李 航，胡尊嚴，胡家毅，董家臣，李建秋，徐梁飛，歐陽明高，卜 玉，王力軍，秦志東

（1. 清華大學車輛與運載學院，北京 100084；2. 北京航天試驗技術研究所，北京 100068；3. 北汽福田汽車股份有限公司，北京 102206）

前言

交通行業(yè)消耗了我國50%的石油消費總量，并產生10%的二氧化碳總碳排放量，以節(jié)能減排為核心的交通電動化升級，是支撐國家“雙碳”戰(zhàn)略目標與能源安全轉型重大戰(zhàn)略需求的關鍵技術。

我國新能源汽車市場增長十分迅速。乘聯會統計的數據顯示，我國2021 年新能源汽車銷量達到352.1 萬輛，同比增長157.5%，汽車電動化升級已經進入加速階段。

工信部于2020 年制定的《推動公共領域車輛電動化行動計劃》中提出：“目前我國的重型商用車保有量已超850萬輛，工程機械保有量也超過了800萬輛，如果將這1 650萬輛重型商用車和工程機械全部電動化，在全部應用清潔能源的前提下，每年可直接減少二氧化碳排放9 億t，占全國二氧化碳排放的近9%，節(jié)能減排效果顯著”。但是，商用車電動化升級對成本和性能也更為敏感，是國內外新能源技術競爭的焦點與難點。

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。目前，國內外的汽車廠商和專家學者對燃料電池重型商用車已經開展了一些探索，陸續(xù)完成了一些概念車型開發(fā)，如圖1 所示。自“十五”以來，我國持續(xù)探索以商用車為代表的燃料電池汽車發(fā)展路線。目前，輕中型的燃料電池物流車技術發(fā)展十分迅速，已有多款車型完成公告，并累計生產超過3 000輛，占總保有量的50%左右。隨交通電動化的需求越來越迫切，中重型氫燃料電池商用車近兩年持續(xù)升溫，成為國內外技術競爭的焦點。

圖1 國內外燃料電池重型商用車研發(fā)車型

表1列出當前國內外燃料電池重型商用車的主要性能。由表可見，其續(xù)駛里程普遍在400 km水平，一般不超過600 km，已成為重型長途燃料電池商用車的主要短板。

表1 國內外氫燃料電池重型商用車性能

提高續(xù)駛里程的關鍵在于增加整車攜氫量與提高系統的能量轉化效率。從能量流與動力系統的角度出發(fā)，則須突破高效大功率燃料電池、高密度儲氫和高效率電傳動技術等關鍵技術。

目前，針對干線物流重型商用車的電動化技術仍在探索中，產業(yè)與學界對此提出了一系列的創(chuàng)新思路，但與之對應的應用開發(fā)研究十分不足，各項關鍵技術也尚未形成明確的技術路線。本文中針對城市重型、長途貨運重型商用車的電動化需求，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(fā)，完成了2 輛35 t級液氫燃料電池載貨車和2輛49 t級液氫燃料電池牽引車的設計、集成、制造和測試。

1 重型商用車動力系統構型分析與設計

1.1 動力系統構型設計

商用車是重要生產工具，其電動化轉型既須保證性能與燃油車相當，更須控制成本的增加。從全生命周期成本分析，商用車的總燃油成本是其購置成本的5～10 倍水平，如何提高動力系統效率、降低燃料成本，是推動商用車電動化升級的關鍵。

燃料電池商用車動力系統結構相對簡單，其效率主要取決于燃料電池系統效率和驅動系統效率。

目前，電動汽車主要使用了集中電驅動與分布式電驅動兩種構型。圖2 對比了兩種典型動力系統的傳動效率，集中驅動與傳統動力系統構型相似，通過變速器、主減速器和輪邊減速器等傳動機構，將一臺大功率電機的驅動轉矩傳遞至各個輪胎，其技術方案可參考傳統動力系統，相對較為成熟，但由于傳動鏈較長，沒有充分發(fā)揮電傳動的高效優(yōu)勢，部分低載荷區(qū)的效率甚至會降低到60%左右。

圖2 分布式電驅動與集中式驅動效率對比

對比圖2所示兩種傳動系統構型和各傳動部件效率，分布式電驅動系統構型可以有效縮短傳動鏈，相比集中式電驅動構型有望將整車驅動效率提升近10%，并大幅簡化驅動系統的布置。根據汽車生命周期成本評估方法，汽車全生命周期總成本為

式中：表示汽車在全生命周期所發(fā)生的總成本；表示購置成本；OC表示運營成本，包括汽車年使用過程中所花費的能源費用、維護費用、稅與保險和其他成本的總和；表示汽車處置時的殘值。

