亓立剛

摘 要：氫能源商用車動(dòng)力系統(tǒng)具有能量轉(zhuǎn)化效率高、環(huán)境污染、噪聲低等特點(diǎn)，應(yīng)用范圍比較廣。氫能源商用車動(dòng)力系統(tǒng)在無(wú)人機(jī)、熱電聯(lián)供系統(tǒng)等應(yīng)用不斷地增多，其應(yīng)用價(jià)值比較高，并且改變了人們的日常生活，當(dāng)前氫能源在商用車動(dòng)力系統(tǒng)運(yùn)用比較多。本文是針對(duì)氫能源商用車動(dòng)力系統(tǒng)的集成情況進(jìn)行分析，了解這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用情況，希望可以促進(jìn)商用車對(duì)于氫能源的運(yùn)用，促進(jìn)動(dòng)力系統(tǒng)的集成研究。

關(guān)鍵詞：氫能源商用車 動(dòng)力系統(tǒng) 集成 分析

Integrated Analysis of Hydrogen Energy Commercial Vehicle Power System

Qi Ligang

Abstract：The power system of hydrogen energy commercial vehicle has the characteristics of high energy conversion efficiency， environmental pollution and low noise， and has a wide range of applications. Hydrogen energy commercial vehicle power system in UAV， combined heat and power system and other applications， continues to increase， and its application value is relatively high， and changes people's daily life. Hydrogen energy in commercial vehicle power system application is widely applied. This paper analyzes the integration of hydrogen energy commercial vehicle power systems， understands the development and application of this technology， and hopes to promote the use of hydrogen energy in commercial vehicles and promote the integration research of power systems.

Key words：hydrogen energy commercial vehicles， powertrain， integration， analysis

氫能源商用汽車是采用氫氣作為動(dòng)力能源，燃料系統(tǒng)為氫，主要是通過(guò)氫氣與氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生的能量，這種技術(shù)不會(huì)有任何碳化物，并且實(shí)現(xiàn)了零排放，具有良好的環(huán)保效果。氫能源商用車動(dòng)力系統(tǒng)續(xù)航能力在五百千米以上，當(dāng)前研究不斷地完善，隨著氫氣瓶的增加續(xù)航里程也能夠不斷地提高。當(dāng)前氫能源商用汽車的研究不斷增加，使用環(huán)境也在不斷地完善，在40度以下溫度中也能夠啟動(dòng)氫能源商用車，這項(xiàng)技術(shù)在不斷地推廣，并且在寒冷地區(qū)也在不斷，這也說(shuō)明氫能源商用汽車的應(yīng)用價(jià)值及具有良好的發(fā)展空間[1]。氫能源商務(wù)車動(dòng)力系統(tǒng)集成比較完善，在不斷地改善其具有良好的應(yīng)用價(jià)值。

1 氫能源商用車動(dòng)力系統(tǒng)概述

1.1 氫能源商用車動(dòng)力系統(tǒng)原理

氫能源商務(wù)汽車燃料電池系統(tǒng)為氫氣、氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的場(chǎng)所，可以將電流集合輸出，并且在這個(gè)過(guò)程中系統(tǒng)可以給燃料電池供給氫氣和氧氣，在這個(gè)過(guò)程中可以控制溫度，降低在化學(xué)反應(yīng)中產(chǎn)生的熱量，這樣能夠保證電池系統(tǒng)正常運(yùn)行。氫能源汽車動(dòng)力系統(tǒng)研究中要對(duì)其電池系統(tǒng)進(jìn)行重點(diǎn)分析，這是汽車行駛的關(guān)鍵，由于燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)集成比較復(fù)雜，并且可能會(huì)出現(xiàn)反應(yīng)，因此需要充分的了解其實(shí)際運(yùn)行情況[2]。氫能源商用汽車的燃料電池分為氫氣、空氣、冷卻電路等系統(tǒng)，其中氫氣路是由高壓氫瓶、氫氣循環(huán)泵等組成可以降壓至燃料電池所需要的數(shù)值；空氣路可以將氧氣推給電路，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；冷卻水路是為了控制當(dāng)前電池的溫度，避免溫度過(guò)高而出現(xiàn)意外情況，電路是連接車輛各種設(shè)備將產(chǎn)生的電供給各個(gè)系統(tǒng)。

