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

（1. 清華大學(xué)車輛與運(yùn)載學(xué)院，北京 100084；2. 北京航天試驗(yàn)技術(shù)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(guó)50%的石油消費(fèi)總量，并產(chǎn)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(dòng)化升級(jí)，是支撐國(guó)家“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)與能源安全轉(zhuǎn)型重大戰(zhàn)略需求的關(guān)鍵技術(shù)。

我國(guó)新能源汽車市場(chǎng)增長(zhǎng)十分迅速。乘聯(lián)會(huì)統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)2021 年新能源汽車銷量達(dá)到352.1 萬(wàn)輛，同比增長(zhǎng)157.5%，汽車電動(dòng)化升級(jí)已經(jīng)進(jìn)入加速階段。

工信部于2020 年制定的《推動(dòng)公共領(lǐng)域車輛電動(dòng)化行動(dòng)計(jì)劃》中提出：“目前我國(guó)的重型商用車保有量已超850萬(wàn)輛，工程機(jī)械保有量也超過了800萬(wàn)輛，如果將這1 650萬(wàn)輛重型商用車和工程機(jī)械全部電動(dòng)化，在全部應(yīng)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(guó)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(dòng)化升級(jí)對(duì)成本和性能也更為敏感，是國(guó)內(nèi)外新能源技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)與難點(diǎn)。

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)距離重型商用車的理想技術(shù)方案。目前，國(guó)內(nèi)外的汽車廠商和專家學(xué)者對(duì)燃料電池重型商用車已經(jīng)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(lái)，我國(guó)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(shù)發(fā)展十分迅速，已有多款車型完成公告，并累計(jì)生產(chǎn)超過3 000輛，占總保有量的50%左右。隨交通電動(dòng)化的需求越來(lái)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(guó)內(nèi)外技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)。

圖1 國(guó)內(nèi)外燃料電池重型商用車研發(fā)車型

表1列出當(dāng)前國(guó)內(nèi)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(zhǎng)途燃料電池商用車的主要短板。

表1 國(guó)內(nèi)外氫燃料電池重型商用車性能

提高續(xù)駛里程的關(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。從能量流與動(dòng)力系統(tǒng)的角度出發(fā)，則須突破高效大功率燃料電池、高密度儲(chǔ)氫和高效率電傳動(dòng)技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)。

目前，針對(duì)干線物流重型商用車的電動(dòng)化技術(shù)仍在探索中，產(chǎn)業(yè)與學(xué)界對(duì)此提出了一系列的創(chuàng)新思路，但與之對(duì)應(yīng)的應(yīng)用開發(fā)研究十分不足，各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)也尚未形成明確的技術(shù)路線。本文中針對(duì)城市重型、長(zhǎng)途貨運(yùn)重型商用車的電動(dòng)化需求，提出了分布式驅(qū)動(dòng)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(jì)與開發(fā)，完成了2 輛35 t級(jí)液氫燃料電池載貨車和2輛49 t級(jí)液氫燃料電池牽引車的設(shè)計(jì)、集成、制造和測(cè)試。

1 重型商用車動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)型分析與設(shè)計(jì)

1.1 動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)型設(shè)計(jì)

商用車是重要生產(chǎn)工具，其電動(dòng)化轉(zhuǎn)型既須保證性能與燃油車相當(dāng)，更須控制成本的增加。從全生命周期成本分析，商用車的總?cè)加统杀臼瞧滟?gòu)置成本的5～10 倍水平，如何提高動(dòng)力系統(tǒng)效率、降低燃料成本，是推動(dòng)商用車電動(dòng)化升級(jí)的關(guān)鍵。

燃料電池商用車動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，其效率主要取決于燃料電池系統(tǒng)效率和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率。

目前，電動(dòng)汽車主要使用了集中電驅(qū)動(dòng)與分布式電驅(qū)動(dòng)兩種構(gòu)型。圖2 對(duì)比了兩種典型動(dòng)力系統(tǒng)的傳動(dòng)效率，集中驅(qū)動(dòng)與傳統(tǒng)動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)型相似，通過變速器、主減速器和輪邊減速器等傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，將一臺(tái)大功率電機(jī)的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩傳遞至各個(gè)輪胎，其技術(shù)方案可參考傳統(tǒng)動(dòng)力系統(tǒng)，相對(duì)較為成熟，但由于傳動(dòng)鏈較長(zhǎng)，沒有充分發(fā)揮電傳動(dòng)的高效優(yōu)勢(shì)，部分低載荷區(qū)的效率甚至?xí)档偷?0%左右。

圖2 分布式電驅(qū)動(dòng)與集中式驅(qū)動(dòng)效率對(duì)比

對(duì)比圖2所示兩種傳動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)型和各傳動(dòng)部件效率，分布式電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)型可以有效縮短傳動(dòng)鏈，相比集中式電驅(qū)動(dòng)構(gòu)型有望將整車驅(qū)動(dòng)效率提升近10%，并大幅簡(jiǎn)化驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的布置。根據(jù)汽車生命周期成本評(píng)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(gòu)置成本；OC表示運(yùn)營(yíng)成本，包括汽車年使用過程中所花費(fèi)的能源費(fèi)用、維護(hù)費(fèi)用、稅與保險(xiǎn)和其他成本的總和；表示汽車處置時(shí)的殘值。

運(yùn)營(yíng)成本包括能源成本、維護(hù)成本和稅費(fèi)、保險(xiǎn)費(fèi)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(jià)格，元/kg；表示汽車總行駛里程，km。

考慮商用車運(yùn)營(yíng)成本可達(dá)到購(gòu)置成本的10 倍，如果驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率提升5%～10%，所節(jié)省的費(fèi)用相當(dāng)于現(xiàn)有整車購(gòu)置費(fèi)用的50%～100%，使用成本下降?完全可以覆蓋電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)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(qū)動(dòng)方案的主要原因。

