新型商用车燃料电池驱动装置
0?序
在过去的20年里，虽然燃料电池的发展呈现出多元化的趋势，但在商用车驱动装置领域并没有实质性的突破。早在20世纪，一些城市公交车就小批量使用燃料电池，但其技术发展的重点仍在轿车领域。近年来，研究人员逐渐将燃料电池的应用领域转移到商用车上。这主要是由于最近正式采用了欧盟商用车法规来减少二氧化碳排放。该法规规定，在2030年之前，车辆的二氧化碳排放量必须比目前的基准阶段减少30%。这一目标促使电驱动总成系统逐步取代车用柴油机，从而推动商用车燃料电池的应用。与蓄电池相比，燃料电池具有行驶里程更长、加油时间更短的优点。同时可以显著优化车辆布局，实现轻量化，从而有效提高车辆的经济性(表1)。此外，在不增加CO2排放的前提下，燃料电池的技术优势可以进一步凸显，因为其能量密度高于蓄电池，这也改善了制造过程中对环境的负面影响。
1?降低成本是一项重大挑战。
在德国，燃料电池技术已经成熟，可以投入量产，但1重要挑战是加氢站的规模和数量仍然有限。此外，研究人员还需要进一步降低燃料电池系统的制造成本。在成本控制方面，科技界和工业界都取得了重要进展。目前，除了燃料电池堆本身，对成本影响最大的因素是燃料供给装置和辅助设备。因此，目前燃料电池系统有多种尺寸可供选择，其技术性能可以满足不同的功率要求。此外，市场上现有的燃料电池系统和功率水平需要统一和标准化。目前，质子交换膜燃料电池(PEMFC)在汽车领域备受关注。除了开式系统中的供氧系统外，* * *还有两种闭式回路可供选择。其中1用于燃料电池堆的热调节，另1用于供应氢燃料。燃料电池系统的整个外围设备通常称为辅助控制系统(BoP)，采用机电一体化元件，其成本约为整个系统的25%(图1)。
2?组件的继承和标准化是关键。
多年来，皮尔伯格公司生产了各种可用于PEMFC系统的零部件，以及其他与燃料电池密切相关的辅助产品。目前，该公司的研发重点是阴极阀、冷却剂泵和氢气再循环增压器(图2和图3)。冷却液泵和氢增压器标准化要求高，同时需要配备一定比例的通用零部件，使产品的成本和质量与技术转换、使用寿命、运行安全等因素相协调，充分利用新开发的高压冷却液泵和改进的氢增压器。为了进一步增加通用部件的比例，降低开发成本，研究人员分别设计了冷却剂泵、氢增压器、大容量电机和电力电子装置(转换器)等高压部件和软件，并将所有的机械和电子部件集成在一个圆柱形的整体壳体中，包括转子结构部件、电机和其他电子装置(图4)。
考虑到汽车厂商的设计和安全规定，电机和电子器件基本都是按照LV123/124标准设计的，这样就保证了最高800？v？HV2b和HV3？安全使用此类设备。电机运行中使用的高压电力电子设备通常与电压系统和CAN总线接口分开布置。电子设备直接与无刷DC同步电机(BLDC)连接，符合ECE-R10标准，确保系统的可靠性和电磁特性。冷却液泵和氢气增压器具有无级调速、系统诊断和选择性网络管理功能。接触介质的转子结构部件与电子器件之间的密封隔离可以通过塑料狭缝管来实现。开槽管可以通过纯静载荷O型圈密封壳体，保证有0.8左右？兆帕压力。在这两种流体机械中，这种狭缝管可以避免介质和氢气混合物与电子器件的大规模接触。同时静密封原理不会受到摩擦老化的影响，因此可以保证产品在整个使用寿命内的可靠运行。
科研人员在选择与介质接触的结构部件材料时，不仅要保证其耐腐蚀性能，还要考虑离子和材料析出的可能性，以避免MEA？冷却剂的加速降解和冷却剂泵中冷却剂传导性的逐渐提高。在这方面，滚动轴承作为唯一有磨损情况的部件，成为研究的重点，合成材料制成的轴承通常用于冷却液泵。由于氢气增压器中存在气体介质，科研人员为其配备了密封滚动轴承，以实现选材时的相互协调，防止其产生静电载荷和电火花。此外，科研人员通过设计优化，使这种专门研制的轴承润滑材料在成分、粘度、化学稳定性等方面具有优异的性能，从而保证轴承在整个使用寿命期间处于低摩擦运行状态。
3?燃料电池阴极阀
与内燃机类似，为了使燃料电池堆正常工作，要向其供给由增压器压缩的洁净空气。为了调节新鲜空气、旁路空气和废气的流量，需要电动阀系统。此外，如果燃料电池堆处于非工作状态，它将通过高密封性能的单向阀与周围环境密封隔离。
