摘 要

21世紀(jì)以來，世界汽車界的許多研究機(jī)構(gòu)在燃料電池作為零排放和超低排放汽車動力技術(shù)開發(fā)方面開展了大量的研究工作，氫能是傳統(tǒng)化石能源理想的替代能源載體，是能同時滿足資源、環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展要求的新能源。首先闡述了燃料電池汽車與傳統(tǒng)燃料車的差異，然后分析了燃料電池系統(tǒng)及供氫系統(tǒng)的原理及構(gòu)成，并進(jìn)一步研究了同類車型整車及關(guān)鍵部件在車輛研發(fā)過程中的布置設(shè)計，了解了行業(yè)內(nèi)燃料電池汽車集成技術(shù)的發(fā)展趨勢，并形成了一套較完善的設(shè)計規(guī)范供后期車型開發(fā)做參考。

引 言

就現(xiàn)階段燃料電池汽車技術(shù)的發(fā)展以及市面上主流燃料電池車型來看，目前燃料電池汽車整車關(guān)鍵零部件布置主要分為2種平臺：（1）在傳統(tǒng)燃油車平臺改制來布置氫燃料電池相關(guān)的部件，在傳統(tǒng)燃油車身結(jié)構(gòu)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)局部調(diào)整以,滿足適應(yīng)燃料電池乘用車關(guān)鍵零部件的合理布置需求，研發(fā)成本也較低。（2）燃料電池汽車專用研發(fā)平臺，同時也是新型、可變模塊化的專用平臺，這種平臺適應(yīng)能力強(qiáng)，可以衍生出多種類型的車型，在整車關(guān)鍵零部件布置方面優(yōu)勢較為明顯，但其研發(fā)費用也較為昂貴。

1、燃料電池汽車與傳統(tǒng)燃油車整車布置差異

氫能汽車結(jié)構(gòu)和原理不同于傳統(tǒng)乘用燃油汽車，2種截然不同的驅(qū)動類型，兩者在原理結(jié)構(gòu)上有著較大的區(qū)別，相應(yīng)的系統(tǒng)部件也會存在差異，直接導(dǎo)致燃料電池車比傳統(tǒng)燃油汽車新增了關(guān)鍵零部件。參照圖1中燃料電池汽車整車關(guān)鍵零部件布置形式，首先燃料電池乘用車相比傳統(tǒng)燃油車配置了燃料電池系統(tǒng)、車載供氫系統(tǒng)、高壓動力電池、充電裝置和高低壓轉(zhuǎn)換器（DC-DC）。傳統(tǒng)的發(fā)動機(jī)系統(tǒng)布置空間需考慮燃料電池系統(tǒng)和電驅(qū)動系統(tǒng)的布置要求，傳統(tǒng)燃油箱的布置空間需要考慮供氫系統(tǒng)的布置要求，相比于燃油車的能量轉(zhuǎn)換形式，燃料電池汽車的高低壓附件和熱管理系統(tǒng)的布置要求更為復(fù)雜。同時，相比于傳統(tǒng)燃油車，燃料電池車型的空調(diào)制冷和采暖的高壓空調(diào)壓縮機(jī)及高壓PTC同樣依靠的是燃料電池發(fā)電來運行。另外，燃料電池汽車的關(guān)鍵零部件，如高壓設(shè)備的高壓用電都需要由高壓動力電池進(jìn)行輸送，為了保證各用電設(shè)備的用電安全，并減少高壓線束的分支，在動力電池和各用電設(shè)備之間安裝高壓配電盒來實現(xiàn)以上功能。高壓配電盒內(nèi)部有保險絲來保障線路安全，與傳統(tǒng)燃油汽車的電器盒類似，但是參照ISO20653-2006道路車輛防護(hù)等級(IP代號)電氣設(shè)備對外來物、水和接觸的防護(hù)技術(shù)要求，2者之間存在較大區(qū)別，見表1。

