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燃料電池電動汽車及其安全問題

2022-03-04 20:29:40·  來源：汽車測試網(wǎng)  
　
隨著全世界汽車保有量日益增多，能源緊缺和環(huán)境污染問題愈發(fā)凸顯，發(fā)展新能源汽車將對全球汽車和能源技術、產業(yè)以及社會經(jīng)濟發(fā)展產生重大深遠的影響。近年來，隨
隨著全世界汽車保有量日益增多，能源緊缺和環(huán)境污染問題愈發(fā)凸顯，發(fā)展新能源汽車將對全球汽車和能源技術、產業(yè)以及社會經(jīng)濟發(fā)展產生重大深遠的影響。近年來，隨著國內外氫能產業(yè)的不斷發(fā)展，燃料電池電動汽車（Fuel Cell Electric Vehicle，F(xiàn)CEV）作為氫能產業(yè)鏈下游集成應用中最為重要一環(huán)，受到廣泛的重視，國內氫能的各項產業(yè)也主要與燃料電池電動汽車相關。
一、燃料電池電動汽車
1、燃料電池電動汽車的定義
燃料電池電動汽車是一種將車載燃料電池裝置產生的電力作為動力的汽車，是電動汽車的一種。
車載燃料電池裝置所使用的燃料為高純度氫氣或含氫燃料經(jīng)重整所得到的高含氫重整氣。目前常見的燃料電池電動汽車基本結構和基本工作原理如圖1-1 所示，高壓儲氫瓶為燃料電池系統(tǒng)提供反應所需氫氣，氫在燃料電池中與空氣中的氧氣發(fā)生氧化還原反應產生電能，和輔助電源（Rechargable EnergyStorage System，RESS）一起為驅動電機供電，再由驅動電機帶動汽車的機械傳動裝置，從而驅動汽車前進。


圖1-1 燃料電池電動汽車基本結構與工作原理示意圖
與傳統(tǒng)汽車和純電動汽車相比，燃料電池電動汽車具有以下特點：
1）以純氫氣作為燃料，生成物為清潔水；以富氫有機化合物重整制得的氫作為燃料，生成物除了水可能還有少量二氧化碳，但排放量比內燃機少得多，且不包含其他氮化物、硫化物等污染排放物，具有零排放或近似零排放等優(yōu)點。
2）燃料電池沒有活塞或渦輪等機械部件及中間環(huán)節(jié)，且不受卡諾循環(huán)限制，能量轉換效率高；從節(jié)約能源角度來看，燃料電池電動汽車具有明顯優(yōu)勢。
3）燃料電池電動汽車使用氫的來源廣泛，可通過煤和天然氣為主的化石能源重整制氫，也可以焦爐煤氣、氯堿尾氣、丙烷脫氫為主的工業(yè)副產氣制氫，還可利用可再生能源電解水制氫。因此燃料電池電動汽車的發(fā)展減少了對石油資源的依賴，優(yōu)化了交通能源的構成。
4）燃料電池電動汽車續(xù)駛里程由車載儲氫瓶的總容量決定，理論上長途行駛能力接近于傳統(tǒng)內燃機汽車，克服了純電動汽車續(xù)駛里程短的缺點。此外，燃料電池電動汽車一次氫氣加注時間約為5～15min，而純電動汽車快充也至少需要30min。因此，燃料電池電動汽車在行駛里程和補充燃料時間上明顯優(yōu)于純電動汽車。
5）燃料電池在發(fā)電過程中運行平穩(wěn)、噪聲低，除了空壓機、氫氣循環(huán)泵（有些燃料電池系統(tǒng)采用引射器的氫循環(huán)方案，則無氫氣循環(huán)泵）和冷卻系統(tǒng)以外，無其他高分貝噪聲運動部件，因此與內燃機汽車相比，運行過程中噪聲和振動都較小。
綜上，燃料電池電動汽車被認為是未來汽車可持續(xù)發(fā)展的重要方向之一，也是解決全球能源和環(huán)境問題的理想方案之一。
2、燃料電池電動汽車技術現(xiàn)狀
基于燃料電池電動汽車的良好前景，各國對其關注程度不斷提升。從國外燃料電池電動汽車發(fā)展現(xiàn)狀來看，以日本、美國、韓國、德國為代表的眾多發(fā)達國家的汽車企業(yè)以及相關研究機構已經(jīng)基本上完成了燃料電池電動汽車的性能研發(fā)，整車性能已能夠滿足商業(yè)化應用，示范中發(fā)現(xiàn)的核心技術問題也基本得到解決。
1）日本
2014 年在“能源基本計劃”中將氫能定位為與電力和熱能并列的核心二次能源，并提出建設“氫能社會”的愿景，通過氫能燃料電池在交通、家庭、工業(yè)乃至全社會領域的普及應用，實現(xiàn)真正的能源安全。2014 年，豐田汽車在日本發(fā)布了燃料電池電動汽車Mirai，該車的發(fā)布直接掀起了全球氫能發(fā)展的熱潮，也一直是燃料電池電動汽車行業(yè)的標桿。整車動力系統(tǒng)是Mirai 的核心，動力系統(tǒng)配備了功率達114kW 的燃料電池堆，驅動電機輸出功率113kW，并能提供335N·m 的峰值扭矩，整車續(xù)駛里程可達550km，最高時速178km/h，足以滿足日常應用。2019 年10 月，豐田汽車在東京車展正式發(fā)布第二代Mirai。與第一代相比，第二代Mirai 將大小兩個儲氫瓶垂直布置在底盤，縱向儲氫瓶取代了雷克薩斯LS 平臺的傳動軸；另外，高度集成化的燃料電池系統(tǒng)安置于引擎蓋下方，豐田公司稱新一代Mirai整車性能大幅提升，續(xù)駛里程比第一代車型提升了30%。與豐田一樣，本田也是全球最早研發(fā)燃料電池電動汽車的汽車生產商之一。在2015 年，本田推出了燃料電池電動汽車Clarity，該車所配燃料電池堆功率為103kW，燃料電池堆的體積功率密度與Mirai 一樣，都為3.1kW/L，驅動電機峰值功率為130kW，最大扭矩輸出為300N·m，其整車最高車速160km/h，續(xù)駛里程可達750km，低溫啟動溫度為-30℃。