運營成本包括能源成本、維護成本和稅費、保險費等。其中，能源成本為

式中：為氫燃料電池汽車每100 km氫耗，kg/100 km；表示氫氣價格，元/kg；表示汽車總行駛里程，km。

考慮商用車運營成本可達到購置成本的10 倍，如果驅動系統效率提升5%～10%，所節(jié)省的費用相當于現有整車購置費用的50%～100%，使用成本下降?完全可以覆蓋電驅動系統的成本增加?，從而顯著降低商用車全生命周期使用成本。這也是本文選擇分布式驅動方案的主要原因。

據此，本文針對重型商用車應用需求，提出了面向35 t 級燃料電池重型商用車的8×4 分布式驅動方案，和49 t級燃料電池重型商用車的6×4分布式驅動方案，以探索重載電動輪的技術可行性。

氫燃料電池系統是重型商用車開發(fā)的難點。重型商用車功率需求大、續(xù)駛里程長，需要突破100～200 kW 水平的高效燃料電池系統與100 kg 級的儲氫系統兩項關鍵技術。

高壓儲氫技術存在體積質量大、加氫慢、成本高等問題，難以適用于大容量儲氫系統的需求。液氫技術儲氫密度高，加注方便，國外已應用于氫氣大規(guī)模輸運與站上儲氫，被認為是大容量車載儲氫的重要技術方向。國內液氫主要應用于航天領域，在本文工作前尚未在車載領域得到應用探索。

十三五以來，我國車載液化天然氣（liquefied natural gas，LNG）技術發(fā)展已十分成熟，全產業(yè)鏈逐一實現了國產化，使單罐售價已降至3 萬元以下。液氫儲氫在核心零部件上與LNG 具有技術相似性，基于LNG 技術的開發(fā)經驗，本文中擬探索大容量車載液氫儲氫技術方案。

儲氫技術方案成本對比如表2 所示，從最核心的成本角度分析，液氫系統具備降低成本的巨大潛力。即使在研制階段，其性能與成本也比35 與70 MPa 的IV 型瓶有顯著優(yōu)勢，未來全系統國產化后，更是有望將儲氫成本降至1 000元/kg以下。

表2 儲氫技術方案對比

基于上述分析，本文以液氫儲供與分布式驅動作為主要創(chuàng)新點，提出了分布式驅動液氫燃料電池重型商用車構型，如圖3 所示，并以此開發(fā)了35 t 級載貨車和49 t 級牽引車兩款重型商用車車型。

圖3 動力系統總成拓撲結構

該動力系統構型主要包括由燃料電池系統、液氫儲供系統與動力電池系統組成的混合動力系統、電動輪與驅動橋控制器組成的電驅動系統和其他附件系統構成。

其中，燃料電池系統包含燃料電池、燃料電池輔助裝置和DC/DC 變換器，通過DC/DC 變換器、燃料電池系統與動力電池組成串聯混合動力系統；液氫儲供系統向燃料電池供氫，主要包含液氫瓶、復合汽化器、緩沖罐、揮發(fā)氫氣回收系統和氫系統控制器等部件；電驅動系統包含4 個相同的輪轂電機獨立驅動電動輪和兩個驅動橋控制器，每個驅動橋控制器上集成了同橋左右兩側電機的電機控制器，兩套電機控制器共用低壓邏輯單元和冷卻水路。

所開發(fā)的動力系統總成具有以下特點和優(yōu)勢：

（1）驅動高效率：分布電驅動系統可以最大限度地提升驅動效率；

（2）燃料電池高效率：串聯混合動力系統使燃料電池輸出功率與整車功率需求解耦，燃料電池系統可以穩(wěn)定工作在高效區(qū)；

（3）高動力性：動力電池系統可以提供系統所需的瞬時高功率，快速響應整車動力需求。為節(jié)省底盤布置空間，動力電池電量相對較?。ǎ?00 kW·h）而峰值功率較大（＞500 kW），因此采用大倍率功率型電池；

（4）熱管理高效率：液氫系統不僅可以提升儲氫密度，通過綜合熱管理，利用液氫揮發(fā)吸熱能力還能消納燃料電池系統的部分散熱壓力。

1.2 整車設計參數與動力系統參數匹配

針對典型重型商用車性能需求，所設計的35 t和49 t級燃料電池重型商用車的基本參數如表3所示。

表3 燃料電池重型商用車設計參數與性能指標

1.2.1 燃料電池系統參數設計

由于目標車型的高速、重載和車輛加速制動頻繁的特點，為保護燃料電池的耐久性，適應燃料電池系統相對較低的響應速度，采用燃料電池系統提供車輛行駛的穩(wěn)態(tài)輸出功率，瞬態(tài)大功率需求由動力電池系統補足的策略。這一策略可以保證燃料電池系統工況平穩(wěn)、提高系統效率和整車的動力性與動力學響應速度。

根據汽車縱向動力學功率平衡方程，電驅動系統對混合動力系統的總功率需求為

式中：為電驅動系統效率；為整車質量，kg；為輪胎的滾動阻力系數；α 為地面坡度角，（°）；為空氣阻力系數；為汽車迎風面積，m；為空氣密度，kg/m；為行駛車速，m/s；為旋轉質量換算系數。