表1 燃油車與燃料電池車配電盒差異

圖1 燃料電池汽車整車布置

2、整車總體布置形式

氫能汽車的燃料電池系統(tǒng)在尺寸及性能要求方面相當(dāng)于傳統(tǒng)車型的發(fā)動機(jī)，在整車布局當(dāng)中能兼顧的空間有限，對于燃料電池乘用車來說一般將燃料電池與電驅(qū)動系統(tǒng)集成布置于前艙內(nèi)，滿足燃料電池散熱及碰撞安全需求的同時空間充足且可調(diào)整范圍大，而且布置在前艙還可以直接驅(qū)動半軸從而驅(qū)動前輪，節(jié)省了大量空間，并提高整車傳動效率。供氫系統(tǒng)是燃料電池汽車中關(guān)鍵的組成部分，由于氫瓶特殊的尺寸規(guī)格和存儲要求，不能像傳統(tǒng)燃油車的油箱的布置那么靈活，在乘用車中氫瓶的布置在滿足整車離地間隙時勢必會影響到人體的坐姿空間和行李箱的容積。

常見的乘用車氫瓶布置形式：

（1）氫瓶布置于后排座椅下部和行李箱下部，動力電池及高壓附件系統(tǒng)布置于前地板，如圖2所示。此類布局形式的優(yōu)勢在于滿足人體坐姿和行李箱空間，同時整體的后期維護(hù)性較好，劣勢在于氫瓶儲氫量不會太大，一般在3~4kg，目前這種布局形式儲氫量做的最大的豐田Mirai二代僅為5kg。

圖2 燃料電池乘用車的布置

（2）氫瓶采用同等規(guī)格縱梁平鋪于成員艙地板下部，動力電池及高壓附件布置于后地板下部，此種布置形式的優(yōu)勢在于氫瓶的儲氫量相對較高，整車?yán)m(xù)駛里程較長，同時氫瓶具有較好的碰撞安全性，劣勢在于后艙地板下部的高壓附件和動力電池的裝配維護(hù)性較差，同時有碰撞風(fēng)險。

3、前艙關(guān)鍵零部件布置方案設(shè)計

根據(jù)氫能汽車關(guān)鍵零部件的工作特性和特點，把前艙布置分為上、中、下3層。如圖3中所示，在前艙的上層空間布置一些易于維修保養(yǎng)的、需要經(jīng)常進(jìn)行維護(hù)更換的零部件，如燃料電池反應(yīng)堆、燃料電池DC、燃料電池控制器、保險絲盒和蓄電池等。在前艙的中層空間布置燃料電池子系統(tǒng)部件，考慮到電堆懸置安裝固定點在中層位置，一般將振動幅值較大的部件布置于此層，例如空氣壓縮機(jī)、氫氣循環(huán)泵、水泵、增濕器和中冷器。在前艙的下層空間布置一些不易于維修保養(yǎng)、不需要經(jīng)常進(jìn)行維護(hù)更換的零部件，例如電機(jī)、減速器、電機(jī)控制器等。這樣的布置方案把前艙分為上、下2層，層次分明，前艙零部件布置較為干凈整潔，便于后期的維修診斷和零部件的更換。

圖3 前艙布置方案

前艙布置安全原則方案，這種方案設(shè)計需要滿足以下5項要求：

（1）前艙布置需要滿足整車碰撞安全的硬性要求，符合法規(guī)要求；

（2）各關(guān)鍵零部件符合純電動汽車機(jī)艙布置間隙要求標(biāo)準(zhǔn)；

（3）滿足電磁干擾防護(hù)等級，保證足夠安全距離；

（4）滿足涉水密封IP67級安全要求、滿足NVH、操穩(wěn)性能等試驗要求；

（5）滿足生產(chǎn)制造、總裝、維修售后等便力性要求。

4、氫能汽車燃料電池布置

4.1、氫能源汽車燃料電池系統(tǒng)原理

氫能源汽車的燃料電池系統(tǒng)原理可分為3部分，包括空氣子系統(tǒng)、冷卻子系統(tǒng)和氫氣子系統(tǒng)，通過空氣系統(tǒng)與氫氣系統(tǒng)之間產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)并把電流集合、輸出。同時冷卻系統(tǒng)提供冷卻保證燃料電池的正常、高效運行。本文介紹的系統(tǒng)原理如下：