據(jù)此，本文針對(duì)重型商用車應(yīng)用需求，提出了面向35 t 級(jí)燃料電池重型商用車的8×4 分布式驅(qū)動(dòng)方案，和49 t級(jí)燃料電池重型商用車的6×4分布式驅(qū)動(dòng)方案，以探索重載電動(dòng)輪的技術(shù)可行性。

氫燃料電池系統(tǒng)是重型商用車開發(fā)的難點(diǎn)。重型商用車功率需求大、續(xù)駛里程長(zhǎng)，需要突破100～200 kW 水平的高效燃料電池系統(tǒng)與100 kg 級(jí)的儲(chǔ)氫系統(tǒng)兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

高壓儲(chǔ)氫技術(shù)存在體積質(zhì)量大、加氫慢、成本高等問題，難以適用于大容量?jī)?chǔ)氫系統(tǒng)的需求。液氫技術(shù)儲(chǔ)氫密度高，加注方便，國(guó)外已應(yīng)用于氫氣大規(guī)模輸運(yùn)與站上儲(chǔ)氫，被認(rèn)為是大容量車載儲(chǔ)氫的重要技術(shù)方向。國(guó)內(nèi)液氫主要應(yīng)用于航天領(lǐng)域，在本文工作前尚未在車載領(lǐng)域得到應(yīng)用探索。

十三五以來(lái)，我國(guó)車載液化天然氣（liquefied natural gas，LNG）技術(shù)發(fā)展已十分成熟，全產(chǎn)業(yè)鏈逐一實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化，使單罐售價(jià)已降至3 萬(wàn)元以下。液氫儲(chǔ)氫在核心零部件上與LNG 具有技術(shù)相似性，基于LNG 技術(shù)的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，本文中擬探索大容量車載液氫儲(chǔ)氫技術(shù)方案。

儲(chǔ)氫技術(shù)方案成本對(duì)比如表2 所示，從最核心的成本角度分析，液氫系統(tǒng)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(shì)，未來(lái)全系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)化后，更是有望將儲(chǔ)氫成本降至1 000元/kg以下。

表2 儲(chǔ)氫技術(shù)方案對(duì)比

基于上述分析，本文以液氫儲(chǔ)供與分布式驅(qū)動(dòng)作為主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)，提出了分布式驅(qū)動(dòng)液氫燃料電池重型商用車構(gòu)型，如圖3 所示，并以此開發(fā)了35 t 級(jí)載貨車和49 t 級(jí)牽引車兩款重型商用車車型。

圖3 動(dòng)力系統(tǒng)總成拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

該動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)型主要包括由燃料電池系統(tǒng)、液氫儲(chǔ)供系統(tǒng)與動(dòng)力電池系統(tǒng)組成的混合動(dòng)力系統(tǒng)、電動(dòng)輪與驅(qū)動(dòng)橋控制器組成的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和其他附件系統(tǒng)構(gòu)成。

其中，燃料電池系統(tǒng)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(tǒng)與動(dòng)力電池組成串聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)；液氫儲(chǔ)供系統(tǒng)向燃料電池供氫，主要包含液氫瓶、復(fù)合汽化器、緩沖罐、揮發(fā)氫氣回收系統(tǒng)和氫系統(tǒng)控制器等部件；電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包含4 個(gè)相同的輪轂電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)輪和兩個(gè)驅(qū)動(dòng)橋控制器，每個(gè)驅(qū)動(dòng)橋控制器上集成了同橋左右兩側(cè)電機(jī)的電機(jī)控制器，兩套電機(jī)控制器共用低壓邏輯單元和冷卻水路。

所開發(fā)的動(dòng)力系統(tǒng)總成具有以下特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)：

（1）驅(qū)動(dòng)高效率：分布電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可以最大限度地提升驅(qū)動(dòng)效率；

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

（3）高動(dòng)力性：動(dòng)力電池系統(tǒng)可以提供系統(tǒng)所需的瞬時(shí)高功率，快速響應(yīng)整車動(dòng)力需求。為節(jié)省底盤布置空間，動(dòng)力電池電量相對(duì)較小（＜100 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(tǒng)不僅可以提升儲(chǔ)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(tǒng)的部分散熱壓力。

1.2 整車設(shè)計(jì)參數(shù)與動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配

針對(duì)典型重型商用車性能需求，所設(shè)計(jì)的35 t和49 t級(jí)燃料電池重型商用車的基本參數(shù)如表3所示。

表3 燃料電池重型商用車設(shè)計(jì)參數(shù)與性能指標(biāo)

1.2.1 燃料電池系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)

由于目標(biāo)車型的高速、重載和車輛加速制動(dòng)頻繁的特點(diǎn)，為保護(hù)燃料電池的耐久性，適應(yīng)燃料電池系統(tǒng)相對(duì)較低的響應(yīng)速度，采用燃料電池系統(tǒng)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(dòng)力電池系統(tǒng)補(bǔ)足的策略。這一策略可以保證燃料電池系統(tǒng)工況平穩(wěn)、提高系統(tǒng)效率和整車的動(dòng)力性與動(dòng)力學(xué)響應(yīng)速度。

根據(jù)汽車縱向動(dòng)力學(xué)功率平衡方程，電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)對(duì)混合動(dòng)力系統(tǒng)的總功率需求為

式中：為電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率；為整車質(zhì)量，kg；為輪胎的滾動(dòng)阻力系數(shù)；α 為地面坡度角，（°）；為空氣阻力系數(shù)；為汽車迎風(fēng)面積，m；為空氣密度，kg/m；為行駛車速，m/s；為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)。

