氢能源商用车动力系统集成分析

亓立刚

摘 要：氢能源商用车动力系统具有能量转化效率高、环境污染、噪声低等特点，应用范围比较广。氢能源商用车动力系统在无人机、热电联供系统等应用不断地增多，其应用价值比较高，并且改变了人们的日常生活，当前氢能源在商用车动力系统运用比较多。本文是针对氢能源商用车动力系统的集成情况进行分析，了解这项技术的发展和应用情况，希望可以促进商用车对于氢能源的运用，促进动力系统的集成研究。

关键词：氢能源商用车 动力系统 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

氫能源商用汽车是采用氢气作为动力能源，燃料系统为氢，主要是通过氢气与氧气发生化学反应而产生的能量，这种技术不会有任何碳化物，并且实现了零排放，具有良好的环保效果。氢能源商用车动力系统续航能力在五百千米以上，当前研究不断地完善，随着氢气瓶的增加续航里程也能够不断地提高。当前氢能源商用汽车的研究不断增加，使用环境也在不断地完善，在40度以下温度中也能够启动氢能源商用车，这项技术在不断地推广，并且在寒冷地区也在不断，这也说明氢能源商用汽车的应用价值及具有良好的发展空间[1]。氢能源商务车动力系统集成比较完善，在不断地改善其具有良好的应用价值。

1 氢能源商用车动力系统概述

1.1 氢能源商用车动力系统原理

氢能源商务汽车燃料电池系统为氢气、氧气发生化学反应的场所，可以将电流集合输出，并且在这个过程中系统可以给燃料电池供给氢气和氧气，在这个过程中可以控制温度，降低在化学反应中产生的热量，这样能够保证电池系统正常运行。氢能源汽车动力系统研究中要对其电池系统进行重点分析，这是汽车行驶的关键，由于燃料电池动力系统集成比较复杂，并且可能会出现反应，因此需要充分的了解其实际运行情况[2]。氢能源商用汽车的燃料电池分为氢气、空气、冷却电路等系统，其中氢气路是由高压氢瓶、氢气循环泵等组成可以降压至燃料电池所需要的数值；空气路可以将氧气推给电路，发生化学反应；冷却水路是为了控制当前电池的温度，避免温度过高而出现意外情况，电路是连接车辆各种设备将产生的电供给各个系统。

1.2 氢能源商用车动力系统优势

氢能源商用车动力系统是采用氢气为动力，能源燃料电池系统中与氧气发生化学反应而产生电能经过转化处理后能够保证汽车行驶中氢气与氧气发生反应，产物只有热量。水和电不会有碳化物，这就能够实现零排放，降低对环境的污染程度[3]。氢能源商用汽车除了环保还有其他优势，加氢时间短，一般需要3～5分钟就可以将氢气加满，因此其充电的时间比较短，能够满足汽车运行的要求。同时车辆续航的里程可以控制，一般是在500千米以上，可以有效地改善用户对于续航的担心。氢能源商用车动力系统续航能力与车辆的氢量有较大的关系，增加氢气的容量，就可以提高整车的续航能力[4]。在结合整车成本的情况下，可以调节氢气的容积，提高其续航能力。氢能源商用汽车的地域限制性比较小，在20度以下的温度也能够启动，因此可以在北方推广氢能源商用汽车。并且随着技术的发展，已经有相关公司在研究零下40摄氏度环境中汽车启动情况，若是研发成功就可以在寒冷地区启动。氢气的来源比较广，可以通过化学制剂、水电解制氢和等离子等制氢，其来源比较多，不受原料的限制可以满足行驶的要求，并且能够降低其应用限制。

1.3 氢能源商用车动力系统发展挑战

氢能源商用车研发面临的挑战比较多，当前氢能源商用车动力系统研发并没有明确的标准，并且对于汽车的续航能力还有待加强，传统汽车的续航能力优越性比较高。而氢能源商用车的加氢站建设并不完善，要想满足其应用要求就需要加氢站，但是其配套设施并不完善，因此会影响实际应用效果，并且还会导致这一产业发展受限。而氢能源商用车动力系统研发中，电池零部件系统的完善度不足，并且很多零部件的研发要求比较高，其成本也比较高，要想满足其发展需求，还需要建立供应链，降低零部件的研发成本[5]。而当前在研发的过程中，氢能源商用汽车也缺乏市场政策导向，市场发展中虽然给予一定的补贴，但是研发的过程中需要的资金比较多，因此发展过程中资金压力比较大。