2）韓國
2012 年在“綠色新政”中也提出了多項與燃料電池和氫能相關計劃，并實施了“綠色氫城市示范”項目，用于燃料電池電動汽車生產和示范推廣。2013 年，現(xiàn)代汽車發(fā)布了第一款量產燃料電池電動汽車ix35，該車配置100kW 燃料電池堆，電機最大功率為98kW，續(xù)駛里程為426km。為進一步搶占燃料電池市場，現(xiàn)代汽車于2018 年推出了全新燃料電池SUV 汽車NEXO，其燃料電池輸出功率95kW，功率密度達到2.47kW/L，驅動電機輸出功率120kW，續(xù)駛里程可達600km，最高時速180km/h，低溫啟動溫度為-30℃。2019 年8 月，該車在美國公路安全保險協(xié)會車輛碰撞測試中獲最高等級“頂級安全車”評價，在正面碰撞、駕駛座正面偏置碰撞、副駕駛座正面偏置碰撞、側面碰撞、車頂剛性碰撞、頭部保護裝置及座椅安全等6 項專業(yè)安全測試中均獲得最高等級“優(yōu)秀”評級，成為首款榮獲全球最高級別認證的氫燃料電池電動汽車。
3）歐盟
為了增強歐盟各國的競爭力，有效利用各國的人力物力資源，歐盟制定了統(tǒng)一的研究計劃。德國是歐盟內部氫能的積極推動者，在2007 年就實施了為期10 年的“氫能和燃料電池技術國家創(chuàng)新計劃”（NIP），并于2016 年將該計劃（NIP-2）進一步延續(xù)至2025 年，以持續(xù)推動氫能和燃料電池技術研發(fā)和產業(yè)化發(fā)展。
為響應政策號召，奔馳于2018 年推出了量產燃料電池電動汽車GLC，該車所配燃料電池堆功率為75kW，位于后軸的異步電機最大功率高達160kW，峰值扭矩為375N·m，在RESS 鋰離子電池滿電的情況下，續(xù)駛里程為487km。奧迪在2016 年北美車展上展出燃料電池電動汽車h-tron，該車配置90kW燃料電池堆，電機最大輸出功率140kW，百公里加速時間7s，續(xù)駛里程600km。
4）美國
美國也是全球燃料電池電動汽車研發(fā)最早的國家之一，2001 年率先提出邁向“氫能經(jīng)濟”的國家目標。通用汽車旗下雪佛蘭汽車2007 年推出全新Equinox 燃料電池電動汽車，該汽車配備燃料電池堆功率為93kW，驅動電機功率為73kW，最高行駛速度為160km/h。目前，經(jīng)過十多年的持續(xù)支持和努力，加州已有超過2 萬輛的燃料電池叉車在持續(xù)運行，成為全球最具示范效應的氫能市場，截至2019年五月底已部署41 座加氫站和5923 輛燃料電池電動汽車。
5）中國
我國燃料電池汽車技術研發(fā)已接近20 年，始于2001 年科技部開始實施的“十五”863 電動汽車重大專項。近五年來，國務院、財政部、科技部等發(fā)布了一系列支持氫能產業(yè)發(fā)展的相關政策，將開發(fā)燃料電池等新一代能源技術列為戰(zhàn)略任務之一。隨著近兩年燃料電池相關技術的突破和關鍵零部件國產化水平的逐步提高，燃料電池系統(tǒng)已接近規(guī)模產業(yè)化水平，國內多家單位的燃料電池車輛已逐步開始量產。上汽集團是國內較早研究燃料電池乘用車的整車廠，先后開發(fā)了榮威750 及榮威950 系列車型的燃料電池乘用車，其中第四代榮威950 配備了額定功率為42kW 的燃料電池堆，百公里加速時間12s，續(xù)航里程可達430km，最高車速為160km/h，具備小批量生產能力，代表了中國燃料電池乘用車的較高水平。但與國際上具有領先水平的豐田Mirai、本田Clarity、現(xiàn)代NEXO 相比，中國燃料電池乘用車在動力性、續(xù)駛里程、燃料電池堆功率等基本性能指標方面仍有一定差距。
國內外典型燃料電池乘用車技術參數(shù)對比見表1-1。
表1-1 國內外典型燃料電池乘用車技術參數(shù)對比




受到燃料電池成本和加氫站基礎設施的制約，結合中國市場自身特點，相比承載能力有限的乘用車，中國發(fā)展燃料電池電動汽車應選擇商用車作為重點方向和戰(zhàn)略突破口，目前中國燃料電池電動汽車相關企業(yè)已形成百家爭鳴的態(tài)勢。在燃料電池客車方面，福田汽車和宇通客車等主要客運車公司開發(fā)了多個車型的燃料電池客車。