35 t 級載貨車，以持續(xù)最高車速80 km/h 在水平路上行駛時，所需混合動力系統功率為

49 t 級牽引車，以持續(xù)最高車速90 km/h 行駛時，所需混合動力系統功率為

其中，輪胎的滾動阻力系數根據貨車輪胎滾阻經驗公式確定，如式（6）所示；電驅動系統效率包括電機控制器效率和電動輪平均減速器效率，根據仿真和試驗結果，取= 90.0%。考慮到整車存在附件系統與燃料電池附件系統用電功率與DC/DC 變換器的效率，綜合考慮車輛穩(wěn)態(tài)行駛下的最高功率需求，最終選定動力系統中的燃料電池系統方案為：35 t級載貨車的燃料電池系統由單臺額定功率100 kW燃料電池組成，49 t 級牽引車的燃料電池系統由兩臺并聯的額定功率100 kW燃料電池組成。

1.2.2 動力電池參數設計

燃料電池系統作為車用電源有效率高、污染小、續(xù)駛里程長、運行平穩(wěn)和振動噪聲低等優(yōu)點，但同時也存在一些問題。動力電池系統相比燃料電池系統具備響應速度快和峰值功率高的特點，可以滿足整車頻繁的加速、制動等工況的功率響應需求與大功率輸出及能量回饋要求。因此，本文中采用的燃料電池混合動力系統構型將燃料電池系統通過DC/DC變換器與動力電池系統并聯，共同為驅動系統提供能源，采用該構型動力電池可回收再生制動的能量和吸收燃料電池富余的能量；動力電池作為燃料電池的輸出功率平衡器，可以調節(jié)燃料電池的效率和動態(tài)特性，改善整車燃料經濟性，提高動態(tài)響應速度。

整車在加速或爬坡過程中，功率需求高，燃料電池無法快速響應，由動力電池瞬時大功率放電；在整車制動工況過程中，不再消耗動力系統能量，此外由于燃料電池響應慢，依然保持功率輸出，此時要求動力電池具備吸收瞬間大功率的能力，否則會拉高母線電壓，造成負載過壓保護。因此，動力電池最大放電功率須滿足：

式中為燃料電池凈輸出功率。為滿足續(xù)駛里程指標，勻速行駛工況下，動力電池容量須滿足：

式中：為動力電池總線電壓；為續(xù)駛里程；()為與動力電池常用使用區(qū)間相關的系數，取值0～1。

通過對本文設計的單臺額定功率100 kW 燃料電池的性能特性分析，燃料電池最大凈輸出功率109 kW，動力電池在工作過程中須具備不小于109 kW的回饋能量能力。由于動力電池在高SOC區(qū)間峰值充電能力弱，在低SOC 區(qū)間峰值放電能力弱，無法同時滿足大倍率的充放電要求，故混合動力系統中動力電池的SOC 使用區(qū)間一般為30%～80%，根據不同的系統需求會有一定變化。

根據燃料電池工作電壓范圍和兩型燃料電池重型商用車的動力系統構型，為35 t級燃料電池載貨車匹配了最大持續(xù)放電功率196 kW、峰值放電功率480 kW的動力電池系統；為49 t級燃料電池牽引車匹配了最大持續(xù)放電功率147 kW、峰值放電功率700 kW的動力電池系統。具體性能指標如表4所示。

表4 動力電池系統性能參數

1.2.3 電動輪系統參數設計和整車動力性能校核

重載電動輪需要滿足大載荷、大功率、大轉矩和高效率的需求。通過構型比較，采用中速電機+一級減速的電動輪構型方案。該構型可兼顧高轉矩與高功率，適合多數載荷較大的場景。通過電機設計優(yōu)化，達到了較高的最高效率和較寬的高效區(qū)分布；通過電機與減速器的匹配優(yōu)化，電動輪可以更多地工作在高效區(qū)，實現較高的經濟性。

基于表3選定的構型方案與動力系統峰值功率和轉矩需求，初步明確電動輪的設計性能參數如表5所示。

表5 電動輪系統性能參數

基于上述電動輪參數設計，按照取= 96.0%的電動輪平均減速器效率，電動輪的峰值轉矩達到了16 700 N·m，短時峰值轉矩可達18 350 N·m。

基于整車基本參數和設計的電動輪系統參數，可以進行35 t 級載貨車和49 t 級牽引車兩型燃料電池重型商用車的動力性能指標校核計算。

根據運動學關系，兩型燃料電池重型商用車的最大車速可達100 km/h 以上，符合一般重型商用車的高速巡航需求，即

式中：為驅動電機最大轉速；為電動輪減速器速比；為電動輪輪胎有效半徑。

式（3）所示的汽車縱向動力學功率平衡方程中，將電驅動系統效率替換為電動輪平均減速器效率，計算平直路面下，滿載車輛以峰值最高車速100 km/h行駛時，電動輪驅動電機總輸出功率需求：

