《汽車(chē)工程》2022年第8期發(fā)表了清華大學(xué)車(chē)輛與運(yùn)載學(xué)院團(tuán)隊(duì)研究成果“新型分布式驅(qū)動(dòng)液氫燃料電池重型商用車(chē)設(shè)計(jì)、分析與驗(yàn)證”一文。 針對(duì)城市重型、長(zhǎng)途貨運(yùn)重型商用車(chē)的電動(dòng)化需求，論文提出了分布式驅(qū)動(dòng)液氫燃料電池重型商用車(chē)技術(shù)方案，探索了大功率燃料電池系統(tǒng)、大容量液氫系統(tǒng)和大功率輪轂電機(jī)等前沿技術(shù)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)，完成了35t級(jí)液氫燃料電池載貨車(chē)和49t級(jí)液氫燃料電池牽引車(chē)的設(shè)計(jì)、集成、制造和測(cè)試。

研究背景

(資料圖)

氫燃料電池功率大、能量密度高、零排放，被認(rèn)為是大負(fù)載、長(zhǎng)距離重型商用車(chē)的理想技術(shù)方案。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外燃料電池重型商用車(chē)的續(xù)駛里程普遍在400km水平，續(xù)駛里程與經(jīng)濟(jì)效益有待提升，而提高燃料電池重型商用車(chē)?yán)m(xù)駛里程關(guān)鍵在于增加整車(chē)攜氫量與提高系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)化效率。

研究?jī)?nèi)容

1. 動(dòng)力系統(tǒng)以及分布式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)：首先，分析論證了分布式電驅(qū)動(dòng)相對(duì)于集中式驅(qū)動(dòng)在驅(qū)動(dòng)效率上的優(yōu)勢(shì)，考慮傳動(dòng)鏈優(yōu)化，系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)效率相比集中驅(qū)動(dòng)可以提升近10%。其次，開(kāi)展了高轉(zhuǎn)矩密度輪轂電機(jī)設(shè)計(jì)，創(chuàng)新性地提出了彎扭解耦的電動(dòng)輪構(gòu)型，結(jié)合油冷與橋驅(qū)匹配優(yōu)化，較當(dāng)前典型電驅(qū)橋在驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩與重量方面取得了顯著進(jìn)步，整橋重量與傳統(tǒng)集中驅(qū)動(dòng)相當(dāng)，有效解決了簧下質(zhì)量問(wèn)題。最后，基于該電動(dòng)輪，考慮載荷、性能和裝配等因素，開(kāi)發(fā)了雙輪并裝的輪邊驅(qū)動(dòng)電動(dòng)輪的驅(qū)動(dòng)橋方案。

圖1 分布式電驅(qū)動(dòng)與集中式驅(qū)動(dòng)效率對(duì)比

圖2 雙輪并裝驅(qū)動(dòng)橋方案

2. 燃料電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)：針對(duì)重卡大功率驅(qū)動(dòng)需求，在國(guó)內(nèi)率先探索了百千瓦級(jí)燃料電池開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)問(wèn)題，逐一解決了空壓機(jī)、循環(huán)泵、冷卻水泵等大功率燃料電池零部件開(kāi)發(fā)與匹配難題，并進(jìn)一步完成了單系統(tǒng)>200kW燃料電池系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。從全生命周期使用成本考慮，商用車(chē)燃料電池系統(tǒng)的核心是耐久性與效率。燃料電池系統(tǒng)額定點(diǎn)效率從45%提升到50%，使得汽車(chē)全生命周期的能源成本下降近10%，所帶來(lái)的收益遠(yuǎn)大于燃料電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)成本增加。

圖3 液氫儲(chǔ)供系統(tǒng)BOG回收系統(tǒng)圖

圖480kg級(jí)液氫儲(chǔ)共系統(tǒng)