（1）福田第一代燃料電池客車在北京奧運會和北京市801 路公交車示范運行里程超過7.5 萬公里；
第二代燃料電池客車在北京384 路公交線運營，行程總里程6.5 萬公里以上，并驗證了-15℃低溫啟動性能；第三代燃料電池客車BJ6852 可實現(xiàn)-20℃低溫啟動、-46℃低溫存放，此車將服務于2022 年冬奧會。
（2）宇通客車于2009 年也成功推出了第一代增程式燃料電池客車；2013 年，第二代電-電混合燃料電池客車問世；2016 年，宇通第三代燃料電池客車正式發(fā)布。
（3）上汽大通經(jīng)過多年研發(fā)，也于2016 年發(fā)布首款燃料電池寬體輕客電動汽車FCV80，可實現(xiàn)-20℃低溫啟動。
（4）在非載客燃料電池電動汽車方面，東風特汽、中國重汽、濰柴動力等也相繼開發(fā)出了不同功率等級的重型卡車、物流車和牽引車等專用車。
目前國內實際正在示范運行的燃料電池商用車的發(fā)動機功率多為30~60kW，雖然部分公告車型的發(fā)動機功率達到100kW 以上，但實際使用效果仍處于驗證階段。
國外多家整車廠也開展了燃料電池商用車研究，美國Van Hool 客車和New Flyer 客車的燃料電池發(fā)動機功率達到了120kW 和150kW，奔馳也推出了120kW 的燃料電池客車，日本日野客車推出了功率高達2×114kW 的燃料電池客車。
從燃料電池領域專利總量上來看，日本和美國在燃料電池領域的研究在全球范圍內遙遙領先，中國處于第二梯隊。從專利申請人來看，燃料電池的研究主要以車企為主，豐田相關專利領先全球所有企業(yè)，在多個關鍵技術上均處于絕對領先地位，技術最為全面且沒有明顯的短板，對控制技術尤為重視。美國專利數(shù)量排名第二，雖然數(shù)量上與日本存在較大差距，但各關鍵技術發(fā)展比較均衡。自2000年起，在政策的大力支持下，我國燃料電池領域研究發(fā)展迅速，年申請專利數(shù)快速增長，2018 年中國專利申請量達到4842 件，同比增長13.93%，年申請量超美日歐等國家和地區(qū)，目前總數(shù)量排名第三，技術上比較重視電極和催化劑的研發(fā)，但由于起步較美國和日本晚，與世界領先水平相比，國內企業(yè)在燃料電池領域的研究深度和廣度還有一定差距。
總體而言，燃料電池電動汽車正處在由技術研發(fā)向商業(yè)化推廣的過渡階段，各國對燃料電池電動汽車的重視不斷升溫，投入持續(xù)增加。相比之下，日本政府對燃料電池及燃料電池電動汽車技術的推動力度更大，技術水平也更高，其先進的燃料電池乘用車車型已經(jīng)初步實現(xiàn)了商業(yè)化，在燃料電池電動汽車領域走在了世界前列。我國燃料電池電動汽車雖然也正在快速發(fā)展，但與國際上具有領先水平的相似車型相比仍有一定差距。
3、燃料電池電動汽車動力系統(tǒng)及關鍵部件
按照動力源的不同，燃料電池電動汽車可分為全功率燃料電池電動汽車和電-電混合燃料電池電動汽車兩類。其中，全功率燃料電池電動汽車的動力源只有燃料電池，它必須提供汽車行駛過程中所需的所有功率，主要特點在于結構布置簡單，但需要大功率、高動態(tài)響應的燃料電池，造車成本會進一步增加；同時燃料電池沒有能量存儲的功能，不能對制動減速時的動力進行回收，降低了能源利用率；此外，長時間頻繁變載工況也會對燃料電池壽命造成較大衰減。考慮到全功率燃料電池電動汽車的不足之處，目前各大汽車廠商把精力主要集中在燃料電池與RESS 的電-電混合技術方案上。
按照燃料電池在整車需求功率占比不同，電-電混合燃料電池電動汽車可分為能量混合型和功率混合型。
· 能量混合型主要是指燃料電池提供的功率在整車功率占比較少，部分需要RESS 來提供；該類型汽車需要功率較大RESS，整車質量會明顯增加，對整車動力經(jīng)濟性有一定影響。
· 功率混合型是指燃料電池提供的功率占整車需求功率的較大比例，降低了對RESS 的功率需求，減輕了整車質量；在功率混合型系統(tǒng)中，RESS 一般只在加速、爬坡等需求大功率的工況下與燃料電池共同提供動力。圖1-2 為典型燃料電池電動汽車動力系統(tǒng)拓撲結構圖，主要包括燃料電池系統(tǒng)、RESS、DC/DC 變換器、DC/AC 變換器、驅動電動機、車載儲氫系統(tǒng)等。其中燃料電池系統(tǒng)經(jīng)DC/DC 變換器升壓后達到驅動電機所需高壓，RESS 如動力電池則并聯(lián)在高壓母線上。


圖1-2 典型燃料電池動力系統(tǒng)拓撲結構圖
1）燃料電池系統(tǒng)
燃料電池系統(tǒng)是整個燃料電池電動汽車動力源的核心，其特性表現(xiàn)的好壞直接決定了整車在市場的競爭力。通常燃料電池系統(tǒng)由燃料電池堆和附件系統(tǒng)組成，附件系統(tǒng)包括氫氣子系統(tǒng)、空氣子系統(tǒng)、冷卻子系統(tǒng)等，典型的燃料電池系統(tǒng)拓撲結構如圖1-3 所示。


