汽车氢燃料电池相关技术研究陈浩东

汽车氢燃料电池相关技术研究陈浩东

陈浩东

（福建省汽车工业集团云度新能源汽车股份有限公司福建省莆田市351100）

摘要：近年来，氢燃料电池在很多领域的应用得到了很大的发展：除氢燃料电池小汽车已上市销售外，氢燃料电池也已成功应用于叉车、物流车、卡车、无人飞机和船舶等领域。氢燃料电池的开发与汽车产业应用研究也具有现实必要性。而氢燃料电池汽车的开发与推广需要做好关键技术的分析。

关键词：汽车；氢燃料电池；相关技术

1、前言

社会的发展，交通运输产业变革也更为深入，特别是汽车工业，基于人类出行的便利需要，每年汽车产量大幅增加，而后续也引发了能源和环境方面的思考担忧。新能源汽车的开发提上议程，开发无污染，低噪音，节能减排的新能源汽车成为汽车产业发展的主导方向。氢燃料技术快速发展，给能源行业带来新的挑战和机遇。石化企业可在氢气供应、加油/充电/加氢一体化运营以及汽车轻量化材料开发方面适时介入新能源汽车产业链，实现石化产业链的转型与调整。

2、氢燃料电池汽车的关键技术

2.1整车总体设计

氢燃料电池汽车采用新的动力系统和点回馈制动系统，必须基于氢燃料电池汽车混合动力特点，进行相应的整车设计调整。基于未来汽车设计方法和现有汽车设计方面是最常见的设计思路。而现有汽车设计方法更优。关注燃料电池技术、动力系统总成匹配、整车控制和通讯等关键技术的开发，加强总体优化部署。安全第一，继承为主，确保一致，基于标准是整车总体设计的四大原则。具体来说，从整车设计目标的明确到整车参数的确定到车身设计，底盘三维参数的布置，再到干涉检查，运动校核，人机工程学校核，整车性能计算，流程清晰，设计到位。

2.2动力系统参数匹配

动力系统参数匹配也是氢燃料电池汽车研发的关键技术。具体来说涉及四个方面。其一是燃料电池的功率。氢燃料电池作为新能源汽车的主要动力来源，参数匹配时重点做好额定功率和最大功率参数的选择，燃料电池最大连续输出功率必须满足汽车满载，最高车速行驶功率、氢燃料电池消耗功率，附属配置消耗功率总和。其二是超级电容的应用。超级电容主要是弥补氢燃料电池功率的不足。可以辅助车辆进行爬坡，加速，一般需要基于峰值功率和氢燃料连续功率差进行电容功率的设定。根据峰值功率持续时间确定输出的能量。其三是电机参数的匹配。

电机最大功率需要满足最高车速加速爬坡时的功率要求。电机作为发电机时也必须达到满足整车控制策略中超级电容充电功率需求。其四是传动参数的设置。最大传动比和最小传动比设计时，必须综合考虑到汽车爬坡，附着率及汽车最低稳定车速等问题。最大传动比的设定依据是汽车最大爬坡和最低稳定车速。而传动系最小的传动比只要能满足氢燃料电池最高车速要求即可。变速器和主减速器的传动比设定。为了配合电机的转速，确保其能获得抵挡的爬坡能力，中档的加速特性和高档的最高车速功率，必须对应合适的减速器和主减速器传动比。

2.3氢燃料电池汽车电机的控制技术

氢燃料电池混合动力汽车最为关键的部位是驱动机。因此电机及电机控制技术的研究必不可少。就汽车发展来说，驱动机的发展趋势是高转速、大功率、高效率和小型化方向。当前的汽车驱动机主要有直流电机、感应电机、永磁同步电机及开发磁阻电机。其中直流电机其功率密度低，功率低，控制性好，可靠性一般，成熟性好，转速在6000，技术成熟。而感应电机功率密度和功率都高于直流电机，控制性能略差，成熟性好，转速可以最高达到15000，技术成熟。永磁同步电机其功率高，控制性好，成熟性好，电机成本较高，技术较为成熟，最高转速是10000.而开关磁阻电机其功率密度，功率都高，控制性，可靠性，成熟性好，电机成本也低，但是技术应用并不成熟。

