氫燃料電池商用車電氣系統(tǒng)設(shè)計

趙雷雷，秦振海，黃 龍，王曉鵬

（陜西汽車集團股份有限公司，陜西 西安710201）

隨著環(huán)境問題和能源問題的日益突出，新能源汽車成為世界各大汽車廠商及科研機構(gòu)的研究熱點。美國、加拿大、日本、韓國等國家投入了大量的資金和人力開展氫燃料電池汽車研究，豐田、本田、現(xiàn)代等車企已陸續(xù)推出市場化的氫燃料電池汽車。

2020年12月21日，國務(wù)院新聞辦公室發(fā)布《新時代的中國能源發(fā)展》白皮書，在該白皮書中提到，加速發(fā)展綠氫制取、儲運和應(yīng)用等氫能產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)裝備，促進氫能燃料電池技術(shù)鏈、氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展。近年來，中國大力發(fā)展氫能源，在氫的制取、儲運等環(huán)節(jié)有一定突破，同時也在不斷推進氫燃料電池車的應(yīng)用。數(shù)據(jù)顯示，2015-2019年間，中國燃料電池汽車的銷量分別為10輛、629輛、1275輛、1527輛、2737輛，2019年的銷量是2015年的272.7倍。其中，2019年中國燃料電池汽車產(chǎn)銷分別完成2833輛和2737輛，同比分別增長85.5%和79.2%，截至2019年底中國燃料電池車累計數(shù)量為6000輛。另外，據(jù)最新數(shù)據(jù)顯示，2020年1-11月燃料電池汽車產(chǎn)銷分別完成935輛和948輛。詳見圖1。

1 氫燃料電池系統(tǒng)的工作原理

氫燃料電池是一種化學(xué)電池，它利用H2和O2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成H2O時釋出的能量，直接將其變換為電能。也可以說，氫燃料電池是一種利用水的電解反應(yīng)的逆反應(yīng)的“發(fā)電機”。它由正極、負極和夾在正負極中間的電解質(zhì)板所組成。

圖1 2016年-2019年中國燃料電池車銷量變化趨勢圖（數(shù)據(jù)來源：中商情報網(wǎng)）

工作時向負極供給燃料（氫），向正極供給氧化劑（空氣，起作用的成分為氧氣）。氫在負極分解成正離子H+和電子e-。氫離子進入電解液中，而電子則沿外部電路移向正極。用電的負載就接在外部電路中。在正極上，空氣中的氧同電解液中的氫離子吸收抵達正極上的電子形成水。這正是水的電解反應(yīng)的逆過程。利用這個原理，氫燃料電池便可在工作時源源不斷地向外部輸電。氫燃料電池工作原理如圖2所示。

2 氫燃料電池商用車的電氣系統(tǒng)總體布置設(shè)計

2.1 氫燃料電池商用車的底盤部分主要構(gòu)成

氫燃料電池商用車底盤部分主要由以下部件組成：車架、動力電池及高壓盒、蓄電池、電驅(qū)橋、集成控制器、電動轉(zhuǎn)向油泵、空調(diào)壓縮機、ABS控制器、燃料電池發(fā)動機、DCL電源變換器、氫瓶、整車冷卻系統(tǒng)、燃料電池冷卻系統(tǒng)等，各系統(tǒng)在底盤上的分布見圖3。

圖2 氫燃料電池工作原理

圖3 氫燃料電池車各系統(tǒng)在底盤上的分布位置

2.2 氫燃料電池商用車燃料電池系統(tǒng)主要構(gòu)成

氫燃料電池系統(tǒng)主要由電堆、氫供給循環(huán)系統(tǒng)、空氣供給單元、升壓DC/DC、DCL、散熱系統(tǒng)、氫瓶以及數(shù)據(jù)采集單元等組成。

電堆作為氫燃料電池發(fā)動機的核心部件，是氫氣和氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，進而產(chǎn)生電能的地方。電堆由雙極板和膜電極兩大部分組成，其中膜電極是由催化劑、質(zhì)子交換膜以及碳紙組成。

氫供給循環(huán)系統(tǒng)由減壓閥、電磁閥和氫氣回流泵、氫濃度傳感器以及氫氣管路組成。

數(shù)據(jù)采集單元用來時刻監(jiān)控燃料電池發(fā)動機運行的各種參數(shù)以及狀態(tài)，對這些參數(shù)進行數(shù)據(jù)分析處理，并對異常的參數(shù)進行報警以及處理。

