氢燃料电池商用车电气系统设计

2021-08-24赵雷雷秦振海王晓鹏

汽车电器 2021年8期

赵雷雷，秦振海，黄龙，王晓鹏

（陕西汽车集团股份有限公司，陕西西安710201）

随着环境问题和能源问题的日益突出，新能源汽车成为世界各大汽车厂商及科研机构的研究热点。美国、加拿大、日本、韩国等国家投入了大量的资金和人力开展氢燃料电池汽车研究，丰田、本田、现代等车企已陆续推出市场化的氢燃料电池汽车。

2020年12月21日，国务院新闻办公室发布《新时代的中国能源发展》白皮书，在该白皮书中提到，加速发展绿氢制取、储运和应用等氢能产业链技术装备，促进氢能燃料电池技术链、氢燃料电池汽车产业链发展。近年来，中国大力发展氢能源，在氢的制取、储运等环节有一定突破，同时也在不断推进氢燃料电池车的应用。数据显示，2015-2019年间，中国燃料电池汽车的销量分别为10辆、629辆、1275辆、1527辆、2737辆，2019年的销量是2015年的272.7倍。其中，2019年中国燃料电池汽车产销分别完成2833辆和2737辆，同比分别增长85.5%和79.2%，截至2019年底中国燃料电池车累计数量为6000辆。另外，据最新数据显示，2020年1-11月燃料电池汽车产销分别完成935辆和948辆。详见图1。

1 氢燃料电池系统的工作原理

氢燃料电池是一种化学电池，它利用H2和O2发生化学反应生成H2O时释出的能量，直接将其变换为电能。也可以说，氢燃料电池是一种利用水的电解反应的逆反应的“发电机”。它由正极、负极和夹在正负极中间的电解质板所组成。

图1 2016年-2019年中国燃料电池车销量变化趋势图（数据来源：中商情报网）

工作时向负极供给燃料（氢），向正极供给氧化剂（空气，起作用的成分为氧气）。氢在负极分解成正离子H+和电子e-。氢离子进入电解液中，而电子则沿外部电路移向正极。用电的负载就接在外部电路中。在正极上，空气中的氧同电解液中的氢离子吸收抵达正极上的电子形成水。这正是水的电解反应的逆过程。利用这个原理，氢燃料电池便可在工作时源源不断地向外部输电。氢燃料电池工作原理如图2所示。

2 氢燃料电池商用车的电气系统总体布置设计

2.1 氢燃料电池商用车的底盘部分主要构成

氢燃料电池商用车底盘部分主要由以下部件组成：车架、动力电池及高压盒、蓄电池、电驱桥、集成控制器、电动转向油泵、空调压缩机、ABS控制器、燃料电池发动机、DCL电源变换器、氢瓶、整车冷却系统、燃料电池冷却系统等，各系统在底盘上的分布见图3。

图2 氢燃料电池工作原理

图3 氢燃料电池车各系统在底盘上的分布位置

2.2 氢燃料电池商用车燃料电池系统主要构成

氢燃料电池系统主要由电堆、氢供给循环系统、空气供给单元、升压DC/DC、DCL、散热系统、氢瓶以及数据采集单元等组成。

电堆作为氢燃料电池发动机的核心部件，是氢气和氧气发生化学反应，进而产生电能的地方。电堆由双极板和膜电极两大部分组成，其中膜电极是由催化剂、质子交换膜以及碳纸组成。

氢供给循环系统由减压阀、电磁阀和氢气回流泵、氢浓度传感器以及氢气管路组成。

数据采集单元用来时刻监控燃料电池发动机运行的各种参数以及状态，对这些参数进行数据分析处理，并对异常的参数进行报警以及处理。

由于燃料电池发动机产生的电压比较低，无法满足车辆动力电池使用要求，需要使用升压DC/DC将燃料电池发动机产生的电能转换成适合动力电池电压要求的电能，从而给动力电池补充能量。同时，作为氢燃料电池动力系统的关键部件，升压DC/DC通过对发动机输出功率的精确控制，实现燃料电池与整车高压之间的解耦，实现整车动力系统之间的功率分配和优化控制，并能稳定发动机的工作状态，延长发动机寿命。

氢燃料电池系统中的加热器以及空气泵等组件的工作电压介于燃料电池发动机输出电压以及DC/DC变换器的输出电压之间，与两者皆不相同，需要通过DCL将DC/DC的电压转换成适合其工作电压范围的电源，以满足其使用。

由于氢气作为一种易燃易爆气体，在使用过程中，一旦发生氢气泄露，很容易产生安全风险，对车辆以及周围的人员、环境等带来安全隐患。所以在氢气使用过程中，需要对燃料电池系统的氢气压力及系统周围的氢气浓度进行实时监测，以确保车辆以及人员的安全。

3 氢燃料电池商用车电气原理设计

3.1 氢燃料电池商用车高压电气原理设计

氢燃料电池商用车高压系统主要包括氢燃料电池发动机、升压DC/DC变换器、DCL变换器、加热器、空气泵，动力电池、动力电池高压盒、集成控制器、电动空调压缩机、PTC电加热、电动助力转向油泵电机等。氢燃料电池车辆高压系统电气原理拓扑如图4所示。

图4 氢燃料电池车辆高压系统电气原理拓扑

3.2 氢燃料电池商用车低压电气配电原理设计

氢燃料电池商用车低压电气系统配电设计，主要分为两部分：一部分是氢燃料电池系统低压配电设计，另一部分是纯电动部分底盘低压配电设计。这里着重介绍燃料电池低压系统配电设计，纯电动部分底盘低压配电设计在这里不做介绍。

氢燃料电池系统低压部分主要有：空气流量计、氢浓度传感器、氢系统控制器、氢循环泵、氢尾排系统控制器、燃料电池冷却风扇、燃料电池冷却水泵、燃料电池升压DC/DC、燃料电池DCL、燃料电池系统控制器等。

当车辆上高压后，燃料电池系统低压供电，如车辆SOC达到整车控制策略的限值（如30%）时，燃料电池堆开始工作，系统给整车提供动力电，并根据其工作时的整车实际工况，燃料电池系统参与整车不同的工作工况。

而在整车需要下电或者需要关闭氢燃料电池系统，如果外界温度过低时，氢燃料电池系统还需要进行氢尾排管的吹扫工作，以避免管中的冷凝水结冰，影响系统的使用。因此，整车在设计时，必须要考虑燃料电池系统的延时下电，确保燃料电池系统的正常使用和可靠性。

氢燃料电池系统低压配电原理如图5所示。

图5 氢燃料电池系统低压配电原理

4 氢燃料电池系统的控制设计

氢燃料电池系统工作的控制流程如图6所示。

整车上低压电后，控制氢燃料电池系统低压上电，低压上电后，氢燃料电池控制系统处于待机状态。然后整车上高压，氢燃料电池系统开始工作。氢燃料电池系统工作后，向整车控制反馈系统状态以及可加载功率，整车根据运行工况信息结合氢燃料电池可加载功率，控制氢燃料电池系统的功率输出。

当车辆需要下电或者需要氢燃料电池系统关机时，整车控制器向氢燃料电池系统发送关机指令，氢燃料电池系统根据整车控制器指令，依次进行系统降载、关机等指令。如果外界温度过低时，氢燃料电池系统还需要进行氢尾排管的吹扫工作，以避免管中的冷凝水结冰，影响系统的使用。氢燃料电池系统关机后，向整车控制器反馈系统关闭成功状态信息。