氫燃料電池公交車常見故障及處理方法

劉 珂

（濟(jì)南公共交通集團(tuán)有限公司，濟(jì)南 250013）

1 研究背景

2020 年9 月，我國提出了2030 年“碳達(dá)峰”與2060 年“碳中和”的節(jié)能減排目標(biāo)，意味著要將傳統(tǒng)化石能源為主的能源體系轉(zhuǎn)變?yōu)橐钥稍偕茉礊橹鲗?dǎo)、多能互補(bǔ)的能源體系，進(jìn)而促進(jìn)我國能源及相關(guān)工業(yè)升級(jí)。為推動(dòng)我國新能源汽車產(chǎn)業(yè)持續(xù)健康、科學(xué)有序發(fā)展，2020 年9 月，財(cái)政部、工業(yè)和信息化部、科技部、發(fā)展改革委、國家能源局聯(lián)合發(fā)布了《關(guān)于開展燃料電池汽車示范應(yīng)用的通知》[1]，明確提出“調(diào)整補(bǔ)貼方式，開展燃料電池汽車示范應(yīng)用”規(guī)劃，確定了到2025 年實(shí)現(xiàn)超過3 萬輛燃料電池汽車的應(yīng)用推廣目標(biāo)。2021年6 月，濟(jì)南市政府發(fā)布了《關(guān)于加快新能源汽車推廣應(yīng)用的若干政策》[2]，明確在公交領(lǐng)域支持氫燃料電池公交車示范推廣運(yùn)行。目前，濟(jì)南市已在K106、K230、K265 等多條公交線路示范運(yùn)行60 輛10.5m 氫燃料電池公交車，并建設(shè)了一座1000kg/d標(biāo)準(zhǔn)加氫站。2019 年11 月至2022 年底，示范車輛累計(jì)運(yùn)送乘客683 萬人次，示范運(yùn)行里程已超過600 萬km，經(jīng)測算，已替代燃油消耗1305t，節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤相當(dāng)1902t，減少碳排放4742t。

2 氫燃料電池公交車動(dòng)力總成結(jié)構(gòu)和電-電混合驅(qū)動(dòng)策略

2.1 動(dòng)力總成結(jié)構(gòu)

氫燃料電池公交車動(dòng)力總成采用濰柴動(dòng)力生產(chǎn)的50kW 氫燃料電池系統(tǒng)，電堆額定功率63kW、體積功率密度2.5kW/L，發(fā)電效率達(dá)到59%。車輛配備105kWh 的磷酸鐵鋰電池及功率100kW 的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。車輛頂部安裝35MPa 儲(chǔ)氫瓶6 個(gè)，每個(gè)容量140L，加氫一次可以行駛大于300km。圖1為氫燃料電池公交車動(dòng)力總成結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 氫燃料電池公交車動(dòng)力總成結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 電-電混合驅(qū)動(dòng)策略

城市公交車經(jīng)常運(yùn)行在低車速、頻繁啟停、加速與制動(dòng)等工況，為適應(yīng)其工況特征，示范運(yùn)行的氫燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)采用了“電-電混合動(dòng)力”技術(shù)路線[3]，即氫燃料電池系統(tǒng)與鋰離子動(dòng)力電池組并聯(lián)驅(qū)動(dòng)方式，由鋰電池提供公交車啟動(dòng)、加速等非穩(wěn)態(tài)下所需的功率輸出，而氫燃料電池系統(tǒng)則用來提供穩(wěn)定工況下的功率輸出。這種方案不僅解決了氫燃料電池動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度較慢的問題，還可大大延長燃料電池的壽命，同時(shí)在急加速、爬坡、高速大功率運(yùn)行工況時(shí)，由氫燃料電池系統(tǒng)與鋰離子動(dòng)力電池組聯(lián)合提供強(qiáng)勁的動(dòng)力輸出，滿足了車輛動(dòng)力需求。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，氫燃料電池城市客車與同等功率的傳統(tǒng)燃油城市客車相比，最大爬坡度、0-50km/h 加速時(shí)間等指標(biāo)明顯優(yōu)于傳統(tǒng)燃油城市客車[4]。圖2 為氫燃料電池公交車電-電混合驅(qū)動(dòng)策略示意圖。

