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氫能源在燃料電池城市客車上的應用
節錄自 : http://cn.newmaker.com/art_8315.html
作者：林成濤 謝起成 陳全世 彭濤 2005-5-12
～（略）～
１、整車動力系統結構分析
燃料電池汽車的動力系統結構有多種，目前各國研究的燃料電池大客車中主要有純燃料電池(PFC)、燃料電池和輔助電池聯合驅動(FC＋B)、燃料電池和超級電容聯合驅動(FC＋C)、燃料電池加輔助電池加超級電容聯合驅動(FC＋B＋C)四種結構。
純燃料電池汽車只有燃料電池一個能量源，汽車所有功率負荷都由燃料電池承擔。這種結構中燃料電池的額定功率大，成本高，對冷起動時間、耐起動迴圈次數、負荷變化的回應等提出了很高的要求。
燃料電池和輔助電池混合驅動是一種比較流行的結構。採用燃料電池和輔助電池的雙動力源結構主要基於以下原因：(1)當前燃料電池的動態性能欠佳，而汽車的工作狀態總是在較大的範圍內動態變化，燃料電池不能隨時滿足汽車的功率需求，增加輔助電池可以起到快速調節功率的作用；(2)燃料電池最佳的負荷率在額定功率20％－40％的範圍內，為了實現整車能量效率最佳，增加輔助電池調節燃料電池的功率輸出，可使其工作點儘量保持在效率最佳的範圍內。(3)目前燃料電池的成本還很高，從降低整車價格的方面來考慮，適當減小燃料電池的額定功率，用輔助電池來彌補不足的功率輸出，可以在一定程度上降低整車成本。
863燃料電池城市客車在動力結構上採用了三種能量源混合的形式，如圖1所示。選擇蓄電池和超級電容組合的原因，主要基於以下兩點：(1)蓄電池的能量密度比較大，在驅動過程中，可以長時間提供足夠的輔助能量；(2)超級電容的功率密度比較大，在需要比較大的輔助功率時，發揮主要作用，特別是在汽車制動能量回收的過程中，回收較大的回饋功率，進而延長電池使用壽命，提高汽車動力系統的效率。
863燃料電池城市客車在行駛過程中，由燃料電池作為主能量源提供驅動汽車所需的功率，蓄電池用來提供不足功率或吸收多餘功率，超級電容主要用於回收和輸出瞬間大電流，按照一定的控制策略，多能源動力總成控制系統對三者的輸出或輸人功率進行合理優化分配，滿足複雜城市工況下的行駛要求。這種多能源動力總成控制系統利用三種能量源各自的優勢，協調控制工作模式和功率分配，同時改善汽車動力性能和能量效率，其優勢互補是單能量源系統不具備的。
２、原型車介紹
2.1整車參數
整車的部分參數在表2中列出。第一輛原型車在車上預留了超級電容的介面和空間。結合研究條件和試驗狀況，第一輛原型車沒有使用超級電容，仍然是FC＋B結構。
2.2部件參數
2.2.1燃料電池：第一輛原型車採用的是氫空型燃料電池，由中科院大連化物所設計，額定功率為50kw。工作電壓大約在 220V－320V之間，輸出電壓特性如圖 3所示。
2.2.2輔助電池 : 第一輛原型車使用理離子電池組作為輔助電池，由深圳雷天公司提供。鋰離子電池組額定電壓為388.8V，由32個電池模組組成，電池單體特性參數如表3所示。
2.2.3主DC/DC變化器 : 第一輛原型車的主DC/DC變換器採用直流斬波器結構形式，工作原理如圖4所示。
2.2.4電機 : 第一輛原型車使用的電機為三相交流非同步電動機，由株洲電力機車研究所設計，額定功率100kw，峰值功率160kw。
2.3主要設計指標
863燃料電池城市客車第一輛原型車的主要設計指標如下：
3、氫能源的應用
3.1供氫系統：如圖5所示，第一輛原型車車載高壓氫氣儲存供應系統由儲氫瓶組1、壓力錶3、濾清器4、減壓器5、單向間8、電磁閥10、手動截止問及管路等組成。