2 氢能源商用车动力系统集成零部件分析

氢能源商务汽车动力系统集成中燃料电池系统，需要对其关键零部件进行分析，当前这也是汽车技术发展的关键。氢能源汽车使用的过程中容易存在异常问题，并且在具体处理的过程中可能会影响其应用范围，因此要对其关键零部件进行分析，希望可以促进其发展提高其应用价值，促进相关技术不断成熟。

2.1 高压氢瓶

当前我国市场上氢能源商用车研究中动力系统中关键的部分就是高压氢瓶，这是提供动力的关键，这种瓶工作压力一般是在30、70MPa，使用寿命能够达到15年以上。高压氢瓶的瓶身是采用金属铝内胆制造，当前制造高压氢瓶的单位主要为沈阳斯林达、北京天海、张家港国富氢能等公司，这些厂家研发的高压氢瓶，稳定性良好，并且使用效果比较理想。部分厂家已经研发出4型高压氢瓶，氢瓶的标准已经通过实验验证，但是当前我国明确的法律规定中，对于这类氢瓶还无法运用到车辆主要是其安全性、有效性等研究还不深入，还需要增加研究提高其应用的可靠性[7]。高压供氢系统中氢瓶是关键部分，因此在对这部分研究中要充分地考虑其应用效果和安全性，尤其是其关键零部件也需要重视评估，提高瓶阀的精密性和气密性，也是保证高压氢瓶合理使用的关键。在氢瓶供应商研发氢瓶的过程中需要重视氢瓶的研究，需要选择相应的评法，提高其应用质量，保证其密封性。

2.2 空压瓶

空压机是为氢能源商务汽车动力系统提供满足压力要求的空气，这也是动力系统中的关键部分，可以将空压系统为两个部分供电池系统使用，分为容积式和速度式。容积式分为回转式和往复式，速度式分为离心式和轴流式等，目前氢能源商用汽车上使用的空压机有4种。

第一，双螺旋压缩机。这种设备的转速比较高，质量轻并且体积小，所占的面积比较小，其应用优点多，但是在使用的过程中对于零部件的精密度要求高，如转子、机体等加工的精密度都比较高，若使其加工精度不足，会影响其实际运行，并且还可能安全问题。设备装配的过程中需要严格地按照标准实施，而油路系统和辅助设备也比较复杂，这类设备运行的过程中需要专业人员的操作，在运行的过程中会产生比较大的噪声，因此会影响其使用效果。尤其是在氢能源商务汽车动力系统中应用双螺旋压缩机可能会影响驾驶人员和乘坐人的舒适性，还需要加强这一点的研发，降低其噪声。

第二，螺旋压缩机，这种机器属于容积式机械设备，在使用中容积效率比较高，并且压力与气量连续可调，在运行的过程中可以达到比较高的效率。螺旋压缩机的质量和体积比较大，因此在使用的过程中可能会影响汽车的重量和体积，在比较小型的商用车中应用价值不高，还需加强对其体积和质量的控制研究。

第三，罗茨压缩机，这种压缩机在丰田商用汽车中应用比较多，这是利用两个叶形转子在气缸中相对运作而实现对气体的压缩，这种压缩机是靠转子轴端的同步齿轮保持运行。

第四，离心压缩机，这种压缩机在本田、通用汽车中应用比较多，在商用车中运用能够提高应用效果。离心压缩机的优点比较多，排量大，排气均匀，转速高，体积小，并且机内不需要润滑，密封效果十分理想，很少出现泄漏情况。离心压缩机在操作的过程中能够实现自动化和大型化，维修量也比较少。离心压缩机的运行效果十分理想，可以长时间地运行，并且很少出现损耗情况。但是离心压缩机使用的过程中气流速度比较大，因此零部件可能会出现摩擦损失情况，并且有喘振现象会影响乘坐的舒适性，可能会出现振动情况影响汽车的运行效果。

2.3 散热器

氢能源商务车动力系统研发中需要重视散热，而散热器可以实现对温度的有效控制。尤其是在电池反应的过程中可能会释放大量的热，这就会影响电池的应用效果，并且还可能会影响使用安全。而散热器可以实现对温度的有效控制，主要是对电堆进行散热，这样可以降低温度对于电池的影响。电堆对于冷却介质的要求比较高，因此在散热器研发中需要选择合适的介质，一般介质要求为电导率低，无污染性热，容量高，这样能够满足具体应用要求。散热器要选择合适的介质，一般是采用纯水或是纯水与乙二醇的混合物。低温散热采取两种回路是通过空压机和空压机控制器实现，而另一条是电机、电控制器等实现，这两种散热方式能够达到相同的效果，但是可以提高降温的速度，对于温度控制有较大的帮助。