圖1-3 典型燃料電池系統(tǒng)拓撲結構圖
（1）空氣子系統(tǒng)
空氣子系統(tǒng)主要為燃料電池堆提供反應所需的壓縮空氣，主要由過濾器、空壓機、質量流量計、中冷器、加濕器、節(jié)氣門等部件組成。
a）空氣中有許多雜質，因此需采用過濾器對空氣中的物理和化學雜質進行過濾。
b）為了保證燃料電池堆的反應效率，反應空氣需要具有一定壓力，故采用空壓機對環(huán)境大氣進行壓縮。
c）壓縮過后的空氣溫度可達到200℃及以上，為防止進氣溫度過高而損傷燃料電池堆，需要中冷器對壓縮后的空氣進行冷卻。
d）為防止交換膜出現(xiàn)膜干，進入燃料電池堆的空氣需進行加濕處理；目前膜加濕器是市場上燃料電池發(fā)動機的主流技術，通常利用排出燃料電池堆的水氣對進氣進行加濕，而豐田Mirai 的燃料電池系統(tǒng)取消了外部加濕方案。
e）發(fā)動機停機時，陰極內部有未反應完的氧氣，與未反應的氫氣容易形成氫-空界面，從而形成過電勢引起催化劑層發(fā)生不可逆衰退。因此發(fā)動機停機后，需關閉前節(jié)氣門和后節(jié)氣門，并與DC/DC變換器內的放電電阻配合，充分消耗燃料電池堆內部剩余的反應氣體。
（2）氫氣供給子系統(tǒng)
氫氣供給子系統(tǒng)為燃料電池堆提供反應所需的氫氣，包括溫度傳感器、壓力傳感器、氫氣噴射器（或比例閥）、氫氣循環(huán)泵、吹掃電磁閥、氣水分離裝置等。
a）氫氣噴射器通常由多個電磁閥并聯(lián)組成，控制原則一般是通過采集陰極入口壓力和陽極入口壓力值，保證陰陽極壓差在合理的范圍內，防止兩端壓差過大而損害燃料電池堆。
b）氫氣循環(huán)泵是燃料電池系統(tǒng)輔助部件中的關鍵部件，配備氫氣循環(huán)裝置可以有效提升氫氣利用率，并使得陽極側氫氣分配更加均勻，同時帶走從陰極滲透至陽極的液態(tài)水和氫氣。引射器也可作為氫氣循環(huán)動力器件之一，主要利用射流使不同壓力流體相互混合來傳遞能量和質量，其優(yōu)點在于無運動部件、無額外功耗、結構簡單、工作可靠、安裝維護方便、密封性好。
c）吹掃電磁閥主要有排水電磁閥和排氣電磁閥，從陽極排出的水氣混合物經(jīng)過氣水分離后，液態(tài)水經(jīng)過排水閥排出，多余的氫氣通過排氣閥排出。為了防止經(jīng)循環(huán)泵循環(huán)的氫氣再次進入燃料電池堆時因溫差而發(fā)生冷凝，可在陽極入口處也布置一個氣水分離裝置。
（3）熱管理子系統(tǒng)
熱管理子系統(tǒng)主要分為主散熱回路和輔助散熱回路。
a）主散熱回路對燃料電池堆進行冷卻，若燃料電池堆冷卻不充分，則溫度將上升甚至超過理想運行溫度上限，影響整個系統(tǒng)的性能。主散熱又分為大循環(huán)和小循環(huán)，
①小循環(huán)工作方式為：燃料電池堆啟動時為了快速升溫，冷卻液不經(jīng)過主散熱器，且PTC（Positive Temperature Coefficient）根據(jù)指令需求對冷卻液進行加熱。
②大循環(huán)工作方式為：待燃料電池堆溫度上升到一定程度時，三通閥節(jié)溫器開始工作，冷卻液經(jīng)過主散熱器，同時散熱風扇開始工作，將冷卻液熱量通過散熱器吹至大氣環(huán)境中，使得進入燃料電池堆冷卻液的溫度在要求范圍內。
大循環(huán)水泵主要驅動冷卻液流動，流量可通過轉速調節(jié)。顆粒過濾器主要過濾冷卻回路中的物理顆粒；去離子器主要過濾冷卻液中的導電粒子，防止冷卻液電導率過高引起絕緣問題；一般去離子器的流通口徑較小流阻較大，常并聯(lián)在主散熱回路內。除了需要對燃料電池堆進行冷卻外，空壓機和DC/DC 變換器等零部件也需要冷卻；
b）與主散熱回路相比，輔助散熱回路所需流量較小，因此輔助散熱回路對水泵揚程和流量的要求較低。
車載燃料電池通常采用質子交換膜燃料電池，具有工作溫度低、動態(tài)響應快、冷啟動速度快等優(yōu)點。工作時，單片電池電壓通常在0.6-0.8V 之間，為滿足整車的功率、電壓需求，通常將多個單體電池以串聯(lián)方式層疊組合，構成燃料電池堆。將雙極板與膜電極交替疊合，在各單體之間嵌入密封件，經(jīng)前、后端板壓緊后用螺桿或者綁帶緊固拴牢。燃料電池反應所需氣體、溫度和散熱均由上述子系統(tǒng)控制，同時燃料電池封裝時需配置電壓巡檢（Cell Voltage Monitor， CVM），以判斷各單體電池的工作狀態(tài)。
2）燃料電池系統(tǒng)用DC/DC 變換器
DC/DC 變換器主要用于燃料電池負載控制，通過單向DC/DC 變換器實現(xiàn)對燃料系統(tǒng)的輸出功率控制，使得燃料電池輸出功率與整車需求功率解耦，將整車需求功率進行低頻濾波，燃料電池提供相對平緩的功率需求，保證燃料電池工作在相對平穩(wěn)的工作區(qū)間內，避免頻繁負載變化對燃料電池造成不可逆衰退，從而延長燃料電池堆的使用壽命。此外，DC/DC 變換器對燃料電池進行升壓后，燃料電池輸出電壓不需要和電機驅動電壓進行匹配。