2.4整车通信网络技术

对于氢燃料电池汽车来说，其驱动系统与以往传统汽车不同，采用了电力电子元器件，整车的控制系统更复杂，传统布线方式也增加了电路的复杂度，后期维修较为困难，可以提升整车控制网络的稳定性。因此整车通信网络技术也是关键技术之一。基于整车通信的差异性需求，将其分解为基于CAN和LIN的两种线路系统，加强车身网络控制，无论是燃料电池还是整车控制器，还是超级电容及车身司机模块都采用的双向的收发式节点，做好信号的及时接收与处理，确保汽车运行的稳定，功能正常发挥。

2.5整车控制系统设计技术

整车控制系统设计技术直接关系到整车的运行，也影响汽车的可靠性，影响氢燃料电池的使用。整车控制系统也被认为是氢燃料电池汽车开发中的关键技术和环节。其涉及到CAN总线路控制技术和数据采集技术，通过对操作信号的获取与分析，主要是加速踏板，制定踏板，车辆速度，各部件工作参数的分析，实现整车控制命令的发出与执行，进行能量源的功率分配，也及时发现故障并处理故障。当前氢燃料电池汽车控制系统智能化发展的趋势越来越明显，无论是变结构控制还是模糊控制还是自适应控制等，都朝着智能化方向发展，应用于氢燃料电池汽车整体控制系统中。通过整车控制系统的优化部署达到系统能量合理分配的目的，整车处于最佳的行驶状态。当出现再生制动时，也能实现再生能量的调整。

3、氢燃料电池汽车产业未来发展的思考

氢燃料电池是传统内燃机动力的替代性能源，就当前的市场形势和时代发展看，其具有显著的竞争优势，发展燃料电池技术是我国能源多元化的重要选项之一。

首先，无论是产业源头制氢还是氢气的运输存储及分销等，都需要与科研紧密结合。而这也需要我们做出大量的努力。不同于传统的汽车生产链条，其产业发展是循序渐进的过程，必须基于国家层面加强氢气的制取、运输及分销存储等，我国必须规范氢气的生产储存及销售，对标欧洲，制定全国氢气站规划线路方案是当务之急。

其次必须关注氢燃料电池汽车产品的创新研发，掌握核心与关键的技术。加强共性技术的研发，也实现创新主体的新培养。因为氢燃料电池汽车属于新兴事物，其必然面临着一系列的挑战，需要我们基于产业发展的实际，在政府的主导下，加强与行业协会的关联，多方协助，实现氢燃料电池汽车的持久稳定研发。就氢燃料电池汽车的发展现状和未来发展趋势，氢燃料电池汽车的另一个影响就是移动发电机的研发推广。将氢燃料电池汽车作为发电机，借助回输电达到大电网波谷调节的目的。针对当前调研显示的电动车有90%的时间处于非行驶状态的实际，我们可以考虑将氢燃料电池汽车接入到智能电网中，将实现未来电网的质的飞跃。

4、结语

随着经济的发展和生活水平的提高，交通和物流领域成为治理空气污染的重点领域之一。而氢燃料电池是一条可行的、行之有效的技术路线，既有利于环境保护，又可以促进经济发展。特别地，欧美在车辆及船舶领域内的氢燃料电池技术和其他技术（特别是纯电池船技术）的示范项目、具体技术和安全措施、成果等，都值得我们借鉴和学习。新能源汽车发展也给石化行业带来了发展机遇，石化企业可在氢气供应、加油（气）/充电/加氢一体化运营以及汽车轻量化材料、高端化材料开发方面适时介入新能源汽车产业链，实现石化产业链的转型与调整，培育未来新的利润增长点。

参考文献：

[1]中国标准化研究院，全国氢能标准化委员会．中国氢能产业基础设施发展蓝皮书（2016）[M]．北京：中国质检出版社，中国标准化出版社，2016．

[2]毛宗强，毛志明．氢气生产及热化学利用[M]．北京：化学工业出版社，2015．

[3]张国昀．电动汽车产业研究[M]．北京：中国石化出版社，2016．