由于燃料電池發(fā)動機產(chǎn)生的電壓比較低，無法滿足車輛動力電池使用要求，需要使用升壓DC/DC將燃料電池發(fā)動機產(chǎn)生的電能轉(zhuǎn)換成適合動力電池電壓要求的電能，從而給動力電池補充能量。同時，作為氫燃料電池動力系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，升壓DC/DC通過對發(fā)動機輸出功率的精確控制，實現(xiàn)燃料電池與整車高壓之間的解耦，實現(xiàn)整車動力系統(tǒng)之間的功率分配和優(yōu)化控制，并能穩(wěn)定發(fā)動機的工作狀態(tài)，延長發(fā)動機壽命。

氫燃料電池系統(tǒng)中的加熱器以及空氣泵等組件的工作電壓介于燃料電池發(fā)動機輸出電壓以及DC/DC變換器的輸出電壓之間，與兩者皆不相同，需要通過DCL將DC/DC的電壓轉(zhuǎn)換成適合其工作電壓范圍的電源，以滿足其使用。

由于氫氣作為一種易燃易爆氣體，在使用過程中，一旦發(fā)生氫氣泄露，很容易產(chǎn)生安全風(fēng)險，對車輛以及周圍的人員、環(huán)境等帶來安全隱患。所以在氫氣使用過程中，需要對燃料電池系統(tǒng)的氫氣壓力及系統(tǒng)周圍的氫氣濃度進行實時監(jiān)測，以確保車輛以及人員的安全。

3 氫燃料電池商用車電氣原理設(shè)計

3.1 氫燃料電池商用車高壓電氣原理設(shè)計

氫燃料電池商用車高壓系統(tǒng)主要包括氫燃料電池發(fā)動機、升壓DC/DC變換器、DCL變換器、加熱器、空氣泵，動力電池、動力電池高壓盒、集成控制器、電動空調(diào)壓縮機、PTC電加熱、電動助力轉(zhuǎn)向油泵電機等。氫燃料電池車輛高壓系統(tǒng)電氣原理拓撲如圖4所示。

圖4 氫燃料電池車輛高壓系統(tǒng)電氣原理拓撲

3.2 氫燃料電池商用車低壓電氣配電原理設(shè)計

氫燃料電池商用車低壓電氣系統(tǒng)配電設(shè)計，主要分為兩部分：一部分是氫燃料電池系統(tǒng)低壓配電設(shè)計，另一部分是純電動部分底盤低壓配電設(shè)計。這里著重介紹燃料電池低壓系統(tǒng)配電設(shè)計，純電動部分底盤低壓配電設(shè)計在這里不做介紹。

氫燃料電池系統(tǒng)低壓部分主要有：空氣流量計、氫濃度傳感器、氫系統(tǒng)控制器、氫循環(huán)泵、氫尾排系統(tǒng)控制器、燃料電池冷卻風(fēng)扇、燃料電池冷卻水泵、燃料電池升壓DC/DC、燃料電池DCL、燃料電池系統(tǒng)控制器等。

當(dāng)車輛上高壓后，燃料電池系統(tǒng)低壓供電，如車輛SOC達到整車控制策略的限值（如30%）時，燃料電池堆開始工作，系統(tǒng)給整車提供動力電，并根據(jù)其工作時的整車實際工況，燃料電池系統(tǒng)參與整車不同的工作工況。

而在整車需要下電或者需要關(guān)閉氫燃料電池系統(tǒng)，如果外界溫度過低時，氫燃料電池系統(tǒng)還需要進行氫尾排管的吹掃工作，以避免管中的冷凝水結(jié)冰，影響系統(tǒng)的使用。因此，整車在設(shè)計時，必須要考慮燃料電池系統(tǒng)的延時下電，確保燃料電池系統(tǒng)的正常使用和可靠性。