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

49 t 級(jí)牽引車，以持續(xù)最高車速90 km/h 行駛時(shí)，所需混合動(dòng)力系統(tǒng)功率為

其中，輪胎的滾動(dòng)阻力系數(shù)根據(jù)貨車輪胎滾阻經(jīng)驗(yàn)公式確定，如式（6）所示；電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率包括電機(jī)控制器效率和電動(dòng)輪平均減速器效率，根據(jù)仿真和試驗(yàn)結(jié)果，取= 90.0%?？紤]到整車存在附件系統(tǒng)與燃料電池附件系統(tǒng)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(dòng)力系統(tǒng)中的燃料電池系統(tǒng)方案為：35 t級(jí)載貨車的燃料電池系統(tǒng)由單臺(tái)額定功率100 kW燃料電池組成，49 t 級(jí)牽引車的燃料電池系統(tǒng)由兩臺(tái)并聯(lián)的額定功率100 kW燃料電池組成。

1.2.2 動(dòng)力電池參數(shù)設(shè)計(jì)

燃料電池系統(tǒng)作為車用電源有效率高、污染小、續(xù)駛里程長(zhǎng)、運(yùn)行平穩(wěn)和振動(dòng)噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也存在一些問題。動(dòng)力電池系統(tǒng)相比燃料電池系統(tǒng)具備響應(yīng)速度快和峰值功率高的特點(diǎn)，可以滿足整車頻繁的加速、制動(dòng)等工況的功率響應(yīng)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(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)型將燃料電池系統(tǒng)通過DC/DC變換器與動(dòng)力電池系統(tǒng)并聯(lián)，共同為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供能源，采用該構(gòu)型動(dòng)力電池可回收再生制動(dòng)的能量和吸收燃料電池富余的能量；動(dòng)力電池作為燃料電池的輸出功率平衡器，可以調(diào)節(jié)燃料電池的效率和動(dòng)態(tài)特性，改善整車燃料經(jīng)濟(jì)性，提高動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。

整車在加速或爬坡過程中，功率需求高，燃料電池?zé)o法快速響應(yīng)，由動(dòng)力電池瞬時(shí)大功率放電；在整車制動(dòng)工況過程中，不再消耗動(dòng)力系統(tǒng)能量，此外由于燃料電池響應(yīng)慢，依然保持功率輸出，此時(shí)要求動(dòng)力電池具備吸收瞬間大功率的能力，否則會(huì)拉高母線電壓，造成負(fù)載過壓保護(hù)。因此，動(dòng)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(biāo)，勻速行駛工況下，動(dòng)力電池容量須滿足：

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

通過對(duì)本文設(shè)計(jì)的單臺(tái)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(dòng)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(dòng)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(wú)法同時(shí)滿足大倍率的充放電要求，故混合動(dòng)力系統(tǒng)中動(dòng)力電池的SOC 使用區(qū)間一般為30%～80%，根據(jù)不同的系統(tǒng)需求會(huì)有一定變化。

根據(jù)燃料電池工作電壓范圍和兩型燃料電池重型商用車的動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)型，為35 t級(jí)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(dòng)力電池系統(tǒng)；為49 t級(jí)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(dòng)力電池系統(tǒng)。具體性能指標(biāo)如表4所示。

表4 動(dòng)力電池系統(tǒng)性能參數(shù)

1.2.3 電動(dòng)輪系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)和整車動(dòng)力性能校核

重載電動(dòng)輪需要滿足大載荷、大功率、大轉(zhuǎn)矩和高效率的需求。通過構(gòu)型比較，采用中速電機(jī)+一級(jí)減速的電動(dòng)輪構(gòu)型方案。該構(gòu)型可兼顧高轉(zhuǎn)矩與高功率，適合多數(shù)載荷較大的場(chǎng)景。通過電機(jī)設(shè)計(jì)優(yōu)化，達(dá)到了較高的最高效率和較寬的高效區(qū)分布；通過電機(jī)與減速器的匹配優(yōu)化，電動(dòng)輪可以更多地工作在高效區(qū)，實(shí)現(xiàn)較高的經(jīng)濟(jì)性。

基于表3選定的構(gòu)型方案與動(dòng)力系統(tǒng)峰值功率和轉(zhuǎn)矩需求，初步明確電動(dòng)輪的設(shè)計(jì)性能參數(shù)如表5所示。

表5 電動(dòng)輪系統(tǒng)性能參數(shù)

基于上述電動(dòng)輪參數(shù)設(shè)計(jì)，按照取= 96.0%的電動(dòng)輪平均減速器效率，電動(dòng)輪的峰值轉(zhuǎn)矩達(dá)到了16 700 N·m，短時(shí)峰值轉(zhuǎn)矩可達(dá)18 350 N·m。

基于整車基本參數(shù)和設(shè)計(jì)的電動(dòng)輪系統(tǒng)參數(shù)，可以進(jìn)行35 t 級(jí)載貨車和49 t 級(jí)牽引車兩型燃料電池重型商用車的動(dòng)力性能指標(biāo)校核計(jì)算。

根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系，兩型燃料電池重型商用車的最大車速可達(dá)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(qū)動(dòng)電機(jī)最大轉(zhuǎn)速；為電動(dòng)輪減速器速比；為電動(dòng)輪輪胎有效半徑。

式（3）所示的汽車縱向動(dòng)力學(xué)功率平衡方程中，將電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率替換為電動(dòng)輪平均減速器效率，計(jì)算平直路面下，滿載車輛以峰值最高車速100 km/h行駛時(shí)，電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)總輸出功率需求：

35 t級(jí)載貨車，驅(qū)動(dòng)電機(jī)總輸出功率為

49 t級(jí)牽引車，驅(qū)動(dòng)電機(jī)總輸出功率為根據(jù)設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定功率60 kW，4臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)總額定功率可達(dá)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(qū)動(dòng)功率需求。35 t 級(jí)載貨車以20 km/h 車速通過坡度25%，即坡角為14.04°的坡道時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)總輸出功率需求為