1.2 氫能源商用車動(dòng)力系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)

氫能源商用車動(dòng)力系統(tǒng)是采用氫氣為動(dòng)力，能源燃料電池系統(tǒng)中與氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生電能經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)化處理后能夠保證汽車行駛中氫氣與氧氣發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)物只有熱量。水和電不會(huì)有碳化物，這就能夠?qū)崿F(xiàn)零排放，降低對(duì)環(huán)境的污染程度[3]。氫能源商用汽車除了環(huán)保還有其他優(yōu)勢(shì)，加氫時(shí)間短，一般需要3～5分鐘就可以將氫氣加滿，因此其充電的時(shí)間比較短，能夠滿足汽車運(yùn)行的要求。同時(shí)車輛續(xù)航的里程可以控制，一般是在500千米以上，可以有效地改善用戶對(duì)于續(xù)航的擔(dān)心。氫能源商用車動(dòng)力系統(tǒng)續(xù)航能力與車輛的氫量有較大的關(guān)系，增加氫氣的容量，就可以提高整車的續(xù)航能力[4]。在結(jié)合整車成本的情況下，可以調(diào)節(jié)氫氣的容積，提高其續(xù)航能力。氫能源商用汽車的地域限制性比較小，在20度以下的溫度也能夠啟動(dòng)，因此可以在北方推廣氫能源商用汽車。并且隨著技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)有相關(guān)公司在研究零下40攝氏度環(huán)境中汽車啟動(dòng)情況，若是研發(fā)成功就可以在寒冷地區(qū)啟動(dòng)。氫氣的來(lái)源比較廣，可以通過(guò)化學(xué)制劑、水電解制氫和等離子等制氫，其來(lái)源比較多，不受原料的限制可以滿足行駛的要求，并且能夠降低其應(yīng)用限制。

1.3 氫能源商用車動(dòng)力系統(tǒng)發(fā)展挑戰(zhàn)

氫能源商用車研發(fā)面臨的挑戰(zhàn)比較多，當(dāng)前氫能源商用車動(dòng)力系統(tǒng)研發(fā)并沒(méi)有明確的標(biāo)準(zhǔn)，并且對(duì)于汽車的續(xù)航能力還有待加強(qiáng)，傳統(tǒng)汽車的續(xù)航能力優(yōu)越性比較高。而氫能源商用車的加氫站建設(shè)并不完善，要想滿足其應(yīng)用要求就需要加氫站，但是其配套設(shè)施并不完善，因此會(huì)影響實(shí)際應(yīng)用效果，并且還會(huì)導(dǎo)致這一產(chǎn)業(yè)發(fā)展受限。而氫能源商用車動(dòng)力系統(tǒng)研發(fā)中，電池零部件系統(tǒng)的完善度不足，并且很多零部件的研發(fā)要求比較高，其成本也比較高，要想滿足其發(fā)展需求，還需要建立供應(yīng)鏈，降低零部件的研發(fā)成本[5]。而當(dāng)前在研發(fā)的過(guò)程中，氫能源商用汽車也缺乏市場(chǎng)政策導(dǎo)向，市場(chǎng)發(fā)展中雖然給予一定的補(bǔ)貼，但是研發(fā)的過(guò)程中需要的資金比較多，因此發(fā)展過(guò)程中資金壓力比較大。

2 氫能源商用車動(dòng)力系統(tǒng)集成零部件分析

氫能源商務(wù)汽車動(dòng)力系統(tǒng)集成中燃料電池系統(tǒng)，需要對(duì)其關(guān)鍵零部件進(jìn)行分析，當(dāng)前這也是汽車技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。氫能源汽車使用的過(guò)程中容易存在異常問(wèn)題，并且在具體處理的過(guò)程中可能會(huì)影響其應(yīng)用范圍，因此要對(duì)其關(guān)鍵零部件進(jìn)行分析，希望可以促進(jìn)其發(fā)展提高其應(yīng)用價(jià)值，促進(jìn)相關(guān)技術(shù)不斷成熟。

