閆柱，徐紅升，張彪

陜西汽車控股集團(tuán)有限公司 陜西西安 710042

氫能是實(shí)現(xiàn)我國(guó)清潔能源利用、能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的重要能源，氫氣來源多樣，可以實(shí)現(xiàn)可再生能源的大規(guī)模穩(wěn)定存儲(chǔ)、運(yùn)輸及利用，是未來清潔能源轉(zhuǎn)型的重要保障。作為氫能在交通領(lǐng)域的重要應(yīng)用場(chǎng)景，氫燃料汽車是全球汽車動(dòng)力電動(dòng)化轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要方向，氫燃料電池汽車具有使用階段零排放、能源利用率高、噪聲低的突出優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)國(guó)家發(fā)展規(guī)劃，到2035年實(shí)現(xiàn)氫燃料電池汽車大規(guī)模的推廣應(yīng)用，燃料電池汽車規(guī)模在80萬～100萬輛的規(guī)模[1]。氫燃料電池重型貨車作為燃料電池汽車的重要組成部分，可以有效緩解能源和環(huán)境壓力，從根本上應(yīng)對(duì)人類面臨的能源和環(huán)保兩大嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

氫燃料電池重型貨車技術(shù)線路及基本工作原理

1.氫燃料電池重型貨車技術(shù)線路

燃料電池重型貨車目前主要的技術(shù)線路有3種：增程式、混合功率模式以及全功率模式[2]。

（1）增程式 采用小功率燃料電池和較大電量的動(dòng)力電池匹配方案。驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)需要的電能全部由動(dòng)力電池提供，燃料電池產(chǎn)生的電只供給動(dòng)力電池，不用輸出給驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。

（2）混合功率模式 燃料電池工作產(chǎn)生電能在整車功率需求較大時(shí)直接傳輸給驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，參與整車驅(qū)動(dòng)；在整車功率需求較小時(shí)，燃料電池工作產(chǎn)生電能傳輸?shù)絼?dòng)力電池，存儲(chǔ)在動(dòng)力電池內(nèi)。

（3）全功率模式 驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)所需要的驅(qū)動(dòng)電量全部由燃料電池提供，動(dòng)力電池僅在能量回收時(shí)使用。

2.氫燃料電池重型貨車基本工作原理

如圖1所示，氫燃料電池是指質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC），基本工作原理為：燃料電池中氫氣與氧氣在常溫下發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生電能并釋放出水，電能經(jīng)控制器調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換后，與動(dòng)力電池并聯(lián)，共同向驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)輸出電能，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)將輸入的電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能驅(qū)動(dòng)汽車行駛。當(dāng)電動(dòng)機(jī)負(fù)載較高時(shí)，燃料電池和動(dòng)力電池同時(shí)輸出電能給驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，以滿足車輛的動(dòng)力性要求；當(dāng)電動(dòng)機(jī)負(fù)載較低時(shí)，燃料電池則可將多余的電能輸送給動(dòng)力電池對(duì)其進(jìn)行充電，補(bǔ)充其在大功率需求所消耗的電能，使動(dòng)力電池始終維持在最佳的SOC狀態(tài)。此外，汽車還具有制動(dòng)能量回收功能，當(dāng)車輛減速時(shí)可以將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，提高車輛的能量利用率。

圖1 氫燃料重型貨車基本原理

氫燃料電池重型貨車與純電動(dòng)重型貨車產(chǎn)品差異分析

根據(jù)氫燃料電池重型貨車技術(shù)路線及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，燃料電池重型貨車實(shí)現(xiàn)了燃料電池系統(tǒng)、供氫系統(tǒng)、純電動(dòng)重型貨車的有效結(jié)合，因此在分析氫燃料重型貨車裝配工藝及質(zhì)量控制要素的過程中，主要是在純電動(dòng)重型貨車的基礎(chǔ)上按照差異化、模塊化分析。經(jīng)過分析，氫燃料電池重型貨車在總裝配方面的差異主要是燃料電池堆與熱管理系統(tǒng)裝配、儲(chǔ)氫系統(tǒng)裝配及管路密封性檢測(cè)、氫氣置換及氫氣加注。

