譚元文，沈 博，陳聲斌，汪 江，李雪芹Tan Yuanwen，Shen Bo，Chen Shengbin，Wang Jiang，Li Xueqin

氫能源汽車動力系統(tǒng)集成研究

譚元文1，沈 博1，陳聲斌1，汪 江1，李雪芹2
Tan Yuanwen1，Shen Bo1，Chen Shengbin1，Wang Jiang1，Li Xueqin2

（1.武漢格羅夫氫能汽車有限公司 整車架構(gòu)部，湖北 武漢 430070；2. 中國葛洲壩集團三峽建設(shè)工程有限公司，湖北 宜昌 444300）

氫能源汽車是新能源汽車的重要組成部分，其動力系統(tǒng)性能直接關(guān)系到其生命力的強弱。介紹了氫能源汽車動力系統(tǒng)集成原理，核心系統(tǒng)關(guān)鍵零部件的構(gòu)成、技術(shù)參數(shù)及供應(yīng)商信息等。

氫能源汽車；動力系統(tǒng)；關(guān)鍵零部件

1 氫能源汽車動力系統(tǒng)的優(yōu)勢

氫能源汽車采用氫氣作為動力能源，在燃料電池系統(tǒng)里與氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電，經(jīng)過DC/DC（Direct Current/Direct Current，直流電升壓轉(zhuǎn)換器）電壓處理之后，三相高壓電驅(qū)動電機，帶動汽車行駛。氫氣與氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)物只有熱量、水和電，不會有任何碳化物，實現(xiàn)了零排放，因此不會對環(huán)境產(chǎn)生污染。氫能源汽車除了環(huán)保以外，還有以下優(yōu)勢。

（1）加氫時間短。

一般加滿所有氫瓶只需要3～5 min。

（2）續(xù)航里程可控。

乘用車續(xù)航一般可以達到500 km以上，可以消除用戶的“續(xù)航焦慮癥”。續(xù)航里程與車載氫瓶數(shù)量直接相關(guān)，增大氫瓶容積可以增加續(xù)航里程。在考慮整車成本的情況下，可根據(jù)車輛續(xù)航要求調(diào)整氫瓶容積。

（3）地域局限性小。

氫能源汽車目前可實現(xiàn)-20℃環(huán)境下冷啟動，因此在北方也可以使用氫能源汽車。隨著技術(shù)的發(fā)展，已有廠家試驗-40℃低溫環(huán)境下冷啟動，如果試驗成功，則高寒地區(qū)也可運行氫能源汽車。

（4）氫氣來源較廣。

可通過熱化學(xué)制氫、水電解制氫、等離子體制氫、化石能源制氫、太陽能制氫、生物質(zhì)制氫、核能制氫、含氫載體制氫、副產(chǎn)氫回收等多種方式制取氫氣，氫氣來源廣泛[1]。

2 氫能源汽車燃料電池系統(tǒng)原理

氫能源汽車的動力系統(tǒng)關(guān)鍵是燃料電池系統(tǒng)。燃料電池提供了氫氣、氧氣化學(xué)反應(yīng)的場所，并把電流集合、輸出。同時，系統(tǒng)需要給燃料電池供給氫氣、氧氣，提供冷卻，保證燃料電池正常高效運行。因此，燃料電池系統(tǒng)是一個復(fù)雜的電流發(fā)生系統(tǒng)[2]，不同廠家給出了不同的系統(tǒng)原理圖[3]，所介紹的系統(tǒng)原理如圖1所示。

為保證燃料電池正常高效運行，圖1設(shè)計了4條回路：

氫氣路——由高壓氫瓶、氫氣循環(huán)泵、閥組等組成。向電堆供給氫氣，并將高壓氫氣降壓至燃料電池所需壓力。

空氣路——由空濾、空壓機、中冷器、加濕器等組成。向電堆供給氧氣，使得氫氣在電堆內(nèi)部充分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

冷卻水路——由膨脹水箱、去離子器、水泵、散熱器等組成。將電堆內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱量帶走，保證電堆持續(xù)工作在最佳溫度。

電路——由DC/DC等組成。后接車輛各用電設(shè)備。

圖1 燃料電池系統(tǒng)原理圖

3 燃料電池系統(tǒng)關(guān)鍵零部件

圍繞4條回路介紹系統(tǒng)中涉及的關(guān)鍵零部件。

1）高壓氫瓶

圖2 高壓氫瓶組

目前國內(nèi)市場上主要有Ⅲ型瓶供汽車高壓供氫系統(tǒng)使用，如圖2所示。Ⅲ型瓶工作壓力為30～70 MPa，使用壽命為15～20年；瓶身采用金屬鋁內(nèi)膽。目前國內(nèi)供應(yīng)商主要有沈陽斯林達、北京天海、張家港國富氫能等。也有廠家宣稱已經(jīng)成功研制了Ⅳ型瓶，已按照國外氫瓶標準通過了實驗驗證。但目前我國沒有明確的法規(guī)標準，還不能應(yīng)用于車輛上。

高壓供氫系統(tǒng)中，瓶閥是關(guān)鍵部件。目前國內(nèi)的氫瓶供應(yīng)商在供應(yīng)高壓氫瓶的同時可以提供相應(yīng)的瓶閥。

2）空壓機

空壓機為系統(tǒng)提供滿足壓力要求的空氣。燃料電池系統(tǒng)用空壓機可分為2大類，即容積式和速度式（透平式）。容積式分為回轉(zhuǎn)式（包括螺桿式、滑片式、羅茨式）和往復(fù)式（包括活塞式、隔膜式）。速度式主要包括離心式、軸流式、噴射式、混流式。目前在氫能源汽車上使用的空壓機主要有4種類型。

