤为重要。根据现有纯电动基型车的开发经验，首先确定的几个条件如表1所示。

当整车以40km／h的速度匀速行驶时，驱动电机输出的转速：

滚动阻力功率：

空气阻力功率：

后桥输出功率：

电机输出功率：

表1 计算用固定参数

电机输出扭矩：

后桥输出扭矩：

电机消耗总功率：

为保证续航，电机消耗总电量：

在40km／h等速行驶的理想情况下，车灯、喇叭、收音机、空调、雨刮器等处于关闭状态，附件能耗趋近于0，故电池输出总功率：

故电池设计总电量：

根据经验，1kg氢气可以提供约15kWh的电量，考虑到氢气在输送和反应过程中的损耗，这个换算比大约是在15×0.95=14.25kWh左右。

氢系统可以提供的总电量：

综上所述，为满足经济性要求，动力电池电量的下限：

3 控制系统原理解析

燃料电池系统的电控系统主要是由燃料电池发动机控制单元 （FCU）及各种传感器构成。FCU控制器就好比是燃料电池系统的大脑，控制并保障系统功能的有序实现及安全可靠的正常运作。FCU的功能主要包括气管理、电管理、水管理、热管理、通信功能与故障诊断。

1）气管理：燃料电池的主要发电原理是氢氧的电化学反应，所以负责氢氧供应循环的气管理在系统中扮演着最重要的角色。

2）电管理：燃料电池的电管理在对系统及单体间的实时电流、实时电压等的监测与控制上起到关键作用，可以有效预防电压超过阈值等问题。

3）水管理：水管理的主要功能是保障燃料电池系统的水平衡，确保在车辆面临极端运行情况时系统满负荷工作的可靠性。

4）热管理：热管理主要关注对燃料电池发动机内部工作温度的监测、调节与控制。

5）通信功能：FCU接收VCU的工作指令并向VCU汇报当前系统的工作状态与实时参数。

6）故障诊断：FCU故障诊断的及时性与完善程度决定了燃料电池汽车的安全性、可靠性与长期可维护性。

燃料电池系统的控制框图见图4。

为应对不同的行驶状况，燃料电池厢式运输车具有纯电模式和混动模式两种行驶模式，各个模式下燃料电池系统的能量分配见图5。

4 燃料电池厢式运输车的优势

1）有竞争力的续驶里程。以该车型为例，配备的储氢系统能容纳超过200L的氢气，总储氢量超过4kg。根据模拟仿真计算，不开空调的情况下，该车型的40km／h等速法续驶里程最高可达到350km。考虑到动力电池电量的可扩展性，在完全利用底盘剩余布置空间的情况下，动力电池电量最高可扩展到90kWh以上，相同吨位车型可达到的最大续驶里程与纯电动车型相比能提升超过90%。

2）能源补充时间短。正常情况下，燃料电池厢式运输车的储氢系统加注时间只需要5～10min，相较于纯电动车型动力电池电量充满所需2～3h，具有无比的优势。

3）过载能力强。燃料电池系统除了在较宽的工作范围内具有较高的工作效率外，还具有短时过载能力可达额定功率200%以上的优势，更适合于物流车需要的加速、爬坡等工况。

4）零排放、无污染。燃料电池汽车在本质上是一种零排放汽车，其中燃料电池系统的运行可靠性较高，且工作过程中较为安静，没有产生机械能量的折损。与传统汽车相比，燃料电池汽车有效规避了燃油流失导致的水污染问题，又可观地减少了碳排放，为汽车环保事业做出了卓越的贡献。

5）法规政策推广力度高。现在正值国家大力推广燃料电池汽车，根据2019年最新的新能源汽车推广政策，中重型货车的单车国家补贴最高可达45万。随着纯电动车型的国家补贴的日益缩减，燃料电池汽车国家补贴水涨船高的优势会逐渐突出。

5 结论

图5 燃料电池系统能量分配模式

作为一种零污染、效率较高的新型清洁能源，在政府扶持和利好政策的不断导向下，燃料电池有望成为未来汽车，尤其是厢式运输车的主流技术发展方向。纵观目前的国内燃料电池厢式运输车市场，受制于原材料成本的高昂和基础设施的薄弱，要达到大规模的推广应用不仅需要突破燃料电池的关键技术壁垒，也需要企业对相关研究付出大量的资金投入及坚持不懈的尝试。