（1）燃料電池的空氣子系統(tǒng)主要由空氣濾清器、空壓機(jī)、中冷器和加濕器部件組成，系統(tǒng)簡化后如圖4所示。燃料電池起動時，空壓機(jī)由動力電池供電，起動完成之后，空壓機(jī)繼續(xù)由整車動力系統(tǒng)高壓直流母線供電，空氣濾清器的作用是對進(jìn)入發(fā)動機(jī)的空氣進(jìn)物理過濾及化學(xué)過濾，防止對燃料電池電堆的污染。

圖4 空氣子系統(tǒng)

（2）燃料電池的冷卻子系統(tǒng)簡化后如圖5所示，主要由水泵、PTC加熱器、2個電控閥、散熱器、去離子器、濾網(wǎng)及水箱部件組成。給電堆內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱量的部件降溫，使電堆處于最佳溫度，保證高效工作。

圖5 冷卻子系統(tǒng)

（3）燃料電池的氫氣子系統(tǒng)簡化后如圖6所示，主要由高壓氫瓶、減壓閥、電磁閥、氫氣循環(huán)泵、氫氣止回閥、氫氣泄壓閥等部件組成。通過各種閥體將氫瓶里的高壓氫氣降壓后輸入給電堆，使得電堆內(nèi)氧氣與氫氣充分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

圖6 氫氣子系統(tǒng)

4.2、氫能源汽車燃料電池系統(tǒng)構(gòu)成及系統(tǒng)集成分析

4.2.1、燃料電池系統(tǒng)構(gòu)成

燃料電池系統(tǒng)主要包括進(jìn)氣部件、排氣部件、冷卻部件、進(jìn)氫部件、高壓控制部件、低壓部件組成，如圖7某車型燃料電池系統(tǒng)所示。

圖7 某車型燃料電池系統(tǒng)

（1）進(jìn)氣部件主要包括空氣濾清器、流量計、空氣壓縮機(jī)、中冷器、加濕器和節(jié)氣門，該系統(tǒng)為燃料電池提供充足的氧氣參與化學(xué)反應(yīng)，而進(jìn)氣節(jié)氣門是整個燃料電池的總開關(guān)；

（2）排氣部件包括排氣截止閥、背壓閥和消聲器，它可以排出燃料電池中的廢氣以及氫氧反應(yīng)產(chǎn)生的水；

（3）冷卻部件包括散熱器、散熱風(fēng)扇、水泵、節(jié)溫器和去離子儀，它形成一個獨立的循環(huán)，來維持整個燃料電池氫氧反應(yīng)系統(tǒng)工作在合理的溫度范圍內(nèi)，同時過濾系統(tǒng)中的干擾離子；燃料電池附屬系統(tǒng)零件（空氣壓縮機(jī)及其控制器、氫氣循環(huán)泵控制器）的冷卻則依靠整車上的冷卻循環(huán)來實現(xiàn)；

（4）進(jìn)氫部件包括減壓閥、進(jìn)氫電磁閥、比例電磁閥、排氮閥、水汽分離器和氫氣循環(huán)泵，它為燃料電池提供適量的氫氣參與化學(xué)反應(yīng)；同時過濾出尾氣中的氫氣，并通過循環(huán)泵加壓后再次供給燃料電池；

（5）高壓控制部件包括電堆DC-DC、PTC、DCL、空壓機(jī)控制器、氫氣循環(huán)泵控制器。該系統(tǒng)將燃料電池產(chǎn)生的高壓電輸出至整車電驅(qū)動系統(tǒng)，同時擔(dān)負(fù)著自身高壓元件的用電需求和控制邏輯；