2.4 增湿器

氢能源商用车使用的过程中要注意增湿处理，主要是在空气进入电堆之前，要保证其具有合适的湿度，这样才能够保证质子交换膜有合适的湿度进行运行。若是湿度比较低可能会影响其运行效果，电堆内过于干燥会导致电导率降低；而湿度过大可能会导致液态水流动，影响氢气和氧气结合，因此其发生化学反应的速度和效率也会明显地降低。在研究中要对电堆进行适当的增湿，这样可以提高其运行效果[8]。增湿是通过内增湿和外增湿方式实现，当前这种设备主要是来自国外，国内对于增湿器研究比较少并且并不成熟，这种设备的精密度比较高，并且对于湿度的控制效果不足，而国内相关技术并不成熟，还需要加强增湿器这一设备的研发。

2.5 去离子器

在动力系统冷却介质循环的过程中要将介质去离子化，这样才能够保证介质的纯度，在具体使用的过程中要充分的考虑一些冷却要求，达到冷却需求后，能够保证电池正常运行。动力系统研发中要结合去离子器的应用要求，并且需要降低其体积和面积，保证在车辆上能够合理运用[9]。尤其是要监测介质的纯度，若是不达到冷却要求，需要及时的警报，还应该提醒更换冷却介质，这样才能够满足汽车的运行要求，否则可能会出现多种问题影响汽车动力系统应用效果。

3 氢能源商用车动力系统集成发展情况

氢能源商务车动力系统研究在不断地增加，主要是其应用价值理想，对于当前环境问题改善有较大的帮助。当前传统燃料存在应用短缺问题，并且其成本在不断地提高，在使用的過程中对于环境污染比较大。氢能源商务车动力系统的研究可以有效解决这一问题，在交通运输领域具有较大的应用价值，应用前景也值得期待。因此对于氢能源动力系统集成研究也在不断地增多，在动力系统研究中主要是对其电力系统电池反应进行分析，选择合适的装置提高其应用价值，降低对车辆的影响[10]。在氢能源商务车动力系统研究中，已经取得了较多的成绩，如丰田、本田等都推出了相应的燃料电池汽车，这也能够促进氢能源动力系统研发工作的开展。氢能源商务车动力系统研究发展潜力比较大，并且在应用方面能够有效地改善安全问题和有效率问题。

当前，各个汽车生产厂商在不断地加强这一工作的研发，并且在全球范围内这种车辆的销量也在不断地提高，随着技术不断升级加氢站等设施完善，氢能源商用车的研发在不断地完善，这样能够促进汽车行业的发展，并且能够有效地改善当前存在的问题。氢能源商务车动力系统研究中电池类型在不断地增多，但是我国对于这一问题的研究并不完善，主要是在研究中存在较多的问题，技术不成熟缺乏资金等，这些还需要得到国家的支持，通过政策扶持促进我国氢能源动力系统的研发，将其运用到商务车中提高其应用价值，促进汽车行业的发展。

结论：综上所述，国内氢能源应急电源车的研究中，产业链并不成熟，能源动力编制在零件选型上的空间比较小，零件只能采用现存产物，并且集成动力编制效果比较不佳。因此当前国内的氢能源商务汽车并不完善，也没有上市出售，但是氢能源商用汽车在的研究在不断地增加，主要是聚焦到氢能源研究上。在未来发展中氢能源应急电源车动力系统会逐渐地倾向成熟，并且氢能源应急电源车动力系统集成效果也在不断地完善，在动力编制上也能够打破传统限制。相关研发单位要开拓周期，增加研发成本，这样能够促进轻能源商用汽车的研发。

参考文献：

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[4]颜廷坤，何锋，周凯.纯电动商务车动力传动系统参数优化[J].机械设计与制造，2019（09）：165-167+171.

[5]杨志超，武增，王健，等.氢燃料商用车整车能量管理技术研究[J].汽车电器，2022（8）：3.

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[9]邢真武，许君.浅谈SR6705BEV纯电仿考商务车整车设计[J].科技广场，2017（03）：81-84.

[10]杨冬根，何锋，王君银，颜廷坤.纯电动商务车动力性参数设计与建模仿真[J].现代机械，2017（01）：30-34.