氫燃料電池系統(tǒng)低壓配電原理如圖5所示。

圖5 氫燃料電池系統(tǒng)低壓配電原理

4 氫燃料電池系統(tǒng)的控制設(shè)計

氫燃料電池系統(tǒng)工作的控制流程如圖6所示。

整車上低壓電后，控制氫燃料電池系統(tǒng)低壓上電，低壓上電后，氫燃料電池控制系統(tǒng)處于待機狀態(tài)。然后整車上高壓，氫燃料電池系統(tǒng)開始工作。氫燃料電池系統(tǒng)工作后，向整車控制反饋系統(tǒng)狀態(tài)以及可加載功率，整車根據(jù)運行工況信息結(jié)合氫燃料電池可加載功率，控制氫燃料電池系統(tǒng)的功率輸出。

當(dāng)車輛需要下電或者需要氫燃料電池系統(tǒng)關(guān)機時，整車控制器向氫燃料電池系統(tǒng)發(fā)送關(guān)機指令，氫燃料電池系統(tǒng)根據(jù)整車控制器指令，依次進行系統(tǒng)降載、關(guān)機等指令。如果外界溫度過低時，氫燃料電池系統(tǒng)還需要進行氫尾排管的吹掃工作，以避免管中的冷凝水結(jié)冰，影響系統(tǒng)的使用。氫燃料電池系統(tǒng)關(guān)機后，向整車控制器反饋系統(tǒng)關(guān)閉成功狀態(tài)信息。

圖6 燃料電池系統(tǒng)控制流程示意

就整車下電情況下氫燃料電池系統(tǒng)的關(guān)閉流程而言，由于燃料電池系統(tǒng)關(guān)閉前必須考慮進行氫尾排系統(tǒng)的吹掃過程，整車控制器需要為燃料電池系統(tǒng)設(shè)計延時下電功能，待氫燃料電池系統(tǒng)吹掃完成并系統(tǒng)關(guān)閉后，整車控制器再執(zhí)行后續(xù)下電操作。

5 氫燃料電池商用車安全設(shè)計

由于氫氣屬于無色無味氣體，易燃，遇熱或明火會發(fā)生爆炸，因此氫燃料電池商用車在設(shè)計過程中應(yīng)尤其注意安全設(shè)計問題。

5.1 燃料電池堆的氫安全設(shè)計

燃料電池堆的氫安全設(shè)計方面，除了保證燃料電池堆能夠承受預(yù)期的沖擊、振動以及溫度產(chǎn)生的應(yīng)力外，還需要考慮其系統(tǒng)內(nèi)部的通風(fēng)設(shè)計以及氫泄露的在線監(jiān)測設(shè)計。

5.2 儲氫系統(tǒng)的氫安全設(shè)計

1）氫瓶、氫氣管路以及管路上用的閥門等部件，在設(shè)計時必須考慮發(fā)生氫脆的情況。

2）氫瓶、氫管路的氫氣壓力狀況實時監(jiān)測。

3）氫系統(tǒng)的氫氣泄露監(jiān)測，針對氫瓶、管路接頭等易泄露的地方進行多點泄露監(jiān)測，當(dāng)監(jiān)測到氫氣濃度超過一定的限值時，觸發(fā)報警或者直接上報整車并關(guān)閉燃料電池系統(tǒng)。

5.3 整車安全設(shè)計

1）整車上對于氫系統(tǒng)可能產(chǎn)生靜電的地方要可靠搭鐵，搭鐵點應(yīng)使用焊接螺母，螺栓采用如圖7所示具有除漆功能的螺栓，供氫系統(tǒng)外殼與搭鐵端子間的電阻應(yīng)小于50mΩ。

圖7 搭鐵螺栓

2）對于可能產(chǎn)生靜電的地方進行氫泄漏量及濃度控制，以使得即便產(chǎn)生靜電也不會發(fā)生安全問題。

3）通過整車實施監(jiān)測氫系統(tǒng)運行狀態(tài)，如發(fā)生氫氣泄露、絕緣降低等可能影響到車輛以及人員安全的風(fēng)險時，由整車控制器執(zhí)行整車安全管理策略，降低整車安全風(fēng)險。

6 結(jié)束語

氫燃料電池商用車作為一種新能源汽車的發(fā)展方向，可以解決純電動汽車里程焦慮問題。同時，氫燃料電池汽車使用過程的尾氣排放污染物幾乎為0，一旦解決了燃料電池系統(tǒng)中所用的氫燃料的生產(chǎn)、儲存、運輸、加注以及氫能安全問題，氫燃料電池商用車將會迎來一個爆發(fā)式的發(fā)展和增長。