（6）低壓部件包括FCU、電器盒以及各種傳感器，它與整車通訊，接受整車的用電請求從而執(zhí)行燃電化學(xué)反應(yīng)，同時又監(jiān)控燃料電池的各項參數(shù)，以保證其正常運行。

4.2.2、燃料電池系統(tǒng)集成分析

通過多維度分析各品牌燃料電池系統(tǒng)布置集成特性見表2，為實現(xiàn)在一定車型范圍內(nèi)的氫燃料電池通用化設(shè)計，針對整車匹配的方便性和基本性能要求，對氫燃料電池本體、附件系統(tǒng)和外部接口做出統(tǒng)一的布置策略，建議如下：

（1）燃料電池系統(tǒng)其中一側(cè)緊貼整車的前圍板，其前/后/左/右應(yīng)至少有一側(cè)的外觀面需保持整齊，且懸置以上的區(qū)域不能預(yù)留外部接口；

（2）進(jìn)氫口和尾排口盡量預(yù)留在同一側(cè)；

（3）盡量體現(xiàn)統(tǒng)一的設(shè)計包絡(luò)和外部接口布置策略；

以上技術(shù)可以實現(xiàn)一定車型范圍內(nèi)的氫燃料電池通用化設(shè)計，并降低整車布置匹配的復(fù)雜程度。對減少產(chǎn)品多樣性，縮短開發(fā)周期，降低整車成本有積極作用。

表2 各品牌電堆系統(tǒng)集成特性分析

4.3、氫燃料電池布置要求

氫燃料電池布置的對象，是附件集成后的電堆總成。其布置的合理程度直接影響到整車裝配、售后及整車外接口匹配。本文規(guī)范以GB/T15089—2001機(jī)動車輛及掛車分類中N1/N2類整車承載式車身的布置方法進(jìn)行舉例論述。

4.3.1、布置輸入及準(zhǔn)備

在布置工作啟動之前，需要確認(rèn)以下準(zhǔn)備工作，如表3。

表3 燃料電池布置輸入說明

4.3.2、布置要求

燃料電池布置時，不僅要考慮自身的布置要求，還要結(jié)合整車環(huán)境、制造工藝和性能要求共同確定布置位置。

4.3.3、整車環(huán)境約束

N1/N2類整車大都為承載式車架，如圖8。考慮燃料電池的安全性，一般布局在駕駛艙和貨箱前部的車架中間位置。

圖8 燃料電池常規(guī)布置位置

（1）X/Y/Z向角度：燃料電池的封裝本體為規(guī)則的立方體，布置時應(yīng)分別保持與X/Y/Z3個平面平行；

（2）X向位置：考慮整車軸荷分配，燃料電池盡可能靠近車頭布置；以燃料電池前部的車身橫梁為基準(zhǔn)，向車尾方向布置，考慮到燃料電池系統(tǒng)整體裝配工藝X向前后預(yù)留最小20mm間隙；

（3）Y向位置：車架左右兩側(cè)的縱梁一般為對稱結(jié)構(gòu)，布置燃料電池時應(yīng)保證封裝本體在Y向居中，以便于左右懸置的對稱設(shè)計；

（4）Z向位置：燃料電池封裝本體上集成的附件較多，其最低位置應(yīng)高于車架下橫梁的上表面20mm，且其頂部與車架上橫梁間隙大于20mm；如果整車Z向高度不足，可降低燃電高度至最小離地間隙限制面，但需保證其不處于整車前部的最低點。

4.3.4、整車制造工藝約束

（1）燃料電池裝配時需通過吊具或舉升設(shè)備，將燃料電池舉升到車架特定高度后安裝懸置。故燃料電池的封裝本體需具備至少2個吊裝孔，或者至少3個底部支撐平面，且吊裝孔或支撐平面的工具進(jìn)入方向不能有零件遮擋；

