李曉東， 王得蛟

（1.甘肅建投重工科技有限公司；2.甘肅省專用車輛工程研究中心，甘肅 蘭州 730000）

習近平總書記于2020年9月，在第七十五屆聯(lián)合國大會上發(fā)表重要講話：“中國將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和?！蓖瑫r作為《巴黎協(xié)定》締約方之一的中國，如何解決化石能源的燃燒排放源成為最關鍵的任務。2021年10月26日，國務院印發(fā)了《2030年前碳達峰行動方案》，其中共有11處提及氫能，主要是倡導加快利用氫能實現(xiàn)綠色低碳，加快氫能技術研發(fā)和示范應用，在工業(yè)、交通運輸、建筑等領域規(guī)模化應用。人類能源進程史是一個能量密度不斷提升過程，從化學角度分析也是碳氫比的調整過程，從柴薪時代碳氫元素比10:1，到蒸汽煤炭時代碳氫元素比2:1，到工業(yè)革命后的石油時代碳氫元素比1:2，氫含量越高，能量密度越高，氫極有可能成為未來能源體系中的重要組成部分。燃料電池汽車作為新能源車輛的其中一個重要分支，具有零碳排放、續(xù)航里程長、加注時間短、冷啟動溫度低等優(yōu)勢。在國家“雙碳”戰(zhàn)略背景下，在人口聚集的城市內以及作業(yè)時間較長的洗掃車場景具有很好的應用前景和價值。本文以氫燃料電池底盤洗掃車為例，介紹氫燃料電池專用車輛的技術原理及技術特點。

1 氫燃料電池汽車發(fā)展背景

從2001年開始，燃料電池汽車已經(jīng)作為新能源汽車“三縱三橫”體系中的一項，作為國家重大專項開始規(guī)劃，隨著《新能源“十四五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》、《2030年前碳達峰行動方案》以及《中國氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)白皮書》等國家政策性文件的發(fā)布實施，已經(jīng)從國家層面推動開展燃料電池汽車示范應用，鼓勵各城市組群申報國家氫能示范城市，中央財政對氫能示范城市和核心技術開發(fā)予以獎勵，國家地方聯(lián)手推動氫能產(chǎn)業(yè)形成中國力量。目前北京市大興區(qū)聯(lián)合海淀、昌平、經(jīng)開區(qū)、延慶、順義、房山等6個區(qū)，天津濱海新區(qū)，河北省保定市、唐山市，山東省濱州市、淄博市等12個城市區(qū)組成京津冀氫燃料電池汽車示范城市群；上海市聯(lián)合江蘇省蘇州市、南通市、浙江省嘉興市、山東省淄博市、寧夏靈武市、內蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市等6個城市（區(qū)）組建上海城市群；廣東省佛山市聯(lián)合省內的廣州市、深圳市、珠海市、東莞市、中山市、陽江市、云浮市，以及福建省福州市、山東省淄博市、內蒙古自治區(qū)包頭市、安徽省六安市等地組建廣東氫燃料電池汽車示范城市群。

氫燃料電池汽車已從以往的實驗室測試逐漸進入日常的普通生活環(huán)境，逐步開始了產(chǎn)業(yè)化、規(guī)?；?。

2 氫燃料電池洗掃車對比純電動洗掃車

氫燃料電池專用車與純電動專用車在某些方面具有共同的優(yōu)點，如加速性能優(yōu)良、車輛運行噪聲小、運行時無污染排放物等，但是氫燃料電池動力系統(tǒng)的專用車又優(yōu)化了純電動專用車的某些缺點與不足。下文以18T氫燃料電池洗掃車與18T純電動洗掃車為例進行對比。

從表1可以看出，氫燃料電池洗掃車加氫時間短，續(xù)航里程高，空載情況下整車質量輕，因氫燃料電池動力系統(tǒng)在動力性上跟發(fā)動機類似，所以過載能力強，更適合于車輛的重載、爬坡等工況。燃料電池的短時過載能力可達200%的額定功率，而純電動汽車主要依靠電池儲能放電，過載能力不強。

表1 氫燃料電池洗掃車與純電動洗掃車的對比

除此之外，從能量來源角度來說，純電動專用車充電用的電能主要來源是國家電網(wǎng)，而國家電網(wǎng)目前主要是依靠煤炭發(fā)電，氫燃料電池專用車用的氫氣可使用電解水制氫，此制氫方法對電能品質沒有過高要求，因此可使用廢棄風電、光伏等綠電制氫，或采用工業(yè)副產(chǎn)氫等，所以對于主要依靠煤炭發(fā)電的國家，純電動車輛的增加對于二氧化碳的排放并沒有多少幫助。

其次，從綠色環(huán)保角度來說，純電動專用車的動力電池不論何種組成成分，其電解液都具有一定污染性，其電池目前回收再循環(huán)較困難，而氫燃料電池專用車在產(chǎn)品生命周期結束后可無污染回收，所以氫燃料電池專用車相對于純電動專用車具有全生命周期綠色環(huán)保的優(yōu)勢。