35 t級載貨車，驅動電機總輸出功率為

49 t級牽引車，驅動電機總輸出功率為根據設計驅動電機的額定功率60 kW，4臺驅動電機總額定功率可達240 kW，符合一般重型商用車高速巡航需求車速100 km/h的持續(xù)驅動功率需求。35 t 級載貨車以20 km/h 車速通過坡度25%，即坡角為14.04°的坡道時，驅動電機總輸出功率需求為

49 t 級牽引車以20 km/h 車速通過坡度20%，即坡角為11.31°的坡道時，驅動電機總輸出功率需求為

根據設計驅動電機的短時峰值功率180 kW，4 臺驅動電機總峰值功率720 kW，符合本論文設計的兩型燃料電池重型商用車的最大爬坡度性能指標。

基于燃料電池、動力電池與電動輪的初步參數設計，對整車加速動力性分析如圖4 和圖5 所示。對于35 t級載貨車，若動力系統提供峰值功率（動力電池、燃料電池滿功率輸出），0-100 km/h 加速時間需23.17 s，0-60 km/h 的加速時間為8.3 s；若燃料電池不輸出功率、僅由動力電池提供額定功率，0-60 km/h 的加速時間也可保證在20.07 s 以內，具有較好的動力性。對于49 t 級牽引車，若動力系統提供峰值功率，0-100 km/h 加速時間需36.00 s，0-60 km/h 的加速時間為12.67s；若動力系統僅由動力電池提供額定功率、燃料電池不工作，0-60 km/h 的加速時間為46.73 s。

圖4 35 t級重型商用車加速性能分析

圖5 49 t級重型商用車加速性能分析

基于所設計的分布式驅動系統，重型商用車的爬坡性能也得到顯著提升?；谂榔聽顟B(tài)下的整車行駛阻力平衡圖與動力系統功率平衡圖分析，在動力系統峰值功率工況下，35 t 級載貨車動力系統可滿足40%爬坡需求并維持16.80 km/h 車速，49 t級牽引車動力系統可滿足25%爬坡需求并維持

14.10 km/h車速。

綜上所述，結合動力系統功率能力，本文設計的電動輪性能可以滿足兩型重型商用車爬坡、最高車速、巡航車速能力的預設性能指標。

進一步分析兩型重型商用車的續(xù)駛里程，基于動態(tài)規(guī)劃算法計算C-WTVC 駕駛循環(huán)下的最長續(xù)駛里程，結果如表6所示。此時兩型重型商用車的等效100 km氫耗分別為10.80和14.91 kg/100 km，最大續(xù)駛里程分別可達615.3和768.7 km。

表6 C-WTVC循環(huán)工況分析結果

考慮重型商用車主要工況為高速巡航，圖6 展示了不同巡航速度下，重型商用車的100 km 氫耗的計算結果。由圖可見，在60 km/h 工況下，兩種車型的續(xù)駛里程可分別達到1 088 和1 512 km。這也驗證了液氫系統對于續(xù)駛里程的積極效益。

圖6 勻速續(xù)駛里程和100 km氫耗曲線

2 分布式驅動系統設計

2.1 高轉矩密度輪轂電機設計

簧下質量是制約電動輪使用的關鍵因素，如何提高電機轉矩密度，降低輪轂電機質量是本文關注的重點。

為提高電機的峰值功率，電機采用端部直接油冷散熱方案，冷卻油直接與電機端部繞組接觸。端部噴淋油冷方式大大縮短了熱量傳遞路徑，提高了散熱效率，提升了電機額定與峰值轉矩。

針對油冷需求，輪轂電機引入了定子油路系統，以外部油泵驅動冷卻油循環(huán)，內部在電機機殼端部開設淋油口，冷卻油在重力作用下淋至電機的端部繞組。由于繞組的軸向導熱系數遠高于徑向導熱系數，故該方案在冷卻定子端部繞組后，中心繞組的熱量可以快速通過軸向傳輸到端部完成熱交換，有效縮短熱量傳遞路徑，避免了水冷方案冷卻水無法直接與電機端部接觸散熱而導致的端部熱孤島現象。通過仿真得到的電機額定工況下不同散熱方式時的溫度分布如圖7所示。由圖7可以看到，相同電機工況下，油冷方式下的電機最高溫度比水冷降低了30.3 ℃。

圖7 電機水冷與油冷溫度分布示意圖

進一步地，在實際電機設計時，往往會根據材料特性設置一個散熱的邊界條件，如C 級繞組穩(wěn)態(tài)工作最高溫度≤155 ℃。在此條件下對電機在相同散熱要求下進行仿真，結果見圖8。

圖8 限值溫度下的電機水冷與油冷溫度分布示意圖

由圖可見：（1）在水冷方式下，電機轉矩在1 050 N·m時繞組最高溫度為153.7 ℃；（2）在油冷方式下，電機轉矩在1 250 N·m時繞組最高溫度為151.5 ℃。