（2）懸置安裝支架的正上方，不能集成其它零部件，以保證裝配便利性。

4.3.5、整車性能約束

除安全性之外，布置時需兼顧燃料電池的防水性能，尤其是電器元件。按照一般SUV的涉水標(biāo)準(zhǔn)，電器件高度需滿足整車滿載姿態(tài)下>450mm。若受空間限制無法滿足時，需確認(rèn)零部件及外部插接件的防水等級不低于IP67。

5、氫能汽車供氫系統(tǒng)布置

5.1、供氫系統(tǒng)構(gòu)成

供氫系統(tǒng)主要包括加氫口、排氫口、氫瓶、氫閥、手操作開關(guān)、HCU以及氫管，如圖9。

圖9 供氫系統(tǒng)總成

（1）車用氣瓶共分為4種類型：全金屬氣瓶(I型)、金屬內(nèi)膽纖維環(huán)向纏繞氣瓶(II型)、金屬內(nèi)膽纖維全纏繞氣瓶(III型)、非金屬內(nèi)膽纖維全纏繞氣瓶(IV型)。I型和II型氣瓶重容比較大，難以滿足單位質(zhì)量儲氫密度要求，用于車載供氫系統(tǒng)并不理想。采用金屬內(nèi)膽的III型氣瓶為我國在高壓氫氣瓶領(lǐng)域的主要研究方向。目前35MPa的氫瓶技術(shù)已經(jīng)成熟，內(nèi)至外包括內(nèi)襯材料、鋁合金內(nèi)膽、纖維纏繞層、外保護(hù)層、閥門瓶口。國內(nèi)主流采用鋁合金+碳纖維材料見圖10。

圖10 氫瓶組結(jié)構(gòu)

（2）氫氣閥控制著整個氫氣回路的充氣/供氣/氣體泄放，其原理圖見圖11。它可以是一個高度集成的閥體，也可以是多個具備單獨功能的閥體組合。

圖11 供氫系統(tǒng)原理

5.2、供氫系統(tǒng)布置要求

供氫系統(tǒng)的關(guān)鍵在于氫瓶及氫瓶框架的布置。首先根據(jù)整車總體布局，確定氫瓶的最大布置容積，以此可以初步確定氫瓶的數(shù)量和尺寸，進(jìn)而推算其容積是否滿足整車?yán)m(xù)駛里程的要求。布置時需關(guān)注：

（1）考慮整車碰撞安全性，氫瓶與整車最外側(cè)結(jié)構(gòu)件的間隙＞70mm；

（2）確定氫瓶長度時，需考慮其兩端瓶口閥和瓶尾閥的尺寸，可按照供應(yīng)商的零件選型初定為50mm+100mm；

（3）氫瓶的外徑和長度需結(jié)合整車環(huán)境確定，保證與環(huán)境件間隙>15mm；

（4）氫氣閥體控制著整個系統(tǒng)的減壓/截止/充氣和排氣功能。一般閥體是集成在氫瓶或氫管上，布置需保證手動閥處于方便手動操作的位置；

（5）加氫口的位置沒有明確的法規(guī)要求，布置以方便設(shè)計加氫口蓋，并盡可能縮短加氫管的長度為原則來確定其位置；

（6）加氫口的高度需滿足人機(jī)操作方便性，建議在770~880mm，如果受造型限制，可以視情況調(diào)整；

（7）加氫口蓋的尺寸需滿足加氫槍的操作空間，建議在加氫槍3D的基礎(chǔ)上，單邊預(yù)留>50mm的間隙；

（8）氫濃傳感器主要檢測氫氣泄露量，宜水平布置在瓶尾閥附件的上部區(qū)域，保證探頭朝下；

（9）HCU應(yīng)盡可能的靠近氫瓶閥體和傳感器，且易于操作的位置，以縮短線束的長度并保證售后/試制調(diào)試的需求。

6、高壓控制系統(tǒng)的布置

6.1、控制系統(tǒng)構(gòu)成

控制模塊包括BDU、PDU、DCDC、MCU、空壓機(jī)和循環(huán)泵控制器；負(fù)載端包括驅(qū)動電機(jī)、DCL、空調(diào)壓縮機(jī)、高壓轉(zhuǎn)向泵和風(fēng)冷機(jī)組。系統(tǒng)構(gòu)成見圖12。