3 示范運(yùn)行過程出現(xiàn)的常見故障及處理方法

統(tǒng)計(jì)表明，在3 年多示范運(yùn)行過程中出現(xiàn)的故障主要集中在氫燃料電池系統(tǒng)及供氫系統(tǒng)等方面。

3.1 氫燃料電池系統(tǒng)故障及處置

質(zhì)子交換膜氫燃料電池（proton exchange membrane fuel cell，簡稱PEMFC）故障主要為電堆故障、控制系統(tǒng)故障、機(jī)械因素故障等。

（1）燃料電池單體故障。主要表現(xiàn)為質(zhì)子交換膜故障和膜的機(jī)械衰減。①拆解表明，運(yùn)行一段時(shí)間的燃料電池單體故障通常是電池內(nèi)部水含量過高產(chǎn)生的水淹以及膜電極過干故障，觀察發(fā)現(xiàn)，氣體擴(kuò)散層和流道的水淹現(xiàn)象使得催化劑活性面積因水的覆蓋而減少；而膜干故障會(huì)引起電阻率上升，使得PEMFC 在運(yùn)行過程中產(chǎn)熱增加，甚至造成膜穿孔，嚴(yán)重影響輸出性能和PEMFC 工作壽命。②示范運(yùn)行過程中，對(duì)質(zhì)子交換膜機(jī)械衰減（蠕變、開裂、針孔）現(xiàn)象產(chǎn)生的原因進(jìn)行了分析，拆檢結(jié)果表明，除制備膜電極時(shí)產(chǎn)生的缺陷之外，運(yùn)維過程中拆檢造成的膜電極裝配變形、電堆裝配過程中造成的雙極板預(yù)緊力不均勻、雙極板流道形狀對(duì)膜電極形成的機(jī)械應(yīng)力等是造成其機(jī)械衰減的主要因素，因此，電堆拆檢過程中嚴(yán)格遵守運(yùn)維操作規(guī)范是必要的，這與季文嬌的研究結(jié)果[5]也是一致的。

（2）控制系統(tǒng)故障。在運(yùn)維過程中，硬件故障包括供電電路供電不穩(wěn)或供電品質(zhì)不佳導(dǎo)致微處理器、檢測電路、控制電路和通信電路無法正常工作，出現(xiàn)故障碼報(bào)警。軟件故障主要包括干擾引起的控制軟件失效和通信錯(cuò)誤引起的失效，出現(xiàn)故障碼報(bào)警；或者由于工作條件和環(huán)境的變化，控制策略和控制算法尚不完善造成控制精度差和響應(yīng)速度慢也屬于軟件故障。例如，冬季氣溫低（-15℃），系統(tǒng)關(guān)機(jī)時(shí)報(bào)空壓機(jī)故障碼，經(jīng)采集燃料電池系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)故障原因?yàn)槎練鉁剡^低，燃料電池系統(tǒng)關(guān)機(jī)時(shí)觸發(fā)冷關(guān)機(jī)吹掃，吹掃時(shí)間增加（最長≥6min），由于吹掃過程中空壓機(jī)及控制器和DC 升壓工作溫度較低，未觸發(fā)整車輔助水路水泵起轉(zhuǎn)閾值，水泵不工作，同時(shí)空壓機(jī)控制器內(nèi)部采樣溫度點(diǎn)不全面，未完成關(guān)機(jī)時(shí)出現(xiàn)內(nèi)部局部過溫，故而引發(fā)燃料電池系統(tǒng)關(guān)機(jī)。針對(duì)這個(gè)問題，結(jié)合燃料電池系統(tǒng)工作狀態(tài)，修改并優(yōu)化了整車電子水泵起轉(zhuǎn)控制策略，明確了燃料電池開啟水泵即工作，解決了環(huán)境溫度變化引起的系統(tǒng)故障。