3 氫燃料電池洗掃車控制技術

本文將氫燃料電池洗掃車動力系統(tǒng)與控制系統(tǒng)分為兩部分，分別為：底盤動力系統(tǒng)原理與上裝解耦動力控制系統(tǒng)。

3.1 底盤動力系統(tǒng)原理

氫燃料電池動力系統(tǒng)基本原理是電解水的逆反應，把氫和氧分別供給陽極和陰極，氫通過陽極向外擴散和電解質發(fā)生反應后，1個氫分子解離為2個氫質子，并釋放出2個電子，放出的電子通過外部的負載到達陰極。在陰極催化劑的作用下，氧分子和氫離子與通過外電路到達陰極的電子發(fā)生反應生成水，而整個反應過程中電子的移動實際上在外電路就形成了直流電，因此，只要源源不斷地向燃料電池陽極和陰極供給氫氣和氧氣，就可以向外電路的負載連續(xù)地輸出電能，如圖1所示。

圖1 氫燃料電池工作原理圖

氫燃料電池底盤系統(tǒng)除了原有的底盤傳動機械結構以及駕駛室、制動等，氫燃料電池系統(tǒng)主要由空氣系統(tǒng)、氫氣系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和電堆組成，氫燃料電池主要系統(tǒng)組成如圖2所示。

圖2 氫燃料電池主要系統(tǒng)組成圖

氫燃料電池汽車動力系統(tǒng)主要由燃料電池系統(tǒng)（含車載供氫系統(tǒng)）、動力電池系統(tǒng)、電驅動系統(tǒng)（含電機及電機控制器）和整車控制系統(tǒng)組成，系統(tǒng)組成示意如圖3所示。

圖3 氫燃料電池汽車組成示意圖

3.2 電電（電堆-電池）混合控制技術模式

氫燃料電池洗掃車底盤采用電機直驅模式，與傳統(tǒng)車相比，減少了離合器等部件，結構更簡單，效率更高，該洗掃車根據(jù)實際需求可運行于純電動狀態(tài)和燃料電池與動力電池電電混合狀態(tài)。

電電混合燃料電池汽車在行駛過程中所需要的動力由燃料電池和儲能電池共同提供。由于燃料電池系統(tǒng)和儲能電池系統(tǒng)在不同的工作狀態(tài)都表現(xiàn)出不同的效率，這兩者之間如何進行分配最終會影響到車輛的氫消耗量及動力性能。因此針對燃料電池汽車的電電混合動力系統(tǒng)，采用燃料電池串聯(lián)DC/DC，然后與儲能電池并聯(lián)的并聯(lián)式結構，開發(fā)多領域物理模型并針對性模型解耦；建立燃料電池、DC/DC和驅動電機等部件動態(tài)效率特性和最佳經(jīng)濟工作區(qū)模型；針對不同數(shù)據(jù)模型狀態(tài)設計觀測器或者采集裝置，對重要狀態(tài)量實時測量或者估計，標定燃料電池和儲能電池能量消耗、SOC和最佳工作區(qū)等不同目標，采用動態(tài)規(guī)劃、二次規(guī)劃和基于小波的功率分流等不同優(yōu)化算法給出不同控制策略；設計出整車的電電混合動力系統(tǒng)，并和整車的其他系統(tǒng)進行一體化設計集成，優(yōu)化整車布局。目前優(yōu)化算法在整車中進行如下工作。

當氫燃料電池洗掃車運行于純電動狀態(tài)時，燃料電池系統(tǒng)不工作。車輛行駛時，動力電池將提供電能給驅動電機將儲存的電能轉化成機械能，驅動整車行駛與上裝作業(yè)；車輛制動時，驅動電機將制動產(chǎn)生的能量轉化為電能儲存到動力電池中去，從而減少能量的損失，達到節(jié)能的效果。

當氫燃料電池洗掃車運行于燃料電池與動力電池電電混合狀態(tài)時，燃料電池工作方式根據(jù)動力電池荷電狀態(tài)SOC確定，當動力電池荷電狀態(tài)低于60%時，燃料電池以額定功率發(fā)電；當動力電池荷電狀態(tài)在60%～80%之間時，燃料電池以經(jīng)濟模式發(fā)電；當動力電池荷電狀態(tài)大于80%時，燃料電池怠速或停機。

根據(jù)燃料電池、驅動電機、動力電池的能量輸出輸入狀態(tài)，燃料電池工作時能量流狀態(tài)分為3種，具體如圖4所示。

1）當電機電流需求大于燃料電池發(fā)電電流時，燃料電池和動力電池同時向電機提供驅動電流，如圖4a所示。

2）當電機電流需求小于燃料電池發(fā)電電流時，燃料電池驅動電機的同時向動力電池充電，如圖4b所示。

3）當電機制動回饋電流時，燃料電池和電機同時向動力電池充電，電機控制器適時調節(jié)制動回饋電流，以保證電池充電總電流不超過動力電池限值，如圖4c所示。

圖4 動力系統(tǒng)能量流向圖

4 上裝解耦動力及其分體控制系統(tǒng)