由此可得，在相近的溫度要求下，油冷散熱方式電機的轉矩密度提升了20%左右，油冷電機方案有效提高了電機的功率密度。

針對減質量需求，本文還探索了一種彎扭解耦構型，如圖9 所示。傳統電動輪的薄壁承力結構，輪轂電機殼體既承重力又傳遞轉矩，易受力變形，影響定轉子氣隙。本構型通過將輪轂電機的承彎與承扭結構功能解耦，套筒-車軸主要承力（圖中紅線），電機殼體不傳遞彎矩僅傳遞轉矩（圖中藍線），使電機結構可大幅減薄，所集成的高效率大轉矩電動輪的轉矩密度可達60 N·m/kg，有效減輕了簧下質量。

圖9 彎扭解耦的電動輪構型示意圖

基于所開發(fā)的輪轂電機，進行聯合效率測試。按照100～3 200 r/min電機轉速區(qū)間每個采樣點間隔100 r/min，0～2 000 N·m 電機轉矩區(qū)間每個采樣點間隔100 N·m 進行標定，最終所得的電機與電機控制器的聯合系統實測效率如圖10所示。

圖10 電機及控制器效率MAP

進一步，將電機效率圖與仿真得到的減速器效率圖相結合，可得整個電動輪的效率MAP 圖，如圖11 所示。圖中橫坐標為車輪轉速，縱坐標為車輪驅/制動轉矩?？紤]整車主要運行車速范圍為30～70 km/h，對應轉速約為150～350 r/min，此時電驅動系統的總體效率均在90%以上，可以很好地滿足商用車節(jié)能減排要求。從全生命周期的成本來看，電動輪帶來的運行成本下降基本與整車購置成本相當，經濟效益明顯，這也能有效支撐電動輪的商業(yè)應用。

圖11 電動輪的效率MAP 圖

2.2 電驅動橋設計

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動電動輪的驅動橋方案，并引入轉矩矢量分配控制，保證低速轉向輕便與高速穩(wěn)定性控制，提高整車經濟性與安全性。驅動橋控制器采用TC275 三核MCU，一個單片機可以同時控制驅動橋的左右兩臺電動輪輪轂電機。驅動橋如圖12所示。

圖12 雙輪并裝驅動橋方案

圖13為所開發(fā)的電動輪與當前已發(fā)布的產品級電動輪的對比，可見采用新構型+匹配優(yōu)化+油冷的設計方案取得了更高的驅動轉矩與更輕的單橋質量，當前整橋質量已和傳統集中驅動相當，有效解決了簧下質量問題?？紤]到上述基于電動輪的分布式電驅動系統的直驅優(yōu)勢，系統的驅動效率比集中驅動還能進一步提升近10%，使其在性能和成本上均具有優(yōu)勢。

圖13 電驅動橋方案對比

3 儲氫與燃料電池系統設計

3.1 燃料電池系統

重載商用車功率需求大，根據上述系統參數設計，35 t 級載貨車80 km/h 的巡航平均功率可達84.57 kW 以上，49 t級牽引車90 km/h的巡航平均功率可達128.07 kW 以上。但在本文開展動力系統設計階段，國內尚無100 kW 燃料電池系統，給技術開發(fā)帶來了極大的挑戰(zhàn)。

圍繞100 kW 燃料電池研發(fā)目標，本文團隊通過和國內產業(yè)鏈企業(yè)聯合技術攻關，逐一解決了空壓機、循環(huán)泵和冷卻水泵等大功率燃料電池零部件空白難題，開發(fā)了國內首個上公告的大功率燃料電池系統，如圖14和圖15所示；在此基礎上，近兩年進一步完成了全球首臺單系統240 kW 燃料電池系統開發(fā)，如圖16 所示。兩代燃料電池系統基本性能參數如表7所示。

表7 燃料電池系統性能參數

圖14 燃料電池系統電堆外形圖

圖15 109 kW燃料電池系統

圖16 240 kW燃料電池系統

本文所開發(fā)系統使用了第一代大功率燃料電池系統，通過優(yōu)化電堆設計和控制策略，系統在工作溫度75 ℃、氫氣壓力170 kPa（絕壓）、空氣壓力150 kPa（絕壓）、空氣計量比1.8 和氫氣計量比1.4的條件下，系統輸出功率可達109 kW，電堆電壓標準差為6 mV，可以滿足整車大功率輸出需求。

為驗證大功率燃料電池系統的耐久性，將該燃料電池系統裝在具有道路測試資格的城市客車上，完成了1 500 h 道路實車測試。以20%性能衰退為終點分析主要工作點的衰退速度，該款燃料電池系統的預測壽命超過了10 000 h。

從全生命周期使用成本的角度考慮，商用車燃料電池系統的核心還是耐久性與效率。根據汽車生命周期成本評估，燃料電池系統的額定點效率從45%提升到50%，可使汽車全生命周期的能源成本下降近10%，所帶來的收益對于系統設計影響顯著。因此，商用車燃料電池系統匹配設計須特別關注效率優(yōu)化，在最大空間尺寸的邊界下，盡量兼顧高效與長壽命需求，這對于降低全生命周期成本具有重要意義。