在給儲氣瓶組加氫氣時，加氫站的壓縮氫氣由壓力錶3(見圖5)附近的加氣口壓人，經客車中部的管路11(見圖 6)、三通 9、單向閥 8和管路 7到達匯流排12，由匯流排12進入儲氣瓶組1。當燃料電池用氫氣時，壓縮氫氣由儲氣瓶組1經匯流排12、電磁閥10和三通9到達管路11。管路11的氫氣再經過壓力錶3附件氣路、客車後部的濾清器4和減壓器5，到達燃料電池6。
系統採用的儲氫瓶由航天部625所提供，為技術成熟的鋁材容器，外用碳纖維加強，內膽為抗氫脆的聚合物材料。第一輛原型車車載高壓氫氣儲存供應系統的技術指標如下：(1)工作壓力:20Mpa (2)儲氣量：水容積100L氣瓶9支；(3)過流安全保護裝置：當流量在75Nm3/h時，電磁閥10不應關斷，在流量達到100Nm/3此時，電磁閥10必須關斷。(5)減壓器：流量≥65Nm3/h；(6)濾清器：一級過濾精度為60μ，二級過濾精度為3μ。
3.2氫安全系統
863燃料電池城市客車攜帶有大量的易燃、易爆的高壓氫氣，車內乘坐有大量的乘客，運行環境和運行工況複雜多變，因此整車安全設計和制定嚴格科學的安全標準是燃料電池城市客車研製過程中一項極其重要的任務。第一輛原型車氫安全系統包括氫供應安全系統、整車氫安全系統、車庫安全系統和其他措施。
3.2.l氫供應安全系統
整車的氫供應系統從設計到施工充分考慮了用氫安全。所有儲氫瓶、管道以及閥件均適用於氫介質，所能承受的壓力留有足夠的安全裕量；儲氫瓶的安裝根據安全要求執行，所有高壓氫氣連接管均採用無縫不銹鋼管，品質符合國家標準；並組管路經過30Mpa水壓實驗和20Mpa氣密檢查實驗後才進行總體安裝；總裝結束後，對整車氫供應系統進行兩次氣密性檢查；在儲氫瓶的出口處設有過流保護裝置，當管路或間件產生氫氣洩漏使氫氣流量超過燃料電池發動機需要最大流量的20％時，過流保護裝置會自動切斷氫氣供應；在儲氫瓶的總出口設計有一個電磁閥，當整車氫報警系統的任意一個探頭檢測到車內的氫濃度達到報警標準時，將通知司機切斷供氫的電磁閥。
系統還配有高低壓管路的保護裝置：(1)在高壓管路部分，設置了過流安全保護裝置。若發生意外，在超過設計安全流量時，可不需借助任何外力迅速自動切斷氣路；當故障排除後，只需對電磁間進行數秒鐘的通電，又可恢復正常運行。(2)在低壓管路部分，設置了發動機供氣安全保護裝置。當發動機出現故障不能正常運轉時，將使電磁問自動關閉，切斷發動機供氣氣路，保證供氣系統的供氣安全。
3.2.2整車氫安全系統
整車氫安全電氣控制系統包括氫洩漏監測及報警處理系統。氫洩漏監測系統由安裝在車頂部的儲氫瓶艙、乘客艙、燃料電池發動機艙以及發動機水箱附近的4個催化燃燒型感測器和安裝在車體下部的一套監控器組成，感測器即時檢測車內的氫濃度，當有任何一個感測器檢測到的氫濃度超過氫爆炸下限(空氣中的氫濃度為4％體積濃度)的10％、30％和50％時，監控器會分別發出I級、II級、III級聲光報警信號，同時通知安全報警處理系統採取相應的安全措施。氫安全報警處理系統的電氣原理框圖如圖7所示。
氫安全報警處理系統接收到I級報警信號時，由報警處理單元啟動聲光報警系統；同時通過固態繼電器給駕駛室提供一個接地的信號，使駕駛控制系統的一個繼電器吸合，通過聲光報警通知司機有氫氣洩漏，司機通過手動開關一次性關閉燃料電池發動機，關閉氫供應系統中氫氣瓶組出口的電磁閥，並採取其他相應的處理措施。
3.2.3車庫氫安全系統