2.1 高壓氫瓶

當(dāng)前我國(guó)市場(chǎng)上氫能源商用車研究中動(dòng)力系統(tǒng)中關(guān)鍵的部分就是高壓氫瓶，這是提供動(dòng)力的關(guān)鍵，這種瓶工作壓力一般是在30、70MPa，使用壽命能夠達(dá)到15年以上。高壓氫瓶的瓶身是采用金屬鋁內(nèi)膽制造，當(dāng)前制造高壓氫瓶的單位主要為沈陽(yáng)斯林達(dá)、北京天海、張家港國(guó)富氫能等公司，這些廠家研發(fā)的高壓氫瓶，穩(wěn)定性良好，并且使用效果比較理想。部分廠家已經(jīng)研發(fā)出4型高壓氫瓶，氫瓶的標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，但是當(dāng)前我國(guó)明確的法律規(guī)定中，對(duì)于這類氫瓶還無(wú)法運(yùn)用到車輛主要是其安全性、有效性等研究還不深入，還需要增加研究提高其應(yīng)用的可靠性[7]。高壓供氫系統(tǒng)中氫瓶是關(guān)鍵部分，因此在對(duì)這部分研究中要充分地考慮其應(yīng)用效果和安全性，尤其是其關(guān)鍵零部件也需要重視評(píng)估，提高瓶閥的精密性和氣密性，也是保證高壓氫瓶合理使用的關(guān)鍵。在氫瓶供應(yīng)商研發(fā)氫瓶的過(guò)程中需要重視氫瓶的研究，需要選擇相應(yīng)的評(píng)法，提高其應(yīng)用質(zhì)量，保證其密封性。

2.2 空壓瓶

空壓機(jī)是為氫能源商務(wù)汽車動(dòng)力系統(tǒng)提供滿足壓力要求的空氣，這也是動(dòng)力系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分，可以將空壓系統(tǒng)為兩個(gè)部分供電池系統(tǒng)使用，分為容積式和速度式。容積式分為回轉(zhuǎn)式和往復(fù)式，速度式分為離心式和軸流式等，目前氫能源商用汽車上使用的空壓機(jī)有4種。

第一，雙螺旋壓縮機(jī)。這種設(shè)備的轉(zhuǎn)速比較高，質(zhì)量輕并且體積小，所占的面積比較小，其應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)多，但是在使用的過(guò)程中對(duì)于零部件的精密度要求高，如轉(zhuǎn)子、機(jī)體等加工的精密度都比較高，若使其加工精度不足，會(huì)影響其實(shí)際運(yùn)行，并且還可能安全問(wèn)題。設(shè)備裝配的過(guò)程中需要嚴(yán)格地按照標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施，而油路系統(tǒng)和輔助設(shè)備也比較復(fù)雜，這類設(shè)備運(yùn)行的過(guò)程中需要專業(yè)人員的操作，在運(yùn)行的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生比較大的噪聲，因此會(huì)影響其使用效果。尤其是在氫能源商務(wù)汽車動(dòng)力系統(tǒng)中應(yīng)用雙螺旋壓縮機(jī)可能會(huì)影響駕駛?cè)藛T和乘坐人的舒適性，還需要加強(qiáng)這一點(diǎn)的研發(fā)，降低其噪聲。

第二，螺旋壓縮機(jī)，這種機(jī)器屬于容積式機(jī)械設(shè)備，在使用中容積效率比較高，并且壓力與氣量連續(xù)可調(diào)，在運(yùn)行的過(guò)程中可以達(dá)到比較高的效率。螺旋壓縮機(jī)的質(zhì)量和體積比較大，因此在使用的過(guò)程中可能會(huì)影響汽車的重量和體積，在比較小型的商用車中應(yīng)用價(jià)值不高，還需加強(qiáng)對(duì)其體積和質(zhì)量的控制研究。

第三，羅茨壓縮機(jī)，這種壓縮機(jī)在豐田商用汽車中應(yīng)用比較多，這是利用兩個(gè)葉形轉(zhuǎn)子在氣缸中相對(duì)運(yùn)作而實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體的壓縮，這種壓縮機(jī)是靠轉(zhuǎn)子軸端的同步齒輪保持運(yùn)行。