圖12 高壓控制系統(tǒng)

圖12所示的加粗箭頭連接的零部件代表高壓控制模塊。確定高壓控制系統(tǒng)的線束連接原理圖之后，即可啟動零件布置，控制器的通用布置要求如下：（1）控制模塊的離地高度一般>500mm，若受空間限制無法滿足時，其滿載高度不應(yīng)低于整車最小離地間隙要求，且零部件及外部接插件的防水等級不應(yīng)低于IP67；（2）需要水冷的控制模塊，應(yīng)保證其高度不超出冷卻水壺的最低液面高度；（3）整個高壓系統(tǒng)的零部件方案應(yīng)同步考慮，布置控制模塊時應(yīng)充分考慮固定接口設(shè)計、外部高低壓接口的位置以及線束設(shè)計的方便性，盡可能規(guī)避線束的迂回，且其高壓接插件的軸線方向至少預(yù)留5D（高壓線束直徑）+10mm的線束折彎空間；（4）空氣壓縮機(jī)、水泵等維護(hù)頻率較高的零件，需布置在易于檢修和調(diào)試的位置；（5）控制模塊需盡量遠(yuǎn)離熱源，與周邊固定零件和動態(tài)零件包絡(luò)的間隙需≥15mm；（6）控制模塊的布置還需考慮裝配和售后維修的方便性，特別是BDU等安裝比較費時的零件。

6.2、氫燃料電池的高壓控制系統(tǒng)

氫燃料電池的高壓電輸出至電堆DC-DC后，一部分輸入BDU用于驅(qū)動整車，另一部分用于自身附件的驅(qū)動，包括空氣壓縮機(jī)、循環(huán)泵、PTC、高壓水泵以及DCL。這部分高壓零部件往往與燃料電池集成在一體，燃料電池布置完成后，零部件的初版布置方案也可確定下來。

如果整車空間不足以將集成后的燃料電池做完整的布置，可考慮拆分部分零部件。比較常見的為電堆DC-DC的拆分及布置。

6.3、整車的高壓控制系統(tǒng)

氫燃料電池和電池包的輸出端，通過BDU和PDU后輸入驅(qū)動電機(jī)，從而驅(qū)動整車。同時BDU和PDU需滿足整車上其它高壓元件的用電需求。

7、電堆總成及關(guān)鍵部件布置檢查單（check list）

根據(jù)以上各系統(tǒng)的描述內(nèi)容，現(xiàn)將本文中針對燃料電池總成及關(guān)鍵部件的布置間隙要求匯總形成Checklist（表4），為相關(guān)數(shù)據(jù)布置校核提供參考依據(jù)。

表4 燃料電池總成及關(guān)鍵部件布置檢查單（check list）

8、結(jié)束語

本文通過實例車型開發(fā)過程的具體布置方案進(jìn)行分析研究，同時在大量閱讀國內(nèi)外文獻(xiàn)和前期車型研發(fā)的基礎(chǔ)上，結(jié)合傳統(tǒng)燃油車整車布置規(guī)范和技術(shù)要求，對燃料電池汽車整車及關(guān)鍵零部件布置進(jìn)行優(yōu)化和總結(jié)，形成了一套相對完善的總布置設(shè)計規(guī)范，可供燃料電池車型開發(fā)布置參考，以及通過對當(dāng)前國內(nèi)外燃料電池車型集成布置分析研究，確定了現(xiàn)階段燃料電池車型的布置狀況及未來整車集成發(fā)展趨勢，積累的相關(guān)經(jīng)驗對后期的車型開發(fā)可提供有力支持。相信通過后續(xù)的研究和開發(fā)及示范工作的不斷深入，本文所述的燃料電池汽車整車布置研究內(nèi)容在實際工作中會不斷得到更新。