（1）雙螺桿壓縮機。

螺桿式制冷壓縮機具有轉(zhuǎn)速高、質(zhì)量輕，體積小、占地面積小以及排氣脈動低等一系列優(yōu)點。但其轉(zhuǎn)子、機體等部件加工精度要求高，裝配要求比較嚴格；油路系統(tǒng)及輔助設(shè)備比較復(fù)雜；轉(zhuǎn)速高，噪聲比較大。

（2）渦旋壓縮機。

渦旋式壓縮機屬于容積式機械，在容積式流體機械中容積效率較高，且壓力與氣量連續(xù)可調(diào)，在寬的工況下都可以達到較高的效率。渦旋機械可設(shè)計成壓縮機—電機—膨脹機共軸的一體化結(jié)構(gòu)型式，但與離心式相比尺寸和質(zhì)量較大。

（3）羅茨壓縮機。

目前只有豐田采用該壓縮機，這是一種利用兩個葉形轉(zhuǎn)子在氣缸內(nèi)作相對運動來壓縮和輸送氣體的回轉(zhuǎn)壓縮機。這種壓縮機靠轉(zhuǎn)子軸端的同步齒輪使兩轉(zhuǎn)子保持嚙合。

（4）離心壓縮機。

本田、通用汽車都在使用該壓縮機，這是一種速度式壓縮機，有諸多優(yōu)點，如排氣量大、排氣均勻、氣流無脈沖，轉(zhuǎn)速高、體積小、效率高、噪聲小，機內(nèi)不需要潤滑，密封效果好、泄露現(xiàn)象少，有平坦的性能曲線，操作范圍較廣，易于實現(xiàn)自動化和大型化，易損件少、維修量少、運轉(zhuǎn)周期長。缺點主要是負荷變化大，氣流速度大，流道內(nèi)的零部件有較大的摩擦損失，有喘振現(xiàn)象。

各型式空壓機性能對比見表1。

表1 空壓機性能對比

3）增濕器

圖3 增濕器

空氣在進入電堆之前需要加濕處理，確保質(zhì)子交換膜有合適的濕度。電堆內(nèi)部的空氣濕度與電導(dǎo)率有密切關(guān)系，如果電堆內(nèi)過于干燥會導(dǎo)致電導(dǎo)率大幅下降；如果濕度過大，電堆內(nèi)有液態(tài)水流動，會阻礙氫氣、氧氣接觸到催化劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電流[4]；因此需要對電堆采取適當?shù)脑鰸翊胧?。增濕手段包括?nèi)增濕、外增濕。圖1中系統(tǒng)采用的外增濕器如圖3所示。目前增濕器的供應(yīng)商主要來自國外。

（4）散熱器

散熱器由高溫散熱和低溫散熱兩部分組成，其中高溫散熱只供電堆使用。電堆對冷卻介質(zhì)性能要求較高，比如具有電導(dǎo)率極低、無污染性、熱容量高、凝固點低等特性，一般采用純水或者純水與乙二醇的混合物。低溫散熱采用兩條回路，空壓機、空壓機控制器為一條回路，電機、電機控制器、分電器、直流升壓轉(zhuǎn)換器為另一條回路。

（5）去離子器

去離子器（如圖4所示）在冷卻介質(zhì)循環(huán)過程中不斷將介質(zhì)去離子化，保證介質(zhì)的高純度，達到冷卻需求。一旦系統(tǒng)監(jiān)測到介質(zhì)純度不滿足冷卻要求，則提醒更換新的冷卻介質(zhì)。

圖4 去離子器

4 氫能源動力系統(tǒng)的發(fā)展

當前氫能源產(chǎn)業(yè)鏈還不成熟，氫能源動力系統(tǒng)在零部件選型上空間較小，關(guān)鍵的零部件只能采用現(xiàn)存產(chǎn)品，這樣集成的動力系統(tǒng)效率低下，因此國內(nèi)目前沒有氫能源乘用車上市銷售。隨著氫能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，越來越多的資源投入會聚焦到氫能源上，零部件技術(shù)會趨于成熟，氫能源動力的關(guān)鍵技術(shù)會得到更好解決。不僅會在動力系統(tǒng)技術(shù)上取得較大突破，而且其開發(fā)周期、研發(fā)成本等方面都會大幅縮減[5-7]。

[1]毛宗強，毛志明. 氫氣生產(chǎn)及熱化學(xué)利用[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2015.

[2]衣寶廉. 燃料電池——原理˙技術(shù)˙應(yīng)用[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

[3]Frano Barbir. PEM燃料電池：理論與實踐[M]. 李東紅，連曉峰，等譯.北京：機械工業(yè)出版社，2016.

[4]Ryan O’Hayre，車碩源，Whitney Colella，F(xiàn)ritz B.Prinz.燃料電池基礎(chǔ)[M]. 王曉紅，黃宏，等譯. 北京：電子工業(yè)版社，2007.

[5]孫偉川. 歐陽明高：開弓沒有回頭箭[J]. 商用汽車新聞，2017（4）：3.

[6]孫偉川. 歐陽明高：2016年是純電驅(qū)動技術(shù)轉(zhuǎn)型標志年[J]. 商用汽車新聞，2017（8）：10.

[7]甄文媛. 歐陽明高：從能源革命高度重新理解氫燃料電池汽車[J]. 汽車縱橫，2018（12）：32-34.

2019-08-09

U463.5

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2019.04.010

1002-4581（2019）06-0044-03