燃料电池轿车总布置设计研究

1、引言
随着人类社会的工业化进展,能源大量消耗 及环境污染问题随之产生。尤其对于汽车工业来 说,节能与环保已经成为当今发展的主题。作为 新能源汽车中的一种,零排放的燃料电池汽车已 引起各大跨国公司的广泛关注。目前我国的燃料 电池汽车在整车集成方面与国外还存在着一定的 差距。

2、燃料电池动力系统构成特点

燃料电池汽车动力驱动系统采用燃料电池动 力系统,取消传统的内燃机及驱动系统。燃料电 池动力系统主要由动力系统(燃料电池堆、动力蓄 电池)、辅助系统(空气系统、氢气系统、水系统)、 控制系统构成。主要包含如驱动电机、电堆、动力 蓄电池、增湿器、空气压缩机、氢瓶、氢辅、空滤、控 制单元等关键零部件。图1为燃料电池动力系统 工作运行图。

3、某品牌燃料电池动力轿车动力系 统总布置问题分析

目前国内燃料电池动力系统其零部件产品

一致性、通用性、可靠性、集成度等方面与传统 轿车相比还存在着若干影响整车基本参数的问题。

3·1　国内外燃料电池汽车动力系统布置介绍

世界各国燃料电池动力系统发展的水平存 在着很大的差异。如通用公司的燃料电池动力 系统的集成度就较高。其在VOLT车上的应用 基本上可达到商业化运行程度。目前国内的燃 料电池动力系统集成度不高,系统零部件较分 散。因此其布置特点是分散式布置。表1 介绍 了国外品牌几种燃料电池轿车动力系统的布置 方式。

3·2　某品牌燃料电池轿车动力系统总布置设计

鉴于该动力系统的特点,某品牌燃料电池轿 车采用分散布置的方式,储氢系统布置在后备舱, 动力蓄电池布置在后座椅下方,辅助及驱动系统 布置在前舱及中央通道处。(见图2)

3.3　载荷分布计算

整车质量参数的计算可以根据原车整车的参 数及燃料电池动力系统总成的参数,减除燃料电 池车没有采用的主要总成或零部件。先计算各个 部分的参数,由动力系统总成质量坐标参数计算 所得,再利用力学原理进行质心、质量等的计算。 根据力矩平衡原理:

可计算得整备状态质心坐标为:X=1 304. 4; Y=13. 2;Z=473。

整车轴荷计算:由公式轴荷F=M×(X/L)得 表2。

3·4　整车参数的影响

为了满足轿车高速行驶及良好操稳的要求, 轿车的离地间隙很小,一般在120 mm左右。作为 燃料电池轿车其电堆布置在中央地板下方,即使 将中央地板上移或通过更改前后悬架支撑弹簧的 强度,使整车抬高,也会影响到整车的最小离地间 隙使整车的通过性受到很大的影响。

3·5　舒适性的影响

按照人机工程的经验坐姿各角度参考值如表 3所示。电堆布置在中央地板下方,由此产生地板 的上移占用了后排乘员的腿部空间,造成乘员腿 部弯角较小,长时间乘坐会很容易产生疲劳感。 可见针对燃料电池轿车的电堆的布置较理想的布 置空间应考虑布置在发动机舱。

对于储氢系统,目前世界上通用的是采用氢 瓶储存方式。各大公司的燃料电池汽车普遍采用 布置于后备舱的方式,考虑到氢瓶安全问题,储氢 装置必须与乘客舱隔离。该品牌燃料电池轿车平 台车的行李舱空间为432 L,而布置氢瓶后只能放 置3个标准手提箱,有效空间缩小为165. 5 L,而 消费者一般对行李舱还是有一定要求的,因此储 氢系统的布置也是将来需要解决的问题。

3·7　散热性能的影响

该燃料电池轿车的散热问题也直接影响着电 堆系统性能。因此其对前端散热模块的风扇性能 及散热器的尺寸空间有着较大的要求。针对其紧 凑的前舱空间布置,必须考虑好散热性能的要求。 布置中一般可通过两种方式来提高散热性能:一 是增加进风面积,即扩大前保险杠进风口的面积; 二是合理布置前舱中的其他部件以保证散热器后 方留有足够的空间及气流通道以增加散热能力。