49 t 級(jí)牽引車以20 km/h 車速通過坡度20%，即坡角為11.31°的坡道時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)總輸出功率需求為

根據(jù)設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的短時(shí)峰值功率180 kW，4 臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)總峰值功率720 kW，符合本論文設(shè)計(jì)的兩型燃料電池重型商用車的最大爬坡度性能指標(biāo)。

基于燃料電池、動(dòng)力電池與電動(dòng)輪的初步參數(shù)設(shè)計(jì)，對(duì)整車加速動(dòng)力性分析如圖4 和圖5 所示。對(duì)于35 t級(jí)載貨車，若動(dòng)力系統(tǒng)提供峰值功率（動(dòng)力電池、燃料電池滿功率輸出），0-100 km/h 加速時(shí)間需23.17 s，0-60 km/h 的加速時(shí)間為8.3 s；若燃料電池不輸出功率、僅由動(dòng)力電池提供額定功率，0-60 km/h 的加速時(shí)間也可保證在20.07 s 以內(nèi)，具有較好的動(dòng)力性。對(duì)于49 t 級(jí)牽引車，若動(dòng)力系統(tǒng)提供峰值功率，0-100 km/h 加速時(shí)間需36.00 s，0-60 km/h 的加速時(shí)間為12.67s；若動(dòng)力系統(tǒng)僅由動(dòng)力電池提供額定功率、燃料電池不工作，0-60 km/h 的加速時(shí)間為46.73 s。

圖4 35 t級(jí)重型商用車加速性能分析

圖5 49 t級(jí)重型商用車加速性能分析

基于所設(shè)計(jì)的分布式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，重型商用車的爬坡性能也得到顯著提升。基于爬坡狀態(tài)下的整車行駛阻力平衡圖與動(dòng)力系統(tǒng)功率平衡圖分析，在動(dòng)力系統(tǒng)峰值功率工況下，35 t 級(jí)載貨車動(dòng)力系統(tǒng)可滿足40%爬坡需求并維持16.80 km/h 車速，49 t級(jí)牽引車動(dòng)力系統(tǒng)可滿足25%爬坡需求并維持

14.10 km/h車速。

綜上所述，結(jié)合動(dòng)力系統(tǒng)功率能力，本文設(shè)計(jì)的電動(dòng)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(yù)設(shè)性能指標(biāo)。

進(jìn)一步分析兩型重型商用車的續(xù)駛里程，基于動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法計(jì)算C-WTVC 駕駛循環(huán)下的最長(zhǎng)續(xù)駛里程，結(jié)果如表6所示。此時(shí)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(dá)615.3和768.7 km。

表6 C-WTVC循環(huán)工況分析結(jié)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(jì)算結(jié)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(dá)到1 088 和1 512 km。這也驗(yàn)證了液氫系統(tǒng)對(duì)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(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 高轉(zhuǎn)矩密度輪轂電機(jī)設(shè)計(jì)

簧下質(zhì)量是制約電動(dòng)輪使用的關(guān)鍵因素，如何提高電機(jī)轉(zhuǎn)矩密度，降低輪轂電機(jī)質(zhì)量是本文關(guān)注的重點(diǎn)。

為提高電機(jī)的峰值功率，電機(jī)采用端部直接油冷散熱方案，冷卻油直接與電機(jī)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(jī)額定與峰值轉(zhuǎn)矩。

針對(duì)油冷需求，輪轂電機(jī)引入了定子油路系統(tǒng)，以外部油泵驅(qū)動(dòng)冷卻油循環(huán)，內(nèi)部在電機(jī)機(jī)殼端部開設(shè)淋油口，冷卻油在重力作用下淋至電機(jī)的端部繞組。由于繞組的軸向?qū)嵯禂?shù)遠(yuǎn)高于徑向?qū)嵯禂?shù)，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?shù)蕉瞬客瓿蔁峤粨Q，有效縮短熱量傳遞路徑，避免了水冷方案冷卻水無(wú)法直接與電機(jī)端部接觸散熱而導(dǎo)致的端部熱孤島現(xiàn)象。通過仿真得到的電機(jī)額定工況下不同散熱方式時(shí)的溫度分布如圖7所示。由圖7可以看到，相同電機(jī)工況下，油冷方式下的電機(jī)最高溫度比水冷降低了30.3 ℃。

圖7 電機(jī)水冷與油冷溫度分布示意圖

進(jìn)一步地，在實(shí)際電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，往往會(huì)根據(jù)材料特性設(shè)置一個(gè)散熱的邊界條件，如C 級(jí)繞組穩(wěn)態(tài)工作最高溫度≤155 ℃。在此條件下對(duì)電機(jī)在相同散熱要求下進(jìn)行仿真，結(jié)果見圖8。

圖8 限值溫度下的電機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)矩在1 050 N·m時(shí)繞組最高溫度為153.7 ℃；（2）在油冷方式下，電機(jī)轉(zhuǎn)矩在1 250 N·m時(shí)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(jī)的轉(zhuǎn)矩密度提升了20%左右，油冷電機(jī)方案有效提高了電機(jī)的功率密度。

針對(duì)減質(zhì)量需求，本文還探索了一種彎扭解耦構(gòu)型，如圖9 所示。傳統(tǒng)電動(dòng)輪的薄壁承力結(jié)構(gòu)，輪轂電機(jī)殼體既承重力又傳遞轉(zhuǎn)矩，易受力變形，影響定轉(zhuǎn)子氣隙。本構(gòu)型通過將輪轂電機(jī)的承彎與承扭結(jié)構(gòu)功能解耦，套筒-車軸主要承力（圖中紅線），電機(jī)殼體不傳遞彎矩僅傳遞轉(zhuǎn)矩（圖中藍(lán)線），使電機(jī)結(jié)構(gòu)可大幅減薄，所集成的高效率大轉(zhuǎn)矩電動(dòng)輪的轉(zhuǎn)矩密度可達(dá)60 N·m/kg，有效減輕了簧下質(zhì)量。

