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每日訊息!清華大學車輛與運載學院新能源動力系統團隊研究成果：新型分布式驅動液氫燃料電池重型商用車設計、分析與驗證

2022-09-23 19:28:42 來源：搜狐汽車

《汽車工程》2022年第8期發表了清華大學車輛與運載學院團隊研究成果“新型分布式驅動液氫燃料電池重型商用車設計、分析與驗證”一文。針對城市重型、長途貨運重型商用車的電動化需求，論文提出了分布式驅動液氫燃料電池重型商用車技術方案，探索了大功率燃料電池系統、大容量液氫系統和大功率輪轂電機等前沿技術的設計與開發，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計、集成、制造和測試。

研究背景

(資料圖)

氫燃料電池功率大、能量密度高、零排放，被認為是大負載、長距離重型商用車的理想技術方案。當前，國內外燃料電池重型商用車的續駛里程普遍在400km水平，續駛里程與經濟效益有待提升，而提高燃料電池重型商用車續駛里程關鍵在于增加整車攜氫量與提高系統的能量轉化效率。

研究內容

1. 動力系統以及分布式驅動系統設計：首先，分析論證了分布式電驅動相對于集中式驅動在驅動效率上的優勢，考慮傳動鏈優化，系統的驅動效率相比集中驅動可以提升近10%。其次，開展了高轉矩密度輪轂電機設計，創新性地提出了彎扭解耦的電動輪構型，結合油冷與橋驅匹配優化，較當前典型電驅橋在驅動轉矩與重量方面取得了顯著進步，整橋重量與傳統集中驅動相當，有效解決了簧下質量問題。最后，基于該電動輪，考慮載荷、性能和裝配等因素，開發了雙輪并裝的輪邊驅動電動輪的驅動橋方案。

圖1 分布式電驅動與集中式驅動效率對比

圖2 雙輪并裝驅動橋方案

2. 燃料電池系統設計：針對重卡大功率驅動需求，在國內率先探索了百千瓦級燃料電池開發與設計問題，逐一解決了空壓機、循環泵、冷卻水泵等大功率燃料電池零部件開發與匹配難題，并進一步完成了單系統>200kW燃料電池系統開發。從全生命周期使用成本考慮，商用車燃料電池系統的核心是耐久性與效率。燃料電池系統額定點效率從45%提升到50%，使得汽車全生命周期的能源成本下降近10%，所帶來的收益遠大于燃料電池系統設計成本增加。

圖3 液氫儲供系統BOG回收系統圖

圖480kg級液氫儲共系統

3. 儲氫系統設計：針對車載大容量氫氣存儲難題，提出了液氫儲氫技術方案。圍繞液氫儲罐絕熱設計、真空設計、支撐結構設計、輕量化設計等關鍵技術展開了研究，完成了液氫儲罐結構設計、優化與安全方案設計，將車載儲氫質量密度提升到10%以上。為維持儲罐內壓力穩定，論文設計了液氫儲供系統的揮發氫氣回收系統，并從安全的角度，也對未來的氫系統-燃料電池系統的壓力匹配進行了討論。

圖5燃料電池系統電堆外形圖

圖6240kw燃料電池系統

4. 整車開發于實車測試驗證：基于串聯混合動力系統拓撲結構，以及前述動力系統設計，完成了兩型燃料電池重型商用車具體底盤動力系統布置，并對其進行了實車道路試驗。

圖7 重型商用車動力系統技術方案

圖8 35t級載貨車實物圖

圖949t級牽引車實物圖

研究結果

兩型液氫燃料電池重型商用車完成了約200km的經濟性高環測試和動力性試驗與經濟性試驗，試驗結果表明，所開發的兩型液氫燃料電池重型商用車動力系統部件設計和參數選定滿足預期設計指標，也驗證了液氫儲氫、電動輪與大功率燃料電池系統的技術可行性。

表1 35t級載貨車實車道路試驗結果

表2 49t級牽引車實車道路試驗結果

創新點和意義

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、長續航、低成本使用目標，提出了分布式驅動液氫燃料電池重型商用車技術方案，探索了大功率燃料電池系統、大容量車載液氫儲供系統與大轉矩輪轂電機的創新技術。該研究具有重要的工程應用價值。