3.2 液氫儲供系統

高密度、高安全和低成本的車載儲氫系統是氫燃料電池汽車走向實用化、規(guī)?；年P鍵。針對車載儲氫需求，目前已發(fā)展出高壓氣態(tài)儲氫、低溫液態(tài)儲氫、高壓深冷儲氫、金屬儲氫和有機物儲氫等多種技術路線。其中，低溫液態(tài)儲氫技術在成本與儲氫質量密度上具有更佳的潛力，并在國外氫能領域和國內航天技術領域已有一定應用。目前，我國尚未有液氫車載應用的先例，本文希望以此探索該項技術的可行性。

相比高壓氣態(tài)儲氫罐，車載液氫儲供系統須突破車載液氫儲罐設計與制備、多工況液氫流量壓力精確控制和車載液氫系統氫氣回收處理等關鍵技術。

針對液氫儲罐絕熱設計、真空設計、支撐結構設計和輕量化設計等核心技術難題，采用了低漏熱支撐與出管結構、小間距高真空多層絕熱結構和夾層管氣封液結構設計等關鍵技術，通過低溫臥式容器傳熱性能優(yōu)化，最終的液氫儲罐結構如圖17所示。

圖17 液氫儲罐結構圖

為保證液氫儲罐使用安全，系統在構型、工藝、材料和使用等方面提出了一系列安全方案。

（1）液態(tài)氫轉變?yōu)闅鈶B(tài)氫會導致體積膨脹約845 倍，超壓設計對安全尤為重要。液氫儲罐的安全泄放裝置包括兩個安全閥，或一個安全閥和爆破片串聯。爆破片可以在超壓泄放前避免氫氣泄漏，安全閥可以在超壓泄放后回到關閉狀態(tài)。

（2）自增壓汽化器上設置低溫截止閥和電磁閥，通過工藝流程保證不同時關閉。

（3）所有涉氫管道、閥門等設備和管道組成件的材料均與氫相容，主體材料為奧氏體不銹鋼304、316L，管材供貨狀態(tài)為固溶、酸洗鈍化。

（4）液氫外容器的安全泄放裝置采用保險器，可反復使用。即使夾層真空度喪失，保險器彈出后也可復位。

（5）氫氣排放方向、場所的要求：氫氣排放位置高于供電部件200 mm以上。

在液氫儲氫系統工作時，液氫須換熱蒸發(fā)為常溫氫氣后再供應至燃料電池。為保證氫氣的持續(xù)供應，本系統采用擠壓供應方案維持液氫儲罐持續(xù)排液，圖18為其示意圖。

圖18 液氫儲罐自增壓擠壓供液

液氫復合汽化器是液氫儲供系統冷能和熱能綜合利用的核心，通過將燃料電池散熱系統與氫汽化系統耦合，可實現散熱與加熱的能量綜合利用。為維持氫系統壓力穩(wěn)定，氫回路中還增加了一套緩沖罐，通過壓力閉環(huán)控制，以實現氫系統與燃料電池系統的連續(xù)穩(wěn)定運行。

由于低溫液體難以與環(huán)境絕對絕熱，液氫在靜置狀態(tài)下會不斷蒸發(fā)導致系統壓力上升，如果壓力超過警戒值則須打開泄壓閥排氫，對系統經濟性、安全性與使用便利性帶來不利影響。

為維持儲罐內壓力穩(wěn)定，本文設計了液氫儲供系統的揮發(fā)氫氣（boil-off gas，BOG）回收系統，由液氫儲罐壓力傳感器、電磁閥、液氫儲罐、液氫汽化器、單向閥、緩沖罐和連接管路組成。其中，電磁閥分別與壓力傳感器和液氫儲罐連接。壓力傳感器指示的液氫儲罐內壓力作為電控單元的輸入信號，電磁閥作為執(zhí)行器。

BOG 系統如圖19 所示，根據燃料電池開機和停機分為兩種模式。

圖19 液氫儲供系統BOG回收系統圖

（1）燃料電池工作時，揮發(fā)氫氣回收系統管路中的電磁閥關閉，液氫供氫管路閥門開啟，液氫汽化后正常進入到燃料電池系統參與反應。

（2）燃料電池停機時，揮發(fā)氫氣回收系統管路中的BOG 電磁閥關閉，液氫供氫管路閥門關閉。此外，若壓力傳感器測量的氫氣壓力超過設置值時，系統控制電磁閥開啟，氫氣經過緩沖罐后進入到燃料電池；當壓力再次低于設置值時，控制單元控制電磁閥關閉。