（3）機(jī)械因素故障。燃料電池系統(tǒng)中的風(fēng)機(jī)、氫氣循環(huán)泵和循環(huán)水泵含有電機(jī)的旋轉(zhuǎn)機(jī)械，示范運(yùn)行過程中發(fā)現(xiàn)軸系不對(duì)中、熱彎曲、質(zhì)量動(dòng)不平衡等，引起轉(zhuǎn)子的磨損、轉(zhuǎn)軸變形和振動(dòng)等運(yùn)轉(zhuǎn)問題，由此造成機(jī)械因素故障有：旋轉(zhuǎn)機(jī)械的支架斷裂、軸承損壞、電機(jī)短路等故障；還有電堆裝配施壓不均勻?qū)е碌哪る姌O及相關(guān)組件的變形和損壞、雙極板流場通道變形、流體進(jìn)出口壓力損失增加，不利于反應(yīng)氣體以及冷卻水在通道內(nèi)的均勻分布等。還有，示范運(yùn)行初期，車輛電堆散熱風(fēng)扇轉(zhuǎn)速變高、電堆工作噪音等機(jī)械故障時(shí)有發(fā)生，解剖分析了水溫和風(fēng)扇開啟邏輯，判定為石蠟節(jié)溫器故障，其原因?yàn)椴糠周囕v的節(jié)溫器開啟軸安裝不垂直，導(dǎo)致工作時(shí)節(jié)溫器未全部打開，致使風(fēng)扇轉(zhuǎn)速變高、噪聲振動(dòng)變大，將運(yùn)行車輛的節(jié)溫器安裝位置重新調(diào)整后，再無此故障現(xiàn)象。

3.2 車載供氫系統(tǒng)故障及處置

示范運(yùn)行以來，氫燃料電池供氫系統(tǒng)常見故障有電堆進(jìn)出氫氣管路破裂、氫氣循環(huán)泵管道破裂、氣水分離器破裂漏氣、控制器損壞等，這類故障主要發(fā)生在寒冷的冬季。例如：

（1）2020 年示范運(yùn)行過程中，有十幾輛車報(bào)備“氫氣進(jìn)氣壓力低”故障碼，經(jīng)現(xiàn)場氣密性檢測，發(fā)現(xiàn)供氫系統(tǒng)中電堆氫進(jìn)氣金屬軟管接頭焊縫處漏氣，如圖3 所示。

圖3 氫氣泄漏故障復(fù)現(xiàn)

經(jīng)剖切故障軟管發(fā)現(xiàn)，軟管接頭處的焊縫存在明顯裂紋。進(jìn)一步對(duì)故障軟管接頭委托專業(yè)第三方檢測機(jī)構(gòu)做熒光及X 光檢測，發(fā)現(xiàn)氫進(jìn)氣軟管泄漏端環(huán)形焊縫質(zhì)量達(dá)不到國標(biāo)（GB/T 14525-2010）對(duì)環(huán)形焊縫不低于Ⅲ級(jí)的要求，顯然氫氣進(jìn)氣金屬軟管接頭焊縫存在質(zhì)量問題。

針對(duì)該問題，設(shè)計(jì)了全新的埋入式波紋管接頭結(jié)構(gòu)，并采用了內(nèi)外雙層的焊接工藝，改進(jìn)前、后的軟管接頭結(jié)構(gòu)及焊接工藝如圖4（a、b）所示，同時(shí)按照GB/T 14525-2010 對(duì)金屬軟管進(jìn)行了焊縫無損檢測和靜態(tài)彎曲、動(dòng)態(tài)彎曲（≥5 萬次）等試驗(yàn)，結(jié)果表明，改進(jìn)后的軟管接頭達(dá)到國標(biāo)要求。據(jù)此，對(duì)所有示范運(yùn)行的60 輛氫燃料電池公交車氫進(jìn)氣金屬軟管接頭全部更換后，再無此故障發(fā)生。

圖4 改進(jìn)前、后的軟管接頭結(jié)構(gòu)及焊接工藝

（2）燃料電池公交車運(yùn)行過程中還屢次出現(xiàn)多輛整車報(bào)備動(dòng)力不足、出現(xiàn)故障碼報(bào)警“燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率受限”的問題。為此，采集了示范運(yùn)行的整車系統(tǒng)CAN 通信數(shù)據(jù)，經(jīng)確認(rèn)，整車控制器和燃料電池控制器間的通訊正常、燃料電池空氣端工作正常，但氫氣入口供氫壓力為0.55-0.90MPa，而示范運(yùn)行的氫燃料電池公交車電堆額定功率為63kW、設(shè)定的氫系統(tǒng)減壓器后端供氫壓力為0.7-1.0MPa，相應(yīng)的電堆氫氣入口壓力也是0.7-1.0MPa，顯然氫系統(tǒng)減壓器后端供氫壓力與氫氣入口壓力有較大壓降。眾所周知，氫氣入口壓力與電堆的輸出功率密切相關(guān)，進(jìn)一步對(duì)運(yùn)行車輛從減壓器后端管路至電堆氫氣入口進(jìn)行剖析發(fā)現(xiàn)：①原管路較長，管路急拐彎及管接頭較多，增加了氫氣流動(dòng)時(shí)流體力學(xué)意義上的局部和沿途阻力損失，形成壓降。②氫系統(tǒng)主電磁閥通徑為5mm，較連接管路通徑要小。為此，做了供氫系統(tǒng)連接管路的改進(jìn)，如圖5 所示。去除原管路多余的急拐彎及管接頭，并更換為通徑6mm 的主電磁閥，改進(jìn)后的檢測數(shù)據(jù)如圖6 所示，減壓器后端壓力為0.75-1.0MPa，氫氣入口壓力為0.7-0.95MPa。不同運(yùn)行工況下故障碼消除，輸出功率恢復(fù)。