目前DC/DC 變換器多半采用多路交錯并聯(lián)控制，可減小電流紋波并提供更大的輸入電流，提高燃料電池耐久性。此外，基于電流的控制技術可提高電流響應速度，并抑制電壓波動的影響。除了對燃料電池輸出功率進行控制外，部分燃料電池電動汽車（如豐田Mirai）的DC/DC 集成了交流阻抗裝置，可將一個幅值較小、某特定頻率（Mirai 為300Hz）的交流負載擾動疊加在直流負載上，通過對施加擾動時的燃料電池堆電壓和電流進行實時快速傅里葉變換，得到實時的膜阻抗，將該值反饋至燃料電池系統(tǒng)控制器用于控制進氣流量和壓力，保證交換膜處于相對濕潤狀態(tài)。
3）燃料電池車載儲氫系統(tǒng)
車載儲氫系統(tǒng)包括儲氫裝置或制氫裝置、安全閥、氫氣泄壓閥、氫氣減壓閥、氫氣溫度傳感器、氫氣壓力傳感器、氫氣管路、高壓接頭、電磁閥、碰撞傳感器等，典型結構如圖1-4 所示。車載儲氫技術包括高壓儲氫、液氫儲氫、金屬氫化物儲氫、吸附儲氫以及車載甲醇重整儲氫等，其中，高壓儲氫是將氫氣直接壓縮，以高密度氣態(tài)形式存儲，具有成本低、充放氫速度快等優(yōu)點，是發(fā)展最成熟的儲氫技術，也是目前車載儲氫應用最廣泛的方法。


圖1-4 典型車載儲氫供氫系統(tǒng)
高壓儲氫瓶主要分為全金屬氣瓶(Ⅰ型)、金屬內膽纖維環(huán)向纏繞氣瓶(Ⅱ型)、金屬內膽纖維全纏繞氣瓶(Ⅲ型)、非金屬內膽纖維全纏繞氣瓶(Ⅳ型)。
（1）Ⅰ型和Ⅱ型氣瓶的重量容積比較大，難以滿足單位質量儲氫密度要求，多用于固定式存儲。
（2）國內車載儲氫瓶多為Ⅲ型氣瓶，Ⅳ型氣瓶目前仍處于研發(fā)和小批量試制階段，而國外車載儲氫瓶多為Ⅳ型氣瓶。
（3）除此之外，國外已經(jīng)在研發(fā)Ⅴ型儲氫瓶（無內膽纖維纏繞），這方面在國內目前尚未展開較為深入的研究。
典型的車載高壓儲氫瓶通常包含三層，最里為內襯材料，用于密封氫氣；內襯外為碳纖維纏繞層，主要用于承受高壓氣；纏繞層外為過渡層，用于承受沖擊，最外層主要用于防跌落和防沖擊。儲氫瓶還配備手動或電動的高壓閥門，高壓閥通常采用鋁制閥體，以防止發(fā)生氫脆。
4）可充電儲能系統(tǒng)
目前常見的可充電儲能系統(tǒng)（Rechargable Energy Storage System, RESS）有鎳氫電池、鋰離子電池和超級電容等。由于燃料電池具有相對較軟的輸出特性，燃料電池與輔助電源構成的復合電源混合動力系統(tǒng)是現(xiàn)階段燃料電池電動汽車動力系統(tǒng)的主流趨勢。燃料電池電動汽車啟動過程中，燃料電池輸出尚未穩(wěn)定，動力系統(tǒng)及整車各子系統(tǒng)中的控制、檢測等電路需要的電都由RESS 提供。
在使用鋰離子電池作為RESS 時，須使電池工作在合理的電壓、電流、溫度范圍內，所以必須有電池管理系統(tǒng)（Battery Management System，BMS）對電池進行有效的管理。BMS 主要包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)顯示、荷電狀態(tài)（State of Charge，SOC）估計、健康狀態(tài)（State of Health，SOH）估計和功率狀態(tài)（State of Power，SOP）估計、熱管理、數(shù)據(jù)通信、安全管理、能量管理和故障診斷，其中能量管理還包含了電池電量均衡功能及充電管理功能等。
5）電驅系統(tǒng)
電驅系統(tǒng)的主要作用是將電能轉化為機械能，從而驅動車輛行駛，或在制動過程中，將車輛動能轉化為電能，存儲到RESS 中。電驅系統(tǒng)的性能主要由車輛駕駛性能要求、車輛性能約束以及車載動力源性能決定。駕駛性能的要求包括加速性能、最大車速、爬坡能力、制動性能以及續(xù)駛里程等性能在內的駕駛模式；車輛的性能約束主要是指車型、車重和載重等；車載動力源性能主要與燃料電池系統(tǒng)和RESS 有關。因此，電機驅動系統(tǒng)的選型以及整體匹配應該在系統(tǒng)水平上進行優(yōu)化，必須仔細研究各個子系統(tǒng)之間的相互作用以及系統(tǒng)的整體匹配。在新能源汽車上，常見的驅動電機有直流有刷電機、交流異步電機、永磁無刷電機、開關磁阻電機四類，其中永磁無刷電機具有能量密度和效率高、體積小質量輕的特點，是燃料電池電動汽車常用的電機類型。
二、燃料電池電動汽車的安全性問題
1、氫安全問題
氫是元素周期表中的第一位元素，也是最輕的元素。在地球上氫多以化合物的形式存在，游離態(tài)的氫單質相對罕見。氫氣最早于16 世紀初被合成。常溫常壓下，氫氣是一種極易燃燒，無色透明、無臭無味的氣體，其使用危險程度較高，因此如何保證用氫安全對氫能的大規(guī)模市場化推廣至關重要。