圖9 彎扭解耦的電動(dòng)輪構(gòu)型示意圖

基于所開發(fā)的輪轂電機(jī)，進(jìn)行聯(lián)合效率測(cè)試。按照100～3 200 r/min電機(jī)轉(zhuǎn)速區(qū)間每個(gè)采樣點(diǎn)間隔100 r/min，0～2 000 N·m 電機(jī)轉(zhuǎn)矩區(qū)間每個(gè)采樣點(diǎn)間隔100 N·m 進(jìn)行標(biāo)定，最終所得的電機(jī)與電機(jī)控制器的聯(lián)合系統(tǒng)實(shí)測(cè)效率如圖10所示。

圖10 電機(jī)及控制器效率MAP

進(jìn)一步，將電機(jī)效率圖與仿真得到的減速器效率圖相結(jié)合，可得整個(gè)電動(dòng)輪的效率MAP 圖，如圖11 所示。圖中橫坐標(biāo)為車輪轉(zhuǎn)速，縱坐標(biāo)為車輪驅(qū)/制動(dòng)轉(zhuǎn)矩?？紤]整車主要運(yùn)行車速范圍為30～70 km/h，對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速約為150～350 r/min，此時(shí)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)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(lái)看，電動(dòng)輪帶來(lái)的運(yùn)行成本下降基本與整車購(gòu)置成本相當(dāng)，經(jīng)濟(jì)效益明顯，這也能有效支撐電動(dòng)輪的商業(yè)應(yīng)用。

圖11 電動(dòng)輪的效率MAP 圖

2.2 電驅(qū)動(dòng)橋設(shè)計(jì)

基于該電動(dòng)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(dòng)電動(dòng)輪的驅(qū)動(dòng)橋方案，并引入轉(zhuǎn)矩矢量分配控制，保證低速轉(zhuǎn)向輕便與高速穩(wěn)定性控制，提高整車經(jīng)濟(jì)性與安全性。驅(qū)動(dòng)橋控制器采用TC275 三核MCU，一個(gè)單片機(jī)可以同時(shí)控制驅(qū)動(dòng)橋的左右兩臺(tái)電動(dòng)輪輪轂電機(jī)。驅(qū)動(dòng)橋如圖12所示。

圖12 雙輪并裝驅(qū)動(dòng)橋方案

圖13為所開發(fā)的電動(dòng)輪與當(dāng)前已發(fā)布的產(chǎn)品級(jí)電動(dòng)輪的對(duì)比，可見采用新構(gòu)型+匹配優(yōu)化+油冷的設(shè)計(jì)方案取得了更高的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩與更輕的單橋質(zhì)量，當(dāng)前整橋質(zhì)量已和傳統(tǒng)集中驅(qū)動(dòng)相當(dāng)，有效解決了簧下質(zhì)量問題?？紤]到上述基于電動(dòng)輪的分布式電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的直驅(qū)優(yōu)勢(shì)，系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)效率比集中驅(qū)動(dòng)還能進(jìn)一步提升近10%，使其在性能和成本上均具有優(yōu)勢(shì)。

圖13 電驅(qū)動(dòng)橋方案對(duì)比

3 儲(chǔ)氫與燃料電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 燃料電池系統(tǒng)

重載商用車功率需求大，根據(jù)上述系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)，35 t 級(jí)載貨車80 km/h 的巡航平均功率可達(dá)84.57 kW 以上，49 t級(jí)牽引車90 km/h的巡航平均功率可達(dá)128.07 kW 以上。但在本文開展動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段，國(guó)內(nèi)尚無(wú)100 kW 燃料電池系統(tǒng)，給技術(shù)開發(fā)帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)。

圍繞100 kW 燃料電池研發(fā)目標(biāo)，本文團(tuán)隊(duì)通過和國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)聯(lián)合技術(shù)攻關(guān)，逐一解決了空壓機(jī)、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(guó)內(nèi)首個(gè)上公告的大功率燃料電池系統(tǒng)，如圖14和圖15所示；在此基礎(chǔ)上，近兩年進(jìn)一步完成了全球首臺(tái)單系統(tǒng)240 kW 燃料電池系統(tǒng)開發(fā)，如圖16 所示。兩代燃料電池系統(tǒng)基本性能參數(shù)如表7所示。

表7 燃料電池系統(tǒng)性能參數(shù)

圖14 燃料電池系統(tǒng)電堆外形圖

圖15 109 kW燃料電池系統(tǒng)

圖16 240 kW燃料電池系統(tǒng)

本文所開發(fā)系統(tǒng)使用了第一代大功率燃料電池系統(tǒng)，通過優(yōu)化電堆設(shè)計(jì)和控制策略，系統(tǒng)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(jì)量比1.8 和氫氣計(jì)量比1.4的條件下，系統(tǒng)輸出功率可達(dá)109 kW，電堆電壓標(biāo)準(zhǔn)差為6 mV，可以滿足整車大功率輸出需求。

為驗(yàn)證大功率燃料電池系統(tǒng)的耐久性，將該燃料電池系統(tǒng)裝在具有道路測(cè)試資格的城市客車上，完成了1 500 h 道路實(shí)車測(cè)試。以20%性能衰退為終點(diǎn)分析主要工作點(diǎn)的衰退速度，該款燃料電池系統(tǒng)的預(yù)測(cè)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(tǒng)的核心還是耐久性與效率。根據(jù)汽車生命周期成本評(píng)估，燃料電池系統(tǒng)的額定點(diǎn)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(lái)的收益對(duì)于系統(tǒng)設(shè)計(jì)影響顯著。因此，商用車燃料電池系統(tǒng)匹配設(shè)計(jì)須特別關(guān)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(zhǎng)壽命需求，這對(duì)于降低全生命周期成本具有重要意義。