傳統(tǒng)燃油型洗掃車與純電動洗掃車上裝動力系統(tǒng)一般采用單套副發(fā)動機或單套上裝電機，由底盤供油或者供高壓直流電來驅動上裝所有功能系統(tǒng)，當洗掃車任意一項或多項功能啟動時，上裝電機或副發(fā)動機作為其唯一動力源，必須以一定轉速功率啟動驅動上裝功能使其正常運轉，在實際工作過程中，一般不會打開所有上裝功能。通常情況下，洗掃車的主要組合功能模式有：清洗模式，即只打開前沖洗與后沖洗機構；掃路模式，即只打開掃盤相關功能與吸塵風機；洗掃模式，即前兩種模式的綜合。

洗掃車的分解分項功能一般有：箱體升降、箱門開關、左右掃盤升降、吸塵吸盤升降及低壓自潔等分項功能。例如污水箱滿時，傾倒污水箱的正常流程是打開后蓋，箱體舉升油缸舉升，傾倒污水垃圾，箱體舉升油缸回落，完成動作。在此期間，每一時間段只有一項功能運行，且其他系統(tǒng)功能一般是關閉的，而目前傳統(tǒng)環(huán)衛(wèi)專用車輛動力系統(tǒng)及操作系統(tǒng)因沒有變頻系統(tǒng)的參與，通常會將上裝驅動電機或上裝副發(fā)動機設置為恒定低中高3段功率轉速，所以正常作業(yè)情況下，只單一開啟某一項或幾項功能時，會造成功率的不足或過剩，從而導致作業(yè)效率不高或者增加無用的油耗與電耗，對于氫燃料電池專用車或純電動專用車弊端更大，電耗的累計會縮小專用車的作業(yè)里程。而優(yōu)化后的上裝動力解耦系統(tǒng)有效地解決此類缺點，將單套上裝動力電機視情況分解為兩套或多套上裝動力電機，每個動力電機根據(jù)情況分別對特定的單項或多項功能提供動力，分體驅動，控制解耦，互不影響，同時減少變速齒輪箱、傳動皮帶等能量傳遞機構的動能傳遞損耗，達到電機直接驅動，降低了故障率、噪聲，同時增加檢修時的安全性以及復雜性。以洗掃車為例的分體驅動控制動力原理圖如圖5所示。

圖5 洗掃車分體驅動控制動力原理圖

底盤動力系統(tǒng)網(wǎng)絡與上裝動力系統(tǒng)網(wǎng)絡使用國際標準的汽車現(xiàn)場總線CAN協(xié)議，相對于傳統(tǒng)CAN總線通信及控制網(wǎng)絡，協(xié)議相當于另外增加了一套電機控制器邏輯，整體控制難度并未增加太多。以洗掃車為例的分體驅動控制CAN總線通信及控制網(wǎng)絡原理圖如圖6所示。

圖6 洗掃車的分體驅動CAN網(wǎng)絡原理圖

通過已有的采用兩套不同上裝動力系統(tǒng)同一底盤型號的純電動洗掃車實際測試結果對比表明，分體驅動式純電動洗掃車較單電機系統(tǒng)同路段綜合平均功耗低13%左右，可得同等工況下作業(yè)時長多13%左右，如圖7所示，一定程度上提高了工作效率的同時節(jié)約了能耗，同時提高了經(jīng)濟效益。

圖7 洗掃車的不同上裝系統(tǒng)能耗對比

4 氫燃料電池專用車目前存在的問題

氫燃料電池動力技術隨著國內目前技術水平的快速發(fā)展，氫燃料電池動力系統(tǒng)從其石墨基或金屬基雙極電堆、膜電極、質子交互膜等核心材料，到其氫循環(huán)泵、大電流高功率密度的DC/DC、反應堆增濕器、碳纖維儲氫瓶等核心配件，再到多合一集成控制器、FCU等算法控制器都已經(jīng)逐步突破了國外的技術封鎖，實現(xiàn)了100%的國產(chǎn)化，制氫產(chǎn)氫成本也已達到了國際平均水平，但是由于氫氣的化學及物理特性決定了其存儲、運輸難，以及加氫站的建設成本一直居高不下，導致了氫燃料電池汽車的基礎配套設施不全，限制了其進一步的市場化。

5 結語

本文通過介紹氫燃料電池洗掃車底盤動力系統(tǒng)原理與上裝解耦動力控制系統(tǒng)的設計原理，同時對比了同類型純電動洗掃車的參數(shù)性能，可以發(fā)現(xiàn)其在具有純電動洗掃車加速快、噪聲小等優(yōu)勢的同時，還解決了純電動洗掃車充電慢、續(xù)航短、過載能力差及低溫冷啟動性能差等缺點。由于目前配套設施問題，氫燃料電池動力車輛還未規(guī)模化應用，但是目前國家也已出臺相關政策，健全現(xiàn)行機制，大力推廣試運行示范區(qū)，推進能源多樣化多元化，相信氫能源動力汽車會如同純電動汽車一樣發(fā)展迅速。未來，隨著加氫站等基礎設施得到進一步完善，我國氫能產(chǎn)業(yè)將迎來新的機遇。