氫燃料電池重型貨車裝配工藝與質(zhì)量控制要素

1.氫燃料電池重型貨車總裝配工藝流程

氫燃料電池重型貨車總裝配工藝流程如圖2所示。

圖2 氫燃料重型貨車總裝工藝流程

2.燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)工藝與質(zhì)量控制要素分析

氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意如圖3所示。燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)主要對(duì)車輛行駛過程中的電堆運(yùn)行可靠性及電導(dǎo)率進(jìn)行控制，在車輛裝配過程中主要的工藝控制要素是電堆懸置系統(tǒng)緊固件防松及電導(dǎo)率控制。

圖3 氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意

電堆緊固件防松主要從緊固件擰緊力矩及螺紋部分涂膠兩個(gè)方面控制，具體規(guī)格緊固件擰緊力矩要求為M12螺栓擰緊力矩（280±28）N·m，M14螺栓擰緊力矩（280±28）N·m，M16螺栓擰緊力矩（280±28）N·m。為保證緊固件更好防松效果，要求在螺紋部分涂HT-7262或其他同等規(guī)格的螺紋鎖固膠。同時(shí)裝配過程中為避免電堆在吊裝過程中的螺紋損壞，盡量避免使用撬棍在減振墊螺紋孔進(jìn)行下落定位。

電堆電導(dǎo)率控制主要是對(duì)電堆冷卻模塊電導(dǎo)率的控制，主要從冷卻模塊電導(dǎo)率測(cè)試、清洗及冷卻液三個(gè)方面控制。

1）裝配前必須使用電導(dǎo)率測(cè)試設(shè)備對(duì)管路、散熱器等接觸冷卻液的零部件進(jìn)行電導(dǎo)率測(cè)試，要求25℃時(shí)，電導(dǎo)率值＜2μs/cm。

2）電堆首次加注冷卻液前必須用去離子水清洗冷卻系統(tǒng)管路內(nèi)部，清洗完成后要求25℃時(shí)，冷卻液電導(dǎo)率值＜2μm/cm。

3）電堆采用專用冷卻模塊，冷卻液需采用去離子水+乙二醇專用冷卻液。

3.供氫系統(tǒng)裝配及管路密封性檢測(cè)裝配工藝與質(zhì)量控制要素分析

供氫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。對(duì)于供氫系統(tǒng)來說，其與CNG相似，都是采用高壓氣態(tài)燃料，氣瓶框架、氣瓶及管路結(jié)構(gòu)相類似。但是不同之處氫氣壓力為35MPa和70MPa，相對(duì)CNG壓力更高。同時(shí)氫氣是極度易燃易爆的高能量氣體，高壓氫氣對(duì)存儲(chǔ)裝置的密封性、耐沖擊性、可靠性等方面要求苛刻。因此針對(duì)供氫系統(tǒng)三個(gè)方面的嚴(yán)苛要求，在產(chǎn)品總裝環(huán)節(jié)需對(duì)管路布置與固定、供氫管路管接頭擰緊與氣密性檢測(cè)三個(gè)方面進(jìn)行控制。

圖4 供氫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

供氫管路在車輛運(yùn)行過車中關(guān)鍵控制要素主要是抗震，以避免環(huán)境溫度及振動(dòng)的影響，因此在管路布置與固定方面主要工藝與質(zhì)量控制要求如下：

1）在設(shè)計(jì)和裝配過程中管路需將兩個(gè)部件之間的剛性連接管路可設(shè)計(jì)成O形、S形或U形等，能消除熱脹冷縮及振動(dòng)影響的結(jié)構(gòu)。

2）增加管路固定點(diǎn)，高壓剛性固定卡間距應(yīng)不大于600 mm。

3）若相鄰部件可能會(huì)發(fā)生相對(duì)位移，需要設(shè)計(jì)為柔性管路。對(duì)于柔性管路每隔300mm需要增加固定點(diǎn)，同時(shí)柔性管路長(zhǎng)度需預(yù)留一定長(zhǎng)度，允許振動(dòng)產(chǎn)生的位移。

4）管路布置應(yīng)排列整齊、布置合理，各管路在使用中不因變形而與其他部件接觸，不應(yīng)穿越牽引車與掛車。

供氫管路管螺紋擰緊控制，供氫管路系統(tǒng)接頭采用雙卡套結(jié)構(gòu)，由前、后卡套、鉸鏈點(diǎn)、卡套螺母及接頭本體組成，如圖5所示。該卡套在結(jié)構(gòu)形式上前卡套推入接頭體形成主密封，后卡套向內(nèi)產(chǎn)生鉸鏈作用以對(duì)卡套管形成強(qiáng)有力的抓緊，這種結(jié)構(gòu)需要很小的擰緊力矩，根據(jù)卡套螺母的規(guī)格，具體擰緊力矩見表1。