3.2 液氫儲(chǔ)供系統(tǒng)

高密度、高安全和低成本的車載儲(chǔ)氫系統(tǒng)是氫燃料電池汽車走向?qū)嵱没?、?guī)?；年P(guān)鍵。針對(duì)車載儲(chǔ)氫需求，目前已發(fā)展出高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫、低溫液態(tài)儲(chǔ)氫、高壓深冷儲(chǔ)氫、金屬儲(chǔ)氫和有機(jī)物儲(chǔ)氫等多種技術(shù)路線。其中，低溫液態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)在成本與儲(chǔ)氫質(zhì)量密度上具有更佳的潛力，并在國(guó)外氫能領(lǐng)域和國(guó)內(nèi)航天技術(shù)領(lǐng)域已有一定應(yīng)用。目前，我國(guó)尚未有液氫車載應(yīng)用的先例，本文希望以此探索該項(xiàng)技術(shù)的可行性。

相比高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫罐，車載液氫儲(chǔ)供系統(tǒng)須突破車載液氫儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)與制備、多工況液氫流量壓力精確控制和車載液氫系統(tǒng)氫氣回收處理等關(guān)鍵技術(shù)。

針對(duì)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)和輕量化設(shè)計(jì)等核心技術(shù)難題，采用了低漏熱支撐與出管結(jié)構(gòu)、小間距高真空多層絕熱結(jié)構(gòu)和夾層管氣封液結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)，通過低溫臥式容器傳熱性能優(yōu)化，最終的液氫儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)如圖17所示。

圖17 液氫儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)圖

為保證液氫儲(chǔ)罐使用安全，系統(tǒng)在構(gòu)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(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)氫會(huì)導(dǎo)致體積膨脹約845 倍，超壓設(shè)計(jì)對(duì)安全尤為重要。液氫儲(chǔ)罐的安全泄放裝置包括兩個(gè)安全閥，或一個(gè)安全閥和爆破片串聯(lián)。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(guān)閉狀態(tài)。

（2）自增壓汽化器上設(shè)置低溫截止閥和電磁閥，通過工藝流程保證不同時(shí)關(guān)閉。

（3）所有涉氫管道、閥門等設(shè)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(xiǎn)器，可反復(fù)使用。即使夾層真空度喪失，保險(xiǎn)器彈出后也可復(fù)位。

（5）氫氣排放方向、場(chǎng)所的要求：氫氣排放位置高于供電部件200 mm以上。

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

圖18 液氫儲(chǔ)罐自增壓擠壓供液

液氫復(fù)合汽化器是液氫儲(chǔ)供系統(tǒng)冷能和熱能綜合利用的核心，通過將燃料電池散熱系統(tǒng)與氫汽化系統(tǒng)耦合，可實(shí)現(xiàn)散熱與加熱的能量綜合利用。為維持氫系統(tǒng)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(shí)現(xiàn)氫系統(tǒng)與燃料電池系統(tǒng)的連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。

由于低溫液體難以與環(huán)境絕對(duì)絕熱，液氫在靜置狀態(tài)下會(huì)不斷蒸發(fā)導(dǎo)致系統(tǒng)壓力上升，如果壓力超過警戒值則須打開泄壓閥排氫，對(duì)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性、安全性與使用便利性帶來(lái)不利影響。

為維持儲(chǔ)罐內(nèi)壓力穩(wěn)定，本文設(shè)計(jì)了液氫儲(chǔ)供系統(tǒng)的揮發(fā)氫氣（boil-off gas，BOG）回收系統(tǒng)，由液氫儲(chǔ)罐壓力傳感器、電磁閥、液氫儲(chǔ)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(chǔ)罐連接。壓力傳感器指示的液氫儲(chǔ)罐內(nèi)壓力作為電控單元的輸入信號(hào)，電磁閥作為執(zhí)行器。

BOG 系統(tǒng)如圖19 所示，根據(jù)燃料電池開機(jī)和停機(jī)分為兩種模式。

圖19 液氫儲(chǔ)供系統(tǒng)BOG回收系統(tǒng)圖

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

（2）燃料電池停機(jī)時(shí)，揮發(fā)氫氣回收系統(tǒng)管路中的BOG 電磁閥關(guān)閉，液氫供氫管路閥門關(guān)閉。此外，若壓力傳感器測(cè)量的氫氣壓力超過設(shè)置值時(shí)，系統(tǒng)控制電磁閥開啟，氫氣經(jīng)過緩沖罐后進(jìn)入到燃料電池；當(dāng)壓力再次低于設(shè)置值時(shí)，控制單元控制電磁閥關(guān)閉。

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

基于上述液氫儲(chǔ)供系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究和整車性能指標(biāo)的需求，本文完成了35 t級(jí)載貨車與49 t級(jí)牽引車的液氫儲(chǔ)供系統(tǒng)布局。35 t級(jí)載貨車的60 kg級(jí)儲(chǔ)供系統(tǒng)包含2 套30 kg 液氫罐（圖20），49 t 級(jí)牽引車的100 kg 級(jí)儲(chǔ)供系統(tǒng)采用80 kg 液氫儲(chǔ)罐（圖21）后置+30 kg 液氫儲(chǔ)罐側(cè)置的組合方案。30 和80 kg 兩種規(guī)格液氫儲(chǔ)罐的質(zhì)量?jī)?chǔ)氫密度（不含附件）分別為9.33%和10.24%；兩種規(guī)格液氫儲(chǔ)罐的體積儲(chǔ)氫密度（不含附件）分別為45.3 和40.8 g/L，液氫儲(chǔ)供系統(tǒng)具體技術(shù)規(guī)格如表8所示。

圖20 30 kg級(jí)液氫儲(chǔ)供系統(tǒng)

圖21 80 kg級(jí)液氫儲(chǔ)供系統(tǒng)