目前，氫安全問題在世界范圍內引起了廣泛關注，如日本、美國、加拿大等國家成立了專門的研究機構開展氫安全研究，并推出了多個安全法規(guī)或標準。美國SAE 制定了SAE J 2578：2014《燃料電池汽車通用安全推薦規(guī)程》，國際標準化組織（ISO）發(fā)布了ISO 23273：2013《燃料電池道路車輛安全性規(guī)范帶壓縮氫燃料汽車用氫危險防護措施》，提出了燃料電池電動汽車安全性的相關測試要求，其中對車輛的一般性要求、燃料系統(tǒng)的安全、燃料電池系統(tǒng)的安全、電力系統(tǒng)的安全、機械安全等都有相應的強制性法規(guī)要求。此外，國際上也專門成立了氫安全協(xié)會來推動氫安全的發(fā)展，該協(xié)會每兩年組織一次國際氫安全會議(ICHS)，為展示和探討氫安全領域的最新研究成果，以及分享氫安全相關信息、政策和數(shù)據(jù)提供了一個開放的平臺。我國也同樣高度重視氫安全問題，相關機構也在氫安全領域開展了大量研究。
1）氫氣特性
（1）泄漏與擴散特性
氫分子尺寸較小，與其他氣體或液體燃料相比更容易從縫隙或孔隙中泄漏。且氫氣擴散系數(shù)比其他氣體更高，并且具有較大的“浮力”，在空間上能夠以很快的速度上升，同時進行快速的橫向移動擴散。因此當氫氣泄漏時，氫氣將沿著多個方向迅速擴散，并與環(huán)境空氣混合，達到低于可燃下限的安全水平。
氫氣的泄漏也受到空間內的通風條件、障礙物等因素的影響。通風條件則涉及通風口的位置、大小和風速。當通風口大小一定時，其位置改變會影響空間中氣流流向，進而影響空間氫氣濃度場的分布。當?shù)叵萝噹鞗]有車時，氫氣泄漏的濃度呈現(xiàn)梯度分布，車庫頂部濃度最高，泄漏一段時間過后，濃度梯度開始減小，直至整個車庫充滿氫氣；當車庫有車時，氫氣會先在汽車底部累積，豎直方向上濃度分散較為均勻，梯度不大，但點燃發(fā)生的破壞更大，因此混合氣體增長速率和濃度分布是決定應急時間和探測器分布的基本依據(jù)。
（2）與材料的相互作用
氫脆是溶于金屬中的高壓氫在局部濃度達到飽和后引起金屬塑性下降、誘發(fā)裂紋甚至開裂的現(xiàn)象。
氫脆的影響因素眾多，例如環(huán)境的溫度和壓力；氫的純度、濃度和暴露時間，以及材料裂紋前緣的應力狀態(tài)、物理和機械性能、微觀結構、表面條件和性質。另外，使用了不當材料也易產生氫脆問題。
因此，氫環(huán)境下應用的金屬材料要求與氫具有良好的相容性，需進行氫與材料之間的相容性試驗，主要包括慢應變速率拉伸試驗、斷裂韌度試驗、疲勞裂紋擴展速率試驗、疲勞壽命試驗等。
（3）燃燒與爆炸特性
氫氣的燃燒爆炸會產生較高的溫度場或壓力場，對周圍的人員財產產生巨大危害。在常溫下，氫除非以某種方式（比如適當?shù)拇呋瘎┍患せ睿駝t其活性不強。在環(huán)境溫度下，氫與氧反應生成水的速度非常慢。但是，如果通過催化劑或火花加快反應速度，它就會以高速率和“爆炸”力繼續(xù)反應。
a）易燃性：氫氣是一種極易燃的氣體，燃點只有574℃。目前國際上在氫氣自燃方面普遍接受的是逆焦耳-湯姆遜效應、靜電點火機理、擴散點火機理和熱表面點火機理。點火源包括快速關閉閥門產生的機械火花，未接地微粒過濾器的靜電放電，電氣設備、催化劑顆粒和加熱設備產生的火花，通風口附近的雷擊等。必須以適當?shù)姆绞较蚋綦x點火源，并應在未預見點火源的情況下進行操作?，F(xiàn)有試驗主要研究初始壓力、管道長度、管道截面形狀、爆破片爆裂速率等對氫氣自燃的影響。
b）爆燃爆轟：氫氣與空氣形成的蒸氣云爆炸屬于爆燃范疇，是不穩(wěn)定過程。在爆燃過程中，氫氣點燃形成的火焰不斷加速，甚至超過音速，從而形成爆轟波?；鹧婕铀俸捅急Z轉變是影響爆炸強度的關鍵因素。通過對現(xiàn)有數(shù)據(jù)的保守估計可知，氫氣在空氣中的爆炸范圍為4%~75.6%。相比甲烷的5%~15%，氫氣的爆炸極限體積分數(shù)范圍較寬，但為了避免爆炸，需將氫氣體積濃度控制在4%以下。
若在封閉區(qū)間內發(fā)生爆炸，例如車載儲氫瓶內，壓力瞬間可達到初始壓力的幾倍甚至幾十倍，因此為了避免發(fā)生該事故，通常在車載儲氫系統(tǒng)上安裝安全泄放裝置。此外，設置安全措施（防止爆燃轉爆轟的發(fā)生）也是十分重要的。事實上，在露天場地，靜止的化學計量氫-空氣混合物產生的壓力波只有0.01MPa（低于造成耳膜損傷的壓力級別），而氫-空氣混合物爆轟則會伴隨著高出兩個數(shù)量級的壓力，約為1.5MPa（遠高于可致命的0.08MPa~0.10MPa 壓力范圍）。
c）淬熄：氫氣火焰很難熄滅。例如，由于水汽會加大氫-空氣混合氣體燃燒的不穩(wěn)定性，加強燃燒能力，大量水霧的噴射會使氫空氣混合燃燒加劇。與其他可燃氣體相比，氫氣的淬熄距離最低。由于氫存在重燃和“爆炸”的危險，通常只有切斷氫供應后，才能撲滅氫火。