車庫氫安全電氣控制系統主要包括氫洩漏監測及報警處理系統，送、排風設施等。車庫內氫洩漏監測系統由安裝在車庫頂部的多個催化燃燒型感測器和安裝在控制室的一套監控器組成，感測器即時檢測車庫內的氫濃度，當有任何一個感測器檢測到的氫濃度超過氫爆炸下限(與車上標準相同)，監控器會發出報警信號，同時通知安全報警處理系統採取相應的安全措施。氫安全報警處理系統的電氣原理框圖如圖8所示。
氫安全報警處理系統接收到I級報警信號時，由報警處理單元啟動車庫外聲報警系統；同時自動通過電磁閥打開車庫上部的進氣窗，並開啟車庫頂部的排風機排風，排風機採用防爆電機驅動。排風機和進氣窗也可以通過處理系統控制箱上的控制按鈕手動操作。
3.2.4其他氫安全措施
(1) 防靜電設施：燃料電池城市客車車體底部有6處接地線，在加氫以及車上存有氫氣時，需將第一輛原型車車體可靠接地。
(2) 防爆措施：第一輛原型車上的氫檢測感測器均選用防爆型，氫安全處理系統中所用的繼電器選用防爆固態繼電器，車庫使用的燈具、排風機電機以及氫檢測感測器均選用防爆型；車上存有氫氣及氫安全系統報警時，車上和車庫內嚴禁使用電源插座、接觸器、繼電器以及機械開關等可以引起電弧的用電裝置，嚴禁進行電焊、砂輪磨削等可以引起火花、電弧的操作。
(3) 氫安全操作規程 : 根據實驗過程和步驟，制定嚴格的氫安全操作規程非常必要。部分規程有：嚴禁在車庫內對樣車進行大規模加氫操作；發動機起動前進行前管路的氣密性檢查；調試以及發動機起動前用氮氣吹掃管路；調試時必須由專人配備可擕式氫濃度探測儀檢查氫洩漏情況；雷雨天氣禁止做氫氣系統調試及實驗；任何工作人員發現安全問題有權要求停止調試等。
3.3道路試驗
目前，燃料電池城市客車正在進行3000公里道路試驗，試驗目的是為了考察整車性能的同時發現存在問題。道路試驗中出現的問題是下一階段專案研究工作的重點，具體體現在三個方面：
(1) 繼續深化各部件的台架試驗，其中尤以燃料電池為重點。全面掌握部件工作特性，是對汽車實現有效控制，進而優化整車控制策略，提高整車效率的基礎。
(2) 進一步改善零部件的可靠性。在實車運行試驗過程中，燃料電池、空氣壓縮機、DC/DC變換器、電子線路的接外掛程式都不同程度出現了因為可靠性不夠引起的故障，這些需要由整車單位和零部件研究單位協作解決。
(3) 進一步改進紅安全系統。安全系統是燃料電池城市客車的生命線，安全系統過於嚴格，將影響整車正常工作；安全系統工作不力，將影響整車和乘客的行車安全。目前的氫安全系統有過於嚴格的問題，個別情況出現誤報，氫安全系統將在後續研究工作中不斷完善。
4、總結 : 清華大學汽車安全與節能國家重點實驗室從二十世紀九十年代初開始從事電動汽車領域的研究工作，先後研究開發了純電動汽車、混和動力電動汽車和燃料電池中型客車，在電動汽車領域積累了比較豐富的經驗。實驗室正在進行的863燃料電池城市客車項目的研究週期持續到2005年，專案成果計畫將服務於2008年北京奧運會。第一輛原型車的順利完成為第二階段的研究工作打下了較好的基礎，論文的內容正是863燃料電池客車第一輛原型車研製過程中與氫能源應用有關的部分成果。目前，一方面燃料電池城市客車樣車正在進行3000公里道路實驗，另一方面第二階段樣車的研製工作也在緊張進行。道路試驗要全面掌握在複雜道路條件和多種工況下燃料電池城市客車的工作特性，樣車部件的可靠性和氫安全系統是試驗考察的重點。第二階段樣車的研製將以優化車輛參數與控制策略，提高整車能量效率為重點，道路試驗的成果直接應用於第二階段樣車的研製。對於燃料電池城市客車規模商業化生產和運行來講，另一個巨大的挑戰是氫燃料源供應基礎設施的建設。該問題已經由有關研究機構在同步研究，清華大學汽車安全與節能國家重點實驗室也參與其中。
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