BOG 系統保證了液氫儲罐內壓力的穩(wěn)定，且盡可能地減少了氫氣的蒸發(fā)浪費。

基于上述液氫儲供系統關鍵技術的研究和整車性能指標的需求，本文完成了35 t級載貨車與49 t級牽引車的液氫儲供系統布局。35 t級載貨車的60 kg級儲供系統包含2 套30 kg 液氫罐（圖20），49 t 級牽引車的100 kg 級儲供系統采用80 kg 液氫儲罐（圖21）后置+30 kg 液氫儲罐側置的組合方案。30 和80 kg 兩種規(guī)格液氫儲罐的質量儲氫密度（不含附件）分別為9.33%和10.24%；兩種規(guī)格液氫儲罐的體積儲氫密度（不含附件）分別為45.3 和40.8 g/L，液氫儲供系統具體技術規(guī)格如表8所示。

圖20 30 kg級液氫儲供系統

圖21 80 kg級液氫儲供系統

表8 液氫儲供系統技術規(guī)格

3.3 液氫系統日靜態(tài)蒸發(fā)率測試

為更好地評價所開發(fā)的氫系統的絕熱能力，本文測試了液氫系統的日靜態(tài)蒸發(fā)率。依據GB/T18443.5—2010《真空絕熱深冷設備性能試驗方法第5 部分：靜態(tài)蒸發(fā)率測量》，采用氣體質量流量計測量單位時間內被檢件中液氫蒸發(fā)后通過流量計的氣體流量。蒸發(fā)率測試方法示意圖如圖22 所示，測試現場照片見圖23。蒸發(fā)率計算公式為

圖22 靜態(tài)蒸發(fā)率測試方法

圖23 靜態(tài)蒸發(fā)率測試現場照片

式中：α和α分別為測試蒸發(fā)率和靜態(tài)蒸發(fā)率，%/d；為排放氣體質量流量，kg/d；為流量計的校準系數；為標準大氣壓下飽和液體密度，kg/m；為液氫瓶有效容積，m；和分別為試驗環(huán)境壓力下和標準大氣壓力下飽和液氫汽化潛熱，kJ/kg；、和分別為標準大氣壓下飽和液氫溫度、試驗日平均環(huán)境溫度和試驗日被檢件平均壓力對應飽和溫度，K。

用于液氫蒸發(fā)率測試的計算參數如表9所示。

表9 液氫蒸發(fā)率測試表

基于上述測試方案，30 kg 液氫儲罐基于液氫介質完成了液氫儲氫系統的日蒸發(fā)率測試，測試結果如圖24所示。

圖24 蒸發(fā)量變化曲線

基于測試結果可知，液氫儲氫系統使用液氮介質的日靜態(tài)蒸發(fā)率為5.44%，滿足低于6%的液氫儲供系統性能指標要求。

在液氫儲供系統開發(fā)過程中，其安全閥開啟壓力成為關鍵指標。開啟壓力過高可能對系統安全性帶來較大風險，而開啟壓力過低既不利于實際使用，也不利于燃料電池系統氫氣系統供給利用。

液氫儲供系統的泄壓閥開啟壓力應與液氫的物理性質相符合。圖25 為液氫的三相圖，其中液氫的臨界壓力為12.84 bar，高于臨界壓力，氫將從液態(tài)轉化為臨界態(tài)，使系統壓力快速上升。從系統安全角度考慮，儲氫系統必須嚴格避免進入臨界狀態(tài)，一旦液氫全部轉為臨界狀態(tài)，系統無法通過泄壓維持系統壓力安全。由此，液氫的安全壓力建議設計在12.84 bar 以下，以滿足對于氫系統的安全監(jiān)控需求。需要注意的是，如果以此為壓力范圍，未來也須進一步優(yōu)化燃料電池氫系統的設計，使其兼容低壓氫氣供給工作狀態(tài)。

圖25 氫氣相圖［37］

4 整車開發(fā)與實車測試驗證

4.1 整車布置

基于圖3 串聯混合動力系統拓撲結構，與上面整車動力系統部件設計參數匹配，兩型燃料電池重型商用車的具體底盤動力系統布置如圖26所示。

圖26 重型商用車動力系統技術方案

基于上述布置，本文完成了兩型液氫燃料電池重型商用車樣車的試制和集成，如圖27 和圖28所示。

圖27 35 t級載貨車實物圖

圖28 49 t級牽引車實物圖

4.2 實車道路試驗

在第三方汽車檢測技術公司的參與下，兩型液氫燃料電池重型商用車樣車在交通部公路交通試驗場完成了動力性和經濟性試驗。

試驗主要內容如下：

（1）30 min巡航車速試驗；

（2）最高車速試驗；

（3）動力系統峰值功率試驗；

（4）巡航經濟性試驗。

受限于測試時間與用氫規(guī)范，經濟性試驗中整車采用40 km/h勻速行駛，并推算至滿容量儲氫續(xù)駛里程，采集記錄實測行駛里程、時間、電量與液氫液位。在計算氫耗時，動力電池電量變化會根據燃料電池系統平均效率折算為氫耗?；诓杉瘜崪y里程與等效總氫耗，即可通過液氫儲供系統的總儲氫量線性估計最大續(xù)駛里程。