表8 液氫儲(chǔ)供系統(tǒng)技術(shù)規(guī)格

3.3 液氫系統(tǒng)日靜態(tài)蒸發(fā)率測(cè)試

為更好地評(píng)價(jià)所開發(fā)的氫系統(tǒng)的絕熱能力，本文測(cè)試了液氫系統(tǒng)的日靜態(tài)蒸發(fā)率。依據(jù)GB/T18443.5—2010《真空絕熱深冷設(shè)備性能試驗(yàn)方法第5 部分：靜態(tài)蒸發(fā)率測(cè)量》，采用氣體質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量單位時(shí)間內(nèi)被檢件中液氫蒸發(fā)后通過流量計(jì)的氣體流量。蒸發(fā)率測(cè)試方法示意圖如圖22 所示，測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)照片見圖23。蒸發(fā)率計(jì)算公式為

圖22 靜態(tài)蒸發(fā)率測(cè)試方法

圖23 靜態(tài)蒸發(fā)率測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)照片

式中：α和α分別為測(cè)試蒸發(fā)率和靜態(tài)蒸發(fā)率，%/d；為排放氣體質(zhì)量流量，kg/d；為流量計(jì)的校準(zhǔn)系數(shù)；為標(biāo)準(zhǔn)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(yàn)環(huán)境壓力下和標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力下飽和液氫汽化潛熱，kJ/kg；、和分別為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下飽和液氫溫度、試驗(yàn)日平均環(huán)境溫度和試驗(yàn)日被檢件平均壓力對(duì)應(yīng)飽和溫度，K。

用于液氫蒸發(fā)率測(cè)試的計(jì)算參數(shù)如表9所示。

表9 液氫蒸發(fā)率測(cè)試表

基于上述測(cè)試方案，30 kg 液氫儲(chǔ)罐基于液氫介質(zhì)完成了液氫儲(chǔ)氫系統(tǒng)的日蒸發(fā)率測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖24所示。

圖24 蒸發(fā)量變化曲線

基于測(cè)試結(jié)果可知，液氫儲(chǔ)氫系統(tǒng)使用液氮介質(zhì)的日靜態(tài)蒸發(fā)率為5.44%，滿足低于6%的液氫儲(chǔ)供系統(tǒng)性能指標(biāo)要求。

在液氫儲(chǔ)供系統(tǒng)開發(fā)過程中，其安全閥開啟壓力成為關(guān)鍵指標(biāo)。開啟壓力過高可能對(duì)系統(tǒng)安全性帶來(lái)較大風(fēng)險(xiǎn)，而開啟壓力過低既不利于實(shí)際使用，也不利于燃料電池系統(tǒng)氫氣系統(tǒng)供給利用。

液氫儲(chǔ)供系統(tǒng)的泄壓閥開啟壓力應(yīng)與液氫的物理性質(zhì)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(zhuǎn)化為臨界態(tài)，使系統(tǒng)壓力快速上升。從系統(tǒng)安全角度考慮，儲(chǔ)氫系統(tǒng)必須嚴(yán)格避免進(jìn)入臨界狀態(tài)，一旦液氫全部轉(zhuǎn)為臨界狀態(tài)，系統(tǒng)無(wú)法通過泄壓維持系統(tǒng)壓力安全。由此，液氫的安全壓力建議設(shè)計(jì)在12.84 bar 以下，以滿足對(duì)于氫系統(tǒng)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(lái)也須進(jìn)一步優(yōu)化燃料電池氫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，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(shí)車測(cè)試驗(yàn)證

4.1 整車布置

基于圖3 串聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，與上面整車動(dòng)力系統(tǒng)部件設(shè)計(jì)參數(shù)匹配，兩型燃料電池重型商用車的具體底盤動(dòng)力系統(tǒng)布置如圖26所示。

圖26 重型商用車動(dòng)力系統(tǒng)技術(shù)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(jí)載貨車實(shí)物圖

圖28 49 t級(jí)牽引車實(shí)物圖

4.2 實(shí)車道路試驗(yàn)

在第三方汽車檢測(cè)技術(shù)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(yàn)場(chǎng)完成了動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性試驗(yàn)。

試驗(yàn)主要內(nèi)容如下：

（1）30 min巡航車速試驗(yàn)；

（2）最高車速試驗(yàn)；

（3）動(dòng)力系統(tǒng)峰值功率試驗(yàn)；

（4）巡航經(jīng)濟(jì)性試驗(yàn)。

受限于測(cè)試時(shí)間與用氫規(guī)范，經(jīng)濟(jì)性試驗(yàn)中整車采用40 km/h勻速行駛，并推算至滿容量?jī)?chǔ)氫續(xù)駛里程，采集記錄實(shí)測(cè)行駛里程、時(shí)間、電量與液氫液位。在計(jì)算氫耗時(shí)，動(dòng)力電池電量變化會(huì)根據(jù)燃料電池系統(tǒng)平均效率折算為氫耗?；诓杉瘜?shí)測(cè)里程與等效總氫耗，即可通過液氫儲(chǔ)供系統(tǒng)的總儲(chǔ)氫量線性估計(jì)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(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)，兩款車型試驗(yàn)結(jié)果分別如表10 和表11所示。

表10 35 t級(jí)載貨車實(shí)車道路試驗(yàn)結(jié)果

表11 49 t級(jí)牽引車實(shí)車道路試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明，本文所開發(fā)的兩型液氫燃料電池重型商用車動(dòng)力系統(tǒng)部件設(shè)計(jì)和參數(shù)選定滿足預(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。

4.3 分析討論

分布式驅(qū)動(dòng)液氫燃料電池重型商用車完成了多項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)的驗(yàn)證，但仍需一段時(shí)間完成從技術(shù)向產(chǎn)品的優(yōu)化與迭代。結(jié)合行業(yè)與產(chǎn)品的應(yīng)用推廣規(guī)律，本文也對(duì)各項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)產(chǎn)品化應(yīng)用的潛在瓶頸與挑戰(zhàn)進(jìn)行了綜合討論。