2）燃料電池電動汽車氫安全
燃料電池電動汽車氫安全主要包括車載高壓儲氫和燃料電池系統(tǒng)的氫安全問題，主要涉及以下幾個方面：
（1）材料安全防護
氫氣與金屬材料接觸會發(fā)生氫脆效應。在常溫常壓下，氫氣不會對金屬部件產生明顯腐蝕；但是在高壓下，溶解于金屬中的高壓氫氣會引起金屬塑性下降、誘發(fā)裂紋甚至開裂的現(xiàn)象；如果金屬管路材料選擇不當，則可能會發(fā)生氫脆效應，引起氫泄漏，為此需要選擇合適的儲氫、運氫材料。


圖1-5 車載儲氫瓶結構示意圖
目前高壓儲氫瓶主要是采用鋁合金或合成材料來避免氫脆的發(fā)生。例如，如圖1-5 所示，豐田Mirai在進行儲氫瓶設計時，最內的塑料內襯采用了尼龍材質，內襯之外分別是增強氣瓶強度的碳纖維增強樹脂與防止磕碰的玻璃纖維強化層，最外層是防跌落、防火的聚氨酯保護層。其他廠家如美國的昆騰和丁泰克公司現(xiàn)出售的塑料內膽和鋁內膽碳纖維纏繞的高壓儲氫瓶也同樣較好的解決了氫脆問題。
另外，供氫管路在高壓力下也需要避免氫脆現(xiàn)象發(fā)生。目前車載供氫管路都采用316 不銹鋼，有研究表明，316 不銹鋼在45MPa 和80℃氫氣環(huán)境下的拉伸性能、低應變速率拉伸性能、疲勞性能和疲勞裂紋擴展性能與在惰性氣體和空氣中的性能結果相同，因此316 不銹鋼在室溫下具有較好的抗氫脆性能。
（2）儲氫系統(tǒng)安全防護
儲氫系統(tǒng)安全防護主要利用儲氫系統(tǒng)控制器，對關鍵參數(shù)如壓力、溫度等進行采集并進行相關安全診斷，一旦發(fā)生故障，就通過控制器及時對相關閥類部件進行操作，使燃料電池電動汽車處于安全狀態(tài)。氫系統(tǒng)安全設施主要如下：
a）壓力傳感器：儲氫瓶內壓力傳感器實時測量內部氣體壓力，可判斷氣瓶內剩余氣量，從而用于剩余行駛里程估算，低于某一定閾值時，并提醒駕駛員加注氫氣。
b）溫度傳感器：用于測量儲氫系統(tǒng)內部和周圍環(huán)境溫度，在傳感器沒有故障的前提下，若測量的溫度發(fā)生異常，則氣瓶周圍有發(fā)生火燒的可能，可通過儲氫系統(tǒng)控制器報警，并切斷供氫電磁閥。此外，目前高壓儲氫是應用最為廣泛的車載儲氫方式，常見的III 型儲氫瓶采用了復合纏繞鋁內膽纖維結構，氫氣在快速加注過程中會出現(xiàn)明顯升溫，這會對復合材料的樹脂粘合劑產生影響，從而導致剝離現(xiàn)象，進而影響儲氫瓶的承載能力和安全性。因此氫氣加注過程中需要溫度傳感器實時監(jiān)控。
c）氣瓶安全閥：主要用于儲氫瓶泄壓，防止瓶體內部壓力過高，保證氣瓶工作在安全壓力范圍內。
d）氣瓶電磁閥：該電磁閥需要具備防爆功能，不通電情況下處于常閉狀態(tài)，主要用于氣瓶開關作用。當系統(tǒng)正常工作時，電磁閥處于打開狀態(tài)，一旦發(fā)生氫氣泄漏且超過限定值，則儲氫系統(tǒng)控制器關閉該電磁閥，從而切斷氫氣源。
e）加氫口：加注時與加氫槍相連，具有單向閥功能。
f）管路電磁閥：加氫時可以有效防止氫氣進入燃料電池內。
g）減壓閥：將儲氫瓶出口高壓減壓至噴射器或比例閥前端適宜壓力范圍。當出現(xiàn)異常情況時，可以與安全閥、針閥聯(lián)動將儲氫瓶中殘余的氫氣安全排放到空氣中。
（3）儲氫系統(tǒng)安全監(jiān)控
儲氫系統(tǒng)安全監(jiān)控主要可以通過以下措施實現(xiàn)：
a）車載儲氫系統(tǒng)安全監(jiān)控：對燃料電池電動汽車儲氫、運氫、乘客艙、燃料電池系統(tǒng)的氫氣濃度、溫度、部分管路壓力等進行實時監(jiān)控，一旦發(fā)生異常，就主動關閉供氫系統(tǒng)，確保燃料電池車輛安全。
b）氫氣泄漏監(jiān)控：在燃料電池電動汽車的儲氫瓶、燃料電池發(fā)動機、乘客艙等易于發(fā)生聚集和泄漏的地方布置氫氣濃度傳感器，實時檢測關鍵位點處的氫氣濃度，一旦發(fā)生氫泄漏，立即采取相應措施以保證乘客安全。任何一個濃度傳感器檢測到的氫氣濃度超過一定閾值時，就發(fā)出對應等級的報警或警告，并將故障信息通過聲光報警方式反饋至駕駛員。
c）加注安全監(jiān)控與防護：給70MPa 車載儲氫瓶加氫時，儲氫瓶內壓力傳感器一旦超過限定值，車載儲氫系統(tǒng)控制器通過車-站紅外通訊系統(tǒng)，立即向加氫機控制器發(fā)送停止加氫及儲氫瓶壓力過高信息。此外，加氫槍前端應配置溫度傳感器和壓力傳感器，同時需要具有環(huán)境溫度補償、軟管拉斷保護及優(yōu)先順序加氣控制系統(tǒng)等功能。
d）儲氫瓶溫度監(jiān)控：加氫過程中，車載儲氫系統(tǒng)電磁閥本身處于關閉狀態(tài)，若采用70MPa 車載氫系統(tǒng)，則該系統(tǒng)一旦檢測到溫度過高或過低，就將故障信號通過聲光報警方式反饋至駕駛員，并將故障報警信號反饋至加氫機請求停止工作。
