氫能源汽車動力系統(tǒng)集成研究

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。本文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*，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。

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)，不同廠家給出了不同的系統(tǒng)原理圖，所介紹的系統(tǒng)原理如下圖所示。

為保證燃料電池正常高效運行，下圖設(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)部化學反應(yīng)產(chǎn)生的熱量帶走，保證電堆持續(xù)工作在溫度。

• 電路——由DC/DC等組成。后接車輛各用電設(shè)備。

圖 燃料電池系統(tǒng)原理圖

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 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，如上圖所示。Ⅲ型瓶工作壓力為30~70MPa，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。

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。

• 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。

• 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。

• 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。

• 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下表

表 空壓機性能對比

3）增濕器

圖 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)生化學反應(yīng)產(chǎn)生電流；因此需要對電堆采取適當?shù)脑鰸翊胧Ｔ鰸袷侄伟▋?nèi)增濕、外增濕。系統(tǒng)采用的外增濕器如上圖所示。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（如下圖所示）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 去離子器

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。