第四，離心壓縮機(jī)，這種壓縮機(jī)在本田、通用汽車中應(yīng)用比較多，在商用車中運(yùn)用能夠提高應(yīng)用效果。離心壓縮機(jī)的優(yōu)點(diǎn)比較多，排量大，排氣均勻，轉(zhuǎn)速高，體積小，并且機(jī)內(nèi)不需要潤(rùn)滑，密封效果十分理想，很少出現(xiàn)泄漏情況。離心壓縮機(jī)在操作的過(guò)程中能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化和大型化，維修量也比較少。離心壓縮機(jī)的運(yùn)行效果十分理想，可以長(zhǎng)時(shí)間地運(yùn)行，并且很少出現(xiàn)損耗情況。但是離心壓縮機(jī)使用的過(guò)程中氣流速度比較大，因此零部件可能會(huì)出現(xiàn)摩擦損失情況，并且有喘振現(xiàn)象會(huì)影響乘坐的舒適性，可能會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)情況影響汽車的運(yùn)行效果。

2.3 散熱器

氫能源商務(wù)車動(dòng)力系統(tǒng)研發(fā)中需要重視散熱，而散熱器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的有效控制。尤其是在電池反應(yīng)的過(guò)程中可能會(huì)釋放大量的熱，這就會(huì)影響電池的應(yīng)用效果，并且還可能會(huì)影響使用安全。而散熱器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的有效控制，主要是對(duì)電堆進(jìn)行散熱，這樣可以降低溫度對(duì)于電池的影響。電堆對(duì)于冷卻介質(zhì)的要求比較高，因此在散熱器研發(fā)中需要選擇合適的介質(zhì)，一般介質(zhì)要求為電導(dǎo)率低，無(wú)污染性熱，容量高，這樣能夠滿足具體應(yīng)用要求。散熱器要選擇合適的介質(zhì)，一般是采用純水或是純水與乙二醇的混合物。低溫散熱采取兩種回路是通過(guò)空壓機(jī)和空壓機(jī)控制器實(shí)現(xiàn)，而另一條是電機(jī)、電控制器等實(shí)現(xiàn)，這兩種散熱方式能夠達(dá)到相同的效果，但是可以提高降溫的速度，對(duì)于溫度控制有較大的幫助。

2.4 增濕器

氫能源商用車使用的過(guò)程中要注意增濕處理，主要是在空氣進(jìn)入電堆之前，要保證其具有合適的濕度，這樣才能夠保證質(zhì)子交換膜有合適的濕度進(jìn)行運(yùn)行。若是濕度比較低可能會(huì)影響其運(yùn)行效果，電堆內(nèi)過(guò)于干燥會(huì)導(dǎo)致電導(dǎo)率降低；而濕度過(guò)大可能會(huì)導(dǎo)致液態(tài)水流動(dòng)，影響氫氣和氧氣結(jié)合，因此其發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的速度和效率也會(huì)明顯地降低。在研究中要對(duì)電堆進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑鰸瘢@樣可以提高其運(yùn)行效果[8]。增濕是通過(guò)內(nèi)增濕和外增濕方式實(shí)現(xiàn)，當(dāng)前這種設(shè)備主要是來(lái)自國(guó)外，國(guó)內(nèi)對(duì)于增濕器研究比較少并且并不成熟，這種設(shè)備的精密度比較高，并且對(duì)于濕度的控制效果不足，而國(guó)內(nèi)相關(guān)技術(shù)并不成熟，還需要加強(qiáng)增濕器這一設(shè)備的研發(fā)。

2.5 去離子器

在動(dòng)力系統(tǒng)冷卻介質(zhì)循環(huán)的過(guò)程中要將介質(zhì)去離子化，這樣才能夠保證介質(zhì)的純度，在具體使用的過(guò)程中要充分的考慮一些冷卻要求，達(dá)到冷卻需求后，能夠保證電池正常運(yùn)行。動(dòng)力系統(tǒng)研發(fā)中要結(jié)合去離子器的應(yīng)用要求，并且需要降低其體積和面積，保證在車輛上能夠合理運(yùn)用[9]。尤其是要監(jiān)測(cè)介質(zhì)的純度，若是不達(dá)到冷卻要求，需要及時(shí)的警報(bào)，還應(yīng)該提醒更換冷卻介質(zhì)，這樣才能夠滿足汽車的運(yùn)行要求，否則可能會(huì)出現(xiàn)多種問(wèn)題影響汽車動(dòng)力系統(tǒng)應(yīng)用效果。