基于上述方法，兩型液氫燃料電池重型商用車完成了約200 km 的經濟性高環(huán)測試和動力性試驗與經濟性試驗，兩款車型試驗結果分別如表10 和表11所示。

表10 35 t級載貨車實車道路試驗結果

表11 49 t級牽引車實車道路試驗結果

試驗結果表明，本文所開發(fā)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。

4.3 分析討論

分布式驅動液氫燃料電池重型商用車完成了多項創(chuàng)新技術的驗證，但仍需一段時間完成從技術向產品的優(yōu)化與迭代。結合行業(yè)與產品的應用推廣規(guī)律，本文也對各項創(chuàng)新技術產品化應用的潛在瓶頸與挑戰(zhàn)進行了綜合討論。

（1）液氫終端消費價格

當前液氫僅供特種領域應用，制備成本仍極高，要實現商業(yè)化應用，價格在持續(xù)降低至30元/kg以下。

降低液氫成本的契機源于兩個方面：一是可再生能源的電價成本降低；二是大規(guī)模氫液化工廠的關鍵技術突破?；诋斍肮夥?.2 元/（kW·h）電價和30 t/天液化工廠8 kW·h/kg的液化電耗，液氫的出廠價格可控制在15元/kg以下。進一步，考慮液氫的運輸與加注成本相比高壓氣氫顯著降低，這使液氫的終端消費者價格非常有希望降至30元/kg以下。

（2）大功率燃料電池的成本與壽命

商用車燃料電池須滿足3萬h的使用需求，總價格須控制在5萬元水平，面臨極大的挑戰(zhàn)。

參考路線圖的發(fā)展預期，燃料電池系統的中期價格有望降至1 000元/kW，重型商用車100-200 kW燃料電池系統所需的購置成本為10～20萬元，使用戶購置體驗不佳，須予以一定補貼支持或優(yōu)惠政策。對照內燃機5萬元的價格水平，補貼后或遠期價格降至300元/kW以下時，購置壓力可以得到全面緩解。

需要注意的是，燃油成本是決定重型商用車經濟性的核心，燃料電池節(jié)能的關鍵是效率。當市場接受燃料電池之后，適當提高燃料電池價格以配置更高的工作效率與更長壽命，來達到更低的全生命周期成本，也是可行的技術路線。

（3）液氫儲罐成本的降低與批量應用

液氫長期以來一直應用于特種領域，相關技術在車載應用基本處于空白狀態(tài)，全面應用還需要大量驗證與體系建設。

對比來看，液氫技術與LNG 具有很大的相似性。自我國開始應用車載LNG 技術，全產業(yè)鏈在十三五期間逐步實現了國產化替代，瓶、罐、閥、泵、加注槍等成本飛速下降，單罐售價降低到3 萬元以下，并已開發(fā)出雙罐1 000 km 的長途重載方案。參考LNG 的國產化替代過程，目前產業(yè)鏈上下游對于液氫技術體系的突破充滿信心。由于液氫產業(yè)鏈較長，技術空白多，須從系統架構的角度逐步完善體系建設。

（4）分布式驅動電動輪技術

當前，商用車智能化、電動化已是大趨勢，系統對于驅制動性能的要求也會不斷提升。由于電機在高速與低速的效率難以同時兼顧，現有集中驅動構型為滿足全工況高效率使用需求，不可避免地要引入變速器等傳動結構，這使系統復雜度較高，且效率難以全面提升至90%以上。輪轂電機驅動技術在經濟性和制動性能方面的潛力還未全面挖掘，具有極大的空間。

從近期國內外發(fā)布的最新產品來看，分布式驅動與電動輪技術逐步升溫。電動輪的技術優(yōu)勢已很明晰，核心的難點還是工程可靠性的提高和成本的降低。

5 結論

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，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(chuàng)新技術。

基于關鍵零部件技術方案突破，開發(fā)了國內首個直接應用于整車的大容量車載液氫儲供系統，和首款上公告的百千瓦級燃料電池系統，同時完成了全球首輛35 t 級和49 t 級液氫燃料電池分布式驅動重型商用車的研制與道路試驗。

開發(fā)過程中取得的經驗有：

（1）發(fā)展分布式驅動技術可縮短動力傳遞環(huán)節(jié)，將驅動系統的傳動效率提升8%～10%，降低全生命周期成本；

（2）車載液氫儲氫系統比高壓儲氫具有更高的儲氫密度和更好的成本下降預期，其儲氫密度可達到8%以上，續(xù)駛里程可以突破1 000 km，使燃料電池在長途重載場景具備實際應用價值；

（3）重型商用車用大功率燃料電池須更加注重效率與壽命，提高效率可有效減少全生命周期氫耗，降低運營成本。

本文所涉及的創(chuàng)新技術方案基本完成了驗證，但在后續(xù)產業(yè)化過程中還須突破系列量產化關鍵工藝與技術。