3. 儲(chǔ)氫系統(tǒng)設(shè)計(jì)：針對(duì)車(chē)載大容量氫氣存儲(chǔ)難題，提出了液氫儲(chǔ)氫技術(shù)方案。圍繞液氫儲(chǔ)罐絕熱設(shè)計(jì)、真空設(shè)計(jì)、支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、輕量化設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)展開(kāi)了研究，完成了液氫儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、優(yōu)化與安全方案設(shè)計(jì)，將車(chē)載儲(chǔ)氫質(zhì)量密度提升到10%以上。為維持儲(chǔ)罐內(nèi)壓力穩(wěn)定，論文設(shè)計(jì)了液氫儲(chǔ)供系統(tǒng)的揮發(fā)氫氣回收系統(tǒng)，并從安全的角度，也對(duì)未來(lái)的氫系統(tǒng)-燃料電池系統(tǒng)的壓力匹配進(jìn)行了討論。

圖5燃料電池系統(tǒng)電堆外形圖

圖6240kw燃料電池系統(tǒng)

4. 整車(chē)開(kāi)發(fā)于實(shí)車(chē)測(cè)試驗(yàn)證：基于串聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以及前述動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)，完成了兩型燃料電池重型商用車(chē)具體底盤(pán)動(dòng)力系統(tǒng)布置，并對(duì)其進(jìn)行了實(shí)車(chē)道路試驗(yàn)。

圖7 重型商用車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)技術(shù)方案

圖8 35t級(jí)載貨車(chē)實(shí)物圖

圖949t級(jí)牽引車(chē)實(shí)物圖

研究結(jié)果

兩型液氫燃料電池重型商用車(chē)完成了約200km的經(jīng)濟(jì)性高環(huán)測(cè)試和動(dòng)力性試驗(yàn)與經(jīng)濟(jì)性試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，所開(kāi)發(fā)的兩型液氫燃料電池重型商用車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)部件設(shè)計(jì)和參數(shù)選定滿(mǎn)足預(yù)期設(shè)計(jì)指標(biāo)，也驗(yàn)證了液氫儲(chǔ)氫、電動(dòng)輪與大功率燃料電池系統(tǒng)的技術(shù)可行性。

表1 35t級(jí)載貨車(chē)實(shí)車(chē)道路試驗(yàn)結(jié)果

表2 49t級(jí)牽引車(chē)實(shí)車(chē)道路試驗(yàn)結(jié)果

創(chuàng)新點(diǎn)和意義

論文針對(duì)商用車(chē)電動(dòng)化升級(jí)需求，面向燃料電池重型商用車(chē)平臺(tái)，圍繞高性能、長(zhǎng)續(xù)航、低成本使用目標(biāo)，提出了分布式驅(qū)動(dòng)液氫燃料電池重型商用車(chē)技術(shù)方案，探索了大功率燃料電池系統(tǒng)、大容量車(chē)載液氫儲(chǔ)供系統(tǒng)與大轉(zhuǎn)矩輪轂電機(jī)的創(chuàng)新技術(shù)。該研究具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。

掃描上方二維碼，免費(fèi)獲取全文

關(guān)于《汽車(chē)工程》

1.行業(yè)聲譽(yù)：汽車(chē)工程領(lǐng)域高質(zhì)量科技期刊分級(jí)目錄T1級(jí)別期刊

2.檢索收錄：Ei & 核心

3.首輪評(píng)審：< 30工作日

4.在線投稿：www.qichegongcheng.com

聯(lián)系我們

聯(lián)系人：楊老師

電話: 86-10-50950106

郵箱: sae860@sae-china.org

《汽車(chē)工程》 2022年微網(wǎng)刊

2022年第1期全文獲取

2022年第2期全文獲取

2022年第3期全文獲取

2022年第4期全文獲取

2022年第5期全文獲取

2022年第6期全文獲取

2022年第7期全文獲取

關(guān)鍵詞： 燃料電池 動(dòng)力系統(tǒng) 技術(shù)方案