3 氫能源商用車動(dòng)力系統(tǒng)集成發(fā)展情況

氫能源商務(wù)車動(dòng)力系統(tǒng)研究在不斷地增加，主要是其應(yīng)用價(jià)值理想，對(duì)于當(dāng)前環(huán)境問(wèn)題改善有較大的幫助。當(dāng)前傳統(tǒng)燃料存在應(yīng)用短缺問(wèn)題，并且其成本在不斷地提高，在使用的過(guò)程中對(duì)于環(huán)境污染比較大。氫能源商務(wù)車動(dòng)力系統(tǒng)的研究可以有效解決這一問(wèn)題，在交通運(yùn)輸領(lǐng)域具有較大的應(yīng)用價(jià)值，應(yīng)用前景也值得期待。因此對(duì)于氫能源動(dòng)力系統(tǒng)集成研究也在不斷地增多，在動(dòng)力系統(tǒng)研究中主要是對(duì)其電力系統(tǒng)電池反應(yīng)進(jìn)行分析，選擇合適的裝置提高其應(yīng)用價(jià)值，降低對(duì)車輛的影響[10]。在氫能源商務(wù)車動(dòng)力系統(tǒng)研究中，已經(jīng)取得了較多的成績(jī)，如豐田、本田等都推出了相應(yīng)的燃料電池汽車，這也能夠促進(jìn)氫能源動(dòng)力系統(tǒng)研發(fā)工作的開展。氫能源商務(wù)車動(dòng)力系統(tǒng)研究發(fā)展?jié)摿Ρ容^大，并且在應(yīng)用方面能夠有效地改善安全問(wèn)題和有效率問(wèn)題。

當(dāng)前，各個(gè)汽車生產(chǎn)廠商在不斷地加強(qiáng)這一工作的研發(fā)，并且在全球范圍內(nèi)這種車輛的銷量也在不斷地提高，隨著技術(shù)不斷升級(jí)加氫站等設(shè)施完善，氫能源商用車的研發(fā)在不斷地完善，這樣能夠促進(jìn)汽車行業(yè)的發(fā)展，并且能夠有效地改善當(dāng)前存在的問(wèn)題。氫能源商務(wù)車動(dòng)力系統(tǒng)研究中電池類型在不斷地增多，但是我國(guó)對(duì)于這一問(wèn)題的研究并不完善，主要是在研究中存在較多的問(wèn)題，技術(shù)不成熟缺乏資金等，這些還需要得到國(guó)家的支持，通過(guò)政策扶持促進(jìn)我國(guó)氫能源動(dòng)力系統(tǒng)的研發(fā)，將其運(yùn)用到商務(wù)車中提高其應(yīng)用價(jià)值，促進(jìn)汽車行業(yè)的發(fā)展。

結(jié)論：綜上所述，國(guó)內(nèi)氫能源應(yīng)急電源車的研究中，產(chǎn)業(yè)鏈并不成熟，能源動(dòng)力編制在零件選型上的空間比較小，零件只能采用現(xiàn)存產(chǎn)物，并且集成動(dòng)力編制效果比較不佳。因此當(dāng)前國(guó)內(nèi)的氫能源商務(wù)汽車并不完善，也沒(méi)有上市出售，但是氫能源商用汽車在的研究在不斷地增加，主要是聚焦到氫能源研究上。在未來(lái)發(fā)展中氫能源應(yīng)急電源車動(dòng)力系統(tǒng)會(huì)逐漸地傾向成熟，并且氫能源應(yīng)急電源車動(dòng)力系統(tǒng)集成效果也在不斷地完善，在動(dòng)力編制上也能夠打破傳統(tǒng)限制。相關(guān)研發(fā)單位要開拓周期，增加研發(fā)成本，這樣能夠促進(jìn)輕能源商用汽車的研發(fā)。

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