3·8　整车安全的影响

整车安全分为主动安全与被动安全。其中碰 撞安全是衡量被动安全的一项重要指标。对燃料 电池汽车而言,由于储氢装置布置在后舱,在所有的 碰撞试验中, 后部碰撞必须检查后舱变形及储氢系 统是否完好。图3、4分别为碰撞前后的对比图片。 表4列出了碰撞氢瓶在3个方向的位移量。从分析 结果可见碰撞中氢瓶受到挤压,而且氢瓶的位移较 大,由此将导致氢瓶破损及氢瓶硬管路接头受到破 坏,给整车安全带来严重的安全隐患。

4、燃料电池轿车整车平台发展方向的建议

综上所述,燃料电池动力系统若要很好地在 整车上进行应用,至少在以下几个方面进行适应 性开发,以推动燃料电池轿车产品化的进程。

4.1　车身架构的适应性开发
车身系统由现在轿车普遍采用的承载式车身 更改为半承载式的车身或者适当增加中央通道的 宽度。半承载式车身在燃料电池轿车的总布置中 具有更加灵活的优势。首先,采用半承载式的车 身平台,可以有效解决高压电线的安全走向空间 问题;其次,可以有效利用高度空间,在电池或氢 瓶技术有所突破的情况下,可以将动力蓄电池或 者氢瓶进行前移,在不牺牲离地间隙的情况下得 以解放后备舱的空间及提高碰撞的安全性。

4.2　底盘系统的适应性开发

影响燃料电池轿车整车水平提高很重要的因 素是该动力系统的集成度低。燃料电池堆布置在 前舱是燃料电池轿车发展的必然方向。目前某品 牌插电式燃料电池轿车已经初步实现燃料电池堆 及其控制单元集成设计,布置在前舱中。由于前悬 尺寸并未调整,所以前舱布置还是非常紧凑的。在 前舱空间不减少的情况下, 将前悬架的长度适当增 加,以利于驱动电机及减速器高度降低和增加燃料 电池堆的有效空间。前舱质心的降低有利于碰撞 的安全性。其次转向系统可采用 EPS电动转向,较 现在使用的EHPS电液转向系统将大大节省前舱的 空间,降低总布置的难度。从长远来看,在底盘技术 上配合承载式底盘的线传动操控系统一旦可以实 现应用,将大大增加整车可用空间,高度集成的燃料 电池系统将可布置在底盘框架中,燃料电池轿车的 整车设计水平将有一个很大的提升。

4.3　燃料电池发动机系统集成化设计

其中主要是要解决电堆目前偏平化的设计, 进行集成设计,将其控制系统及冷却系统进行集 成,采用框架设计结构, 将动力系统主要部件,如 冷却水泵、风机、控制单元等进行前舱集中布置。 采用此方案可以解决乘员乘坐舒适性以及实现合 理分配前舱流场,这将在很大程度上改善燃料电 池轿车散热能力。

4.4　储氢系统的布置解决方式

首先在目前国内储氢瓶的规格状态下,改变 现有的氢瓶布置方式,将储氢系统包括管路进行 集成模块化设计,装配采用模块化装配。对储氢 系统模块的碰撞安全进行整体整体考虑,后端增 加防撞梁,氢瓶的安装改变原来的方钢矩形框架, 采用H型的高强度托臂梁。仿真结果显示,此种 方式后部碰撞非常理想,氢瓶及管路系统没有受 到破坏。其次,当氢瓶规格可以按照客户要求进 行设计生产时,结合滑板式底盘平台,氢瓶将可能 实现前移,有效解决后碰撞的安全保护及行李舱 空间问题。

5、结语

本文结合某品牌燃料电池轿车总布置设计中 的几个重要参数,分析了燃料电池轿车总布置设 计中存在的若干问题,提出了燃料电池轿车开发 中总布置设计中的一些开发方向及措施,对后续 燃料电池轿车总布置设计的改进及提升整车性能 指标具有一定的参考作用。

参考文献

1　陈全世,仇斌,谢起成.燃料电池电动汽车[M].北京:清 华大学出版社, 2005. 5.

2　余志生.汽车理论[M].北京:机械工业出版社, 2000. 10.

3　乐玉汉.汽车车身设计[M].北京:高等教育出版社,2000.7.