《汽車工程》2022年第8期發(fā)表了清華大學(xué)車輛與運(yùn)載學(xué)院團(tuán)隊(duì)研究成果“新型分布式驅(qū)動液氫燃料電池重型商用車設(shè)計、分析與驗(yàn)證”一文。針對城市重型、長途貨運(yùn)重型商用車的電動化需求，論文提出了分布式驅(qū)動液氫燃料電池重型商用車技術(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)計與開發(fā)，完成了35t級液氫燃料電池載貨車和49t級液氫燃料電池牽引車的設(shè)計、集成、制造和測試。

研究背景

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、長距離重型商用車的理想技術(shù)方案。當(dāng)前，國內(nèi)外燃料電池重型商用車的續(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?yán)m(xù)駛里程關(guān)鍵在于增加整車攜氫量與提高系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)化效率。

研究內(nèi)容

1. 動力系統(tǒng)以及分布式驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計

首先，分析論證了分布式電驅(qū)動相對于集中式驅(qū)動在驅(qū)動效率上的優(yōu)勢，考慮傳動鏈優(yōu)化，系統(tǒng)的驅(qū)動效率相比集中驅(qū)動可以提升近10%。其次，開展了高轉(zhuǎn)矩密度輪轂電機(jī)設(shè)計，創(chuàng)新性地提出了彎扭解耦的電動輪構(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)動相當(dāng)，有效解決了簧下質(zhì)量問題。最后，基于該電動輪，考慮載荷、性能和裝配等因素，開發(fā)了雙輪并裝的輪邊驅(qū)動電動輪的驅(qū)動橋方案。

圖1 分布式電驅(qū)動與集中式驅(qū)動效率對比

圖2 雙輪并裝驅(qū)動橋方案

2. 燃料電池系統(tǒng)設(shè)計針對重卡大功率驅(qū)動需求，在國內(nèi)率先探索了百千瓦級燃料電池開發(fā)與設(shè)計問題，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)開發(fā)。從全生命周期使用成本考慮，商用車燃料電池系統(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%，使得汽車全生命周期的能源成本下降近10%，所帶來的收益遠(yuǎn)大于燃料電池系統(tǒng)設(shè)計成本增加。

圖3 液氫儲供系統(tǒng)BOG回收系統(tǒng)圖

圖4 80kg級液氫儲共系統(tǒng)

3. 儲氫系統(tǒng)設(shè)計

針對車載大容量氫氣存儲難題，提出了液氫儲氫技術(shù)方案。圍繞液氫儲罐絕熱設(shè)計、真空設(shè)計、支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計、輕量化設(shè)計等關(guān)鍵技術(shù)展開了研究，完成了液氫儲罐結(jié)構(gòu)設(shè)計、優(yōu)化與安全方案設(shè)計，將車載儲氫質(zhì)量密度提升到10%以上。為維持儲罐內(nèi)壓力穩(wěn)定，論文設(shè)計了液氫儲供系統(tǒng)的揮發(fā)氫氣回收系統(tǒng)，并從安全的角度，也對未來的氫系統(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6 240kw燃料電池系統(tǒng)

4. 整車開發(fā)于實(shí)車測試驗(yàn)證

基于串聯(lián)混合動力系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以及前述動力系統(tǒng)設(shè)計，完成了兩型燃料電池重型商用車具體底盤動力系統(tǒng)布置，并對其進(jìn)行了實(shí)車道路試驗(yàn)。

圖7 重型商用車動力系統(tǒng)技術(shù)方案

圖8 35t級載貨車實(shí)物圖

圖9 49t級牽引車實(shí)物圖

研究結(jié)果

兩型液氫燃料電池重型商用車完成了約200km的經(jīng)濟(jì)性高環(huán)測試和動力性試驗(yàn)與經(jīng)濟(jì)性試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，所開發(fā)的兩型液氫燃料電池重型商用車動力系統(tǒng)部件設(shè)計和參數(shù)選定滿足預(yù)期設(shè)計指標(biāo)，也驗(yàn)證了液氫儲氫、電動輪與大功率燃料電池系統(tǒng)的技術(shù)可行性。

表1 35t級載貨車實(shí)車道路試驗(yàn)結(jié)果

表2 49t級牽引車實(shí)車道路試驗(yàn)結(jié)果

創(chuàng)新點(diǎn)和意義

論文針對商用車電動化升級需求，面向燃料電池重型商用車平臺，圍繞高性能、長續(xù)航、低成本使用目標(biāo)，提出了分布式驅(qū)動液氫燃料電池重型商用車技術(shù)方案，探索了大功率燃料電池系統(tǒng)、大容量車載液氫儲供系統(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)用價值。