（1）液氫終端消費(fèi)價(jià)格

當(dāng)前液氫僅供特種領(lǐng)域應(yīng)用，制備成本仍極高，要實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用，價(jià)格在持續(xù)降低至30元/kg以下。

降低液氫成本的契機(jī)源于兩個(gè)方面：一是可再生能源的電價(jià)成本降低；二是大規(guī)模氫液化工廠的關(guān)鍵技術(shù)突破?；诋?dāng)前光伏0.2 元/（kW·h）電價(jià)和30 t/天液化工廠8 kW·h/kg的液化電耗，液氫的出廠價(jià)格可控制在15元/kg以下。進(jìn)一步，考慮液氫的運(yùn)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(fèi)者價(jià)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(wàn)h的使用需求，總價(jià)格須控制在5萬(wàn)元水平，面臨極大的挑戰(zhàn)。

參考路線圖的發(fā)展預(yù)期，燃料電池系統(tǒng)的中期價(jià)格有望降至1 000元/kW，重型商用車100-200 kW燃料電池系統(tǒng)所需的購(gòu)置成本為10～20萬(wàn)元，使用戶購(gòu)置體驗(yàn)不佳，須予以一定補(bǔ)貼支持或優(yōu)惠政策。對(duì)照內(nèi)燃機(jī)5萬(wàn)元的價(jià)格水平，補(bǔ)貼后或遠(yuǎn)期價(jià)格降至300元/kW以下時(shí)，購(gòu)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(jīng)濟(jì)性的核心，燃料電池節(jié)能的關(guān)鍵是效率。當(dāng)市場(chǎng)接受燃料電池之后，適當(dāng)提高燃料電池價(jià)格以配置更高的工作效率與更長(zhǎng)壽命，來(lái)達(dá)到更低的全生命周期成本，也是可行的技術(shù)路線。

（3）液氫儲(chǔ)罐成本的降低與批量應(yīng)用

液氫長(zhǎng)期以來(lái)一直應(yīng)用于特種領(lǐng)域，相關(guān)技術(shù)在車載應(yīng)用基本處于空白狀態(tài)，全面應(yīng)用還需要大量驗(yàn)證與體系建設(shè)。

對(duì)比來(lái)看，液氫技術(shù)與LNG 具有很大的相似性。自我國(guó)開始應(yīng)用車載LNG 技術(shù)，全產(chǎn)業(yè)鏈在十三五期間逐步實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化替代，瓶、罐、閥、泵、加注槍等成本飛速下降，單罐售價(jià)降低到3 萬(wàn)元以下，并已開發(fā)出雙罐1 000 km 的長(zhǎng)途重載方案。參考LNG 的國(guó)產(chǎn)化替代過程，目前產(chǎn)業(yè)鏈上下游對(duì)于液氫技術(shù)體系的突破充滿信心。由于液氫產(chǎn)業(yè)鏈較長(zhǎng)，技術(shù)空白多，須從系統(tǒng)架構(gòu)的角度逐步完善體系建設(shè)。

（4）分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)輪技術(shù)

當(dāng)前，商用車智能化、電動(dòng)化已是大趨勢(shì)，系統(tǒng)對(duì)于驅(qū)制動(dòng)性能的要求也會(huì)不斷提升。由于電機(jī)在高速與低速的效率難以同時(shí)兼顧，現(xiàn)有集中驅(qū)動(dòng)構(gòu)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(dòng)結(jié)構(gòu)，這使系統(tǒng)復(fù)雜度較高，且效率難以全面提升至90%以上。輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)在經(jīng)濟(jì)性和制動(dòng)性能方面的潛力還未全面挖掘，具有極大的空間。

從近期國(guó)內(nèi)外發(fā)布的最新產(chǎn)品來(lái)看，分布式驅(qū)動(dòng)與電動(dòng)輪技術(shù)逐步升溫。電動(dòng)輪的技術(shù)優(yōu)勢(shì)已很明晰，核心的難點(diǎn)還是工程可靠性的提高和成本的降低。

5 結(jié)論

針對(duì)商用車電動(dòng)化升級(jí)需求，面向燃料電池重型商用車平臺(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(chǔ)供系統(tǒng)與大轉(zhuǎn)矩輪轂電機(jī)的創(chuàng)新技術(shù)。

基于關(guān)鍵零部件技術(shù)方案突破，開發(fā)了國(guó)內(nèi)首個(gè)直接應(yīng)用于整車的大容量車載液氫儲(chǔ)供系統(tǒng)，和首款上公告的百千瓦級(jí)燃料電池系統(tǒng)，同時(shí)完成了全球首輛35 t 級(jí)和49 t 級(jí)液氫燃料電池分布式驅(qū)動(dòng)重型商用車的研制與道路試驗(yàn)。

開發(fā)過程中取得的經(jīng)驗(yàn)有：

（1）發(fā)展分布式驅(qū)動(dòng)技術(shù)可縮短動(dòng)力傳遞環(huán)節(jié)，將驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)效率提升8%～10%，降低全生命周期成本；

（2）車載液氫儲(chǔ)氫系統(tǒng)比高壓儲(chǔ)氫具有更高的儲(chǔ)氫密度和更好的成本下降預(yù)期，其儲(chǔ)氫密度可達(dá)到8%以上，續(xù)駛里程可以突破1 000 km，使燃料電池在長(zhǎng)途重載場(chǎng)景具備實(shí)際應(yīng)用價(jià)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(yùn)營(yíng)成本。

本文所涉及的創(chuàng)新技術(shù)方案基本完成了驗(yàn)證，但在后續(xù)產(chǎn)業(yè)化過程中還須突破系列量產(chǎn)化關(guān)鍵工藝與技術(shù)。