e）供氫管路壓力監(jiān)控：燃料電池工作時，對整個供氫管路關鍵位點壓力進行實時監(jiān)控，一旦超過或低于限值，該監(jiān)控裝置就會發(fā)出警告或報警信號，并立即響應動作，將故障信號以聲光信號反饋至駕駛員。
f）電氣元件短路監(jiān)控：儲氫系統(tǒng)控制器檢測到電氣元件發(fā)生短路時，立即使供氫系統(tǒng)斷電并關閉供氫系統(tǒng)所有電磁閥，同時將故障信號通過聲光信號反饋至駕駛員。
（4）碰撞安全防護
燃料電池電動汽車安全碰撞防護主要是防止儲氫系統(tǒng)、燃料電池系統(tǒng)、各類閥件等部件發(fā)生碰撞時不受到破壞或將破壞降至最低，并保護整車氫安全。除了對這些關鍵部件本身進行防撞設計外，還需通過位置布置、固定裝置保護和慣性開關監(jiān)控碰撞并與整車監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)動，自動斷電、自動關閉閥門等措施來避免災難的發(fā)生。
2、電安全問題
燃料電池電動汽車發(fā)生高壓漏電，就可能會對車上乘員造成觸電傷害。
（1）燃料電池電動汽車絕緣安全根據(jù)GB/T 18384-2020《電動汽車安全要求》：在最大工作電壓下，直流電路絕緣電阻最小值應大于100Ω／V，交流電路最小值應大于500Ω／V；如果直流和交流的B 級（UDC＞60V，UAC＞30V）電壓電路可導電地連接在了一起，則必須滿足大于500Ω／V，或交流電壓電路采取加強絕緣或附加防護措施后滿足大于100Ω／V。目前燃料電池電動汽車動力系統(tǒng)中的燃料電池、鋰電池屬于直流源電路，而驅動電機、方向助力電機等屬于交流電壓電路。如果沒有特殊措施，屬于直流和交流的B 級電壓可導地連接在一起，應當執(zhí)行500Ω／V 的標準。圖1-6 為B 級電壓觸電安全原理圖。
目前，受到燃料電池結構和加工工藝影響，無法對燃料電池的冷卻水道進行絕緣處理。燃料電池系統(tǒng)的絕緣阻值受冷卻液電導率影響較大，為此需要實時保證冷卻液的電導率低于特定限值。此外，還可對整車交流電壓電路進行加強絕緣處理，使得附加防護后整車絕緣達到要求；但驅動電機、方向助力電機等交流高壓電路布置分散、空間不規(guī)則，實施加強絕緣或附件防護難度較大，且影響后續(xù)維修的方便性，施工及保持難度較大。同樣，可將燃料電池與其他高壓電路進行隔離，各隔離區(qū)分別滿足絕緣要求即可。采用該絕緣方案，燃料電池堆部分直流電壓電路與其他B 級交流電壓不發(fā)生可導電連接，此部分電路按直流標準100Ω／V 即可確保安全。但隔離式的絕緣方法成本高，需要兩套絕緣阻值監(jiān)控，且隔離式DC/DC 變換器效率總體低于非隔離式DC/DC 變換器，整體體積也較大，導致整車布置難度較大。


圖1-6 B 級電壓絕緣電阻
（2）燃料電池電動汽車碰撞高壓電安全
燃料電池電動汽車碰撞高壓電安全的目標是要杜絕碰撞過程中發(fā)生高壓漏電的風險，因此整車高壓回路也必須設置碰撞切斷系統(tǒng)，以保證汽車在發(fā)生碰撞后，即使高壓線束遭到破壞，也不會發(fā)生漏電風險。
發(fā)生嚴重碰撞時，必須自動斷開高壓回路。為此，須在整車上需通過配置慣性傳感器等方式來監(jiān)測碰撞是否發(fā)生。發(fā)生碰撞時，若慣性開關被激活，則該信號傳至整車控制器后，整車控制器將發(fā)出關閉供氫系統(tǒng)、關閉燃料電池繼電器、關閉動力電池繼電器等指令發(fā)，各控制器接收到關閉指令后迅速執(zhí)行相應動作—在高壓電發(fā)生泄漏之前切斷所有高壓電供應，并同時切斷氫氣供給。為保證整車碰撞在各種工況下都能夠被檢測到，整車慣性開關必須設置多個，并設置在不同部位，防止因某個慣性開關發(fā)生故障而導致未檢測到碰撞信號。同時為了防止誤觸發(fā)碰撞安全保護，不能選用過于靈敏的慣性開關，否則汽車正常行駛過坑洼或起伏較大路段，易發(fā)生誤觸發(fā)從而導致車輛動力源被切斷；但也不能選擇觸發(fā)條件過高的慣性傳感器，否則當實際碰撞發(fā)生，部分高壓電系統(tǒng)零部件損壞而導致高壓電泄漏，高壓回路和動力蓄電池的繼電器卻未得到切斷指令，從而給乘員人身安全帶來危害。
（3）電子元器件氫安全防護
除了防護高壓漏電對整車絕緣和氫安全的危害，還需考慮低壓電子元器件對氫安全的影響。為防止電路中產生電火花點燃泄漏或管路中的氫氣而發(fā)生燃燒或爆炸事故，燃料電池電動汽車的電氣元件閥體均采用相應的防爆、防靜電、阻燃、防水、防鹽霧材料。例如，燃料電池電動汽車的氫濃度傳感器需要選擇防爆型，若氫氣濃度達到限值時，觸點式傳感器會通過觸點動作傳輸信號，容易產生火花而引發(fā)事故；同時為了防止繼電器動作時發(fā)生電弧放電而點燃氫氣，儲氫供氫系統(tǒng)中的電磁閥需要選用防爆固態(tài)繼電器。 
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