圖5 改進(jìn)后的車載氫系統(tǒng)布置

圖6 改進(jìn)后的示范運(yùn)行整車系統(tǒng)CAN 通信數(shù)據(jù)流

3.3 運(yùn)維過程中需要注意的技術(shù)問題

（1）加強(qiáng)行車前后的日常檢查。制定了具體的巡檢規(guī)范，要求每次出車前后駕駛員都需要對(duì)燃料電池車進(jìn)行必要的條目檢查和記錄。對(duì)裸露在外的供氫系統(tǒng)部件目視檢查，主要包括目測高壓儲(chǔ)氫瓶表面是否有損傷，連接管路和主要接口是否完好，以及氫系統(tǒng)框架是否有裂縫、變形等異?，F(xiàn)象。另外，在管路供氫狀態(tài)下使用肥皂水或檢漏液檢查氫系統(tǒng)的氣密性，主要包括加注接口、加注口壓力表、主電磁閥、減壓閥、安全閥、放空閥及各接頭等，用于提前發(fā)現(xiàn)和防止由于設(shè)備原因?qū)е職錃廨p微泄漏事故的發(fā)生。

（2）行車過程中需注意的事項(xiàng)。燃料電池公交車啟動(dòng)后，應(yīng)先查看儀表盤氣瓶壓力和溫度數(shù)據(jù)是否正常，有無故障碼報(bào)警，確認(rèn)無故障碼后車輛方可起步行駛。燃料電池公交車配備的儲(chǔ)氫瓶組位于車輛頂部，車輛在行駛過程中需注意限高桿、路牌、橋梁和樹干等，防止刮傷氣瓶及其組件導(dǎo)致氫氣泄漏。車輛在行駛過程中，駕乘人員要及時(shí)關(guān)注車輛儀表報(bào)警的情況，發(fā)生氫氣泄漏等問題時(shí)，要及時(shí)處理。

（3）燃料電池公交車停車中的安全。燃料電池公交車存放期間，要確保場地通道通風(fēng)條件良好，車輛加氫口必須蓋上帽蓋，防止雨水及灰塵侵入，同時(shí)必須確保加氫口艙門處于鎖閉狀態(tài)。對(duì)于運(yùn)營用燃料電池車輛，建議集中存放、集中管理，存放位置要遠(yuǎn)離加油站、加氣站、熱源、火源、腐蝕性氣體。

4 結(jié)語

本文在分析了電-電混合動(dòng)力氫燃料電池公交車的主要結(jié)構(gòu)特征和運(yùn)行工況特點(diǎn)基礎(chǔ)上，就示范運(yùn)行里程已超過600 萬km 的60 輛氫燃料電池公交車運(yùn)營過程中經(jīng)常出現(xiàn)的代表性技術(shù)故障及解決方案進(jìn)行了匯總和分析。除電堆的膜故障和膜的機(jī)械衰減外，對(duì)機(jī)械故障需要進(jìn)一步優(yōu)化電堆的附屬零部件結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)制造工藝，降低車輛共振與部件早期磨損與損壞；在車輛示范運(yùn)行中，應(yīng)制定明確的管理規(guī)范，針對(duì)系統(tǒng)易出現(xiàn)的故障要嚴(yán)格按照維修工藝定期對(duì)部件進(jìn)行測漏巡檢等；在車輛使用中要注意觀察儀表，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障碼報(bào)警，同時(shí)還要利用局域網(wǎng)監(jiān)控平臺(tái)做好故障監(jiān)管。