圖5 供氫管路管接頭結(jié)構(gòu)示意

表1 氫氣管路接頭擰緊力矩 （單位：N·m）

供氫系統(tǒng)氣密性檢測(cè)主要操作分為氮?dú)?氦氣氣密性試驗(yàn)、氫氣氣密性試驗(yàn)、氫氣泄漏量試驗(yàn)。氮?dú)?氦氣氣密性試驗(yàn)是在供氫管路裝配完成之后，首次進(jìn)行氣密性試驗(yàn)。其主要是通過打壓機(jī)將氮?dú)?氦氣分別在不同壓力下保壓一定時(shí)間使用檢漏液檢測(cè)。氫氣氣密性試驗(yàn)是在氮?dú)?氦氣氣密性試驗(yàn)合格之后，使用氫氣在不同壓力下進(jìn)氣氣密性測(cè)試。氫氣泄漏量試驗(yàn)將試驗(yàn)車輛的儲(chǔ)氫容器加注至100%的額定工作壓，在某一個(gè)時(shí)間周期內(nèi)檢測(cè)整個(gè)供氫系統(tǒng)的密封性。氮?dú)?氦氣氣密性試驗(yàn)、氫氣氣密性試驗(yàn)要求100%進(jìn)行檢測(cè)。氫氣泄漏量試驗(yàn)同批次不定期隨機(jī)抽檢一套進(jìn)行檢測(cè)。具體要求見表2。

表2 供氫系統(tǒng)氣密性試驗(yàn)要求

4.氫氣瓶氫氣置換操作工藝要求

氫氣瓶首次加氫需要進(jìn)行氣體置換，將氮?dú)庵脫Q成氫氣，具體氫氣置換工藝要求如下：

步驟一，確定周圍環(huán)境安全，車輛需下電，并關(guān)閉24V電源總開關(guān)，確定氫氣進(jìn)入電堆的限流閥關(guān)閉。

步驟二，連接加氫槍和加注口，利用加注機(jī)將氫氣加注到氣瓶中，加注至2MPa[3]，斷開加氫槍，通過排氣口將氫氣瓶中氣體排出，一手指感覺排氣口處無氣流輸出視為排空完成。

步驟三，重復(fù)步驟二動(dòng)作2次視為置換完成。

5.氫氣加注工藝流程

目前根據(jù)不同的情況主流加氫方式主要有小型撬裝式氫氣加注機(jī)、常壓加注及加氫站高壓加注，主機(jī)廠可根據(jù)實(shí)際情況選擇不同加氫方式。

加氫過程中主要控制因素是安全操作，具體加氫步驟與要求如下：

步驟一，加氫前車輛需下電，并關(guān)閉24V電源總開關(guān)，車輛禁止加氫指示燈亮?xí)r，供氫管路未斷開，不允許加氫，燈滅時(shí)方可進(jìn)行加氫操作。

步驟二，加氫時(shí)，嚴(yán)格按照加氫操作規(guī)范。充氣壓力不得高于供氫系統(tǒng)的需用壓力，周邊嚴(yán)禁煙火，排空閥為常閉閥門，不得私自打開，只有管路系統(tǒng)檢修時(shí)由專業(yè)維護(hù)人員打開。

步驟三，加氫完成后，應(yīng)確認(rèn)加氫槍拔掉，合上防塵塞并關(guān)閉加氫口蓋板，起動(dòng)車輛。

結(jié)語

根據(jù)氫燃料電池車整車裝配技術(shù)要求，梳理了整車裝配的工藝流程，對(duì)氫燃料電池重型貨車與純電動(dòng)重型貨車在產(chǎn)品裝配工藝方面的差異進(jìn)行了分析。對(duì)燃料電池重型貨車特有的燃料電池系統(tǒng)、供氫系統(tǒng)，針對(duì)其裝配工藝方法與質(zhì)量控制要素，著重進(jìn)行了探討，對(duì)今后的氫燃料電池重型貨車總裝配工作具有一定的指導(dǎo)意義。