根据应用情况，上述阀板和阀在与水和氢气接触时应具有良好的稳定性和耐久性。这就要求阀体和执行机构之间有良好的密封，尤其是在止回阀关闭时，并且在整个使用寿命期间必须有效地保持。
Pierburg公司的研究人员基于内燃机节流阀的开发经验，设计了一系列可用于燃料电池负极侧的调节阀和单向阀，并已投入小批量生产。内燃机节气门的基本方案是由可旋转阀板和集成DC电机执行器组成。目前，这一基本方案得到保留，并根据上述标准得到进一步发展。控制阀板的尺寸已经根据其各自的功率水平和所需的空气流量进行了调整。其他技术特征，如汽车电路电压(12/24？v)等。，可以根据用户要求进行配置。为了满足更高的密封要求，科研人员采用了密封圈与摆动阀板相结合的结构设计方案。必要时，可以实现多重密封的滚针轴承可以保证阀板轴与执行机构之间的密封效果(图5)。
4?燃料电池主冷却剂泵
效率高达65%的PEMFC在电化学转化过程中仍然会产生一些损耗。为了稳定反应温度在80~100？在20℃时，为了避免燃料电池的局部热损伤，需要进行强制液体冷却.同时，研究人员要对低温下的温度和湿度进行预处理，使去离子水和电导率较弱的乙二醇的混合物能够流过燃料电池堆并得到冷却。由于研究人员对一定数量的电池板进行了串联处理，所需的冷却液会产生较大的压力损失。针对这种情况设计的冷却剂泵应具有合适的特性曲线场，并能稳定输出所需的高功率。为了选择合适的材料，必须保证其具有一定的耐腐蚀性。因此，研究人员应采取相应措施，避免冷却剂电导率的影响，避免堆芯漏电流的发生。
Pierburg公司的研究人员设计了一种可用于燃料电池的主冷却剂泵。该主冷却液泵的电压为12？v，幂0.45？千瓦.通过设置高比例的通用部件，并使用已投入量产的部件，科研人员有效降低了成本，保证了系统的可靠性和质量。
在为商用车辆开发的系统框架中，由于高电压驱动模式，主冷却剂泵具有更高的功率需求。在商用车中，除了400？V(HV2b)系统外，800？V(HV3)系统的电压也成为研究人员关注的焦点。新开发的商用车专用冷却液泵是根据上述两种电压等级及相关要求设计的，其电功率高达2？KW，因此具有广阔的应用前景(表2)。
5?氢气再循环增压器
PEMFC在阳极侧提供氢燃料。氢燃料通过减压阀和计量阀输送，其储存压力可从70？MPa逐渐下降到0.1~0.3？MPa .为了改善燃料电池中的反应过程，所供应的氢气混合物的化学计量比大于1，并且还可以根据实际操作过程来调节堆芯出口处的混合物浓度。根据所采用的不同运行策略，这种混合气体在堆芯内进行单元或二元再循环的过程中被重新输送，并使用了一个喷射器。由于其工作范围有限，通常与电机驱动的主动式增压器结合使用，因此被称为氢再循环增压器。主动再循环过程扩大了燃料电池的工作范围，从而使动力系统在设计和应用方面具有更高的自由度。其他优点在于混合气体的均匀化程度的提高，有助于核心除湿和循环扫气的过程，具有更高的效率、更长的使用寿命和更好的动力性能，还改善了冷启动性能。因此，目前大多数车辆燃料电池系统都配备了主动再循环功能，这对于商用车系统来说非常重要。皮尔伯格公司的研究人员将系统设置为超过400？v？电压来操作，并可用于800？V工作电压的商用车提供氢增压器，覆盖0.4~1.6？kW？电功率范围(表3)。
系统采用的单级侧流道抽油机为1低压旋转流体机械，具有良好的静音性，能有效降低节流损失。此外，氢增压器还配有冷却水套，可以保证发动机满负荷连续运转，并在冷启动时为氢增压器除霜。
为了防止外部泄漏，研究人员设计将介质所在的区域与电子设备密封隔离，并在生产线末端进行氦气泄漏检查，以确保其质量。为了成功地将全新的燃料电池汽车投入生产，必须符合欧盟EG79/2009的法规和限值要求。为了进一步保证系统在整个使用寿命期内的安全可靠运行，科研人员应按照DINEN60079-1标准，提前研究静态O形环间隙中碗形密封的失效情况，并据此调整组件之间的间隙大小，避免沿堆芯方向发生火灾击穿，降低制造工艺成本。
6?结论与展望
燃料电池在商用车领域取得了一些技术突破。燃料电池汽车比电池电动汽车更经济，因为它们可以实现更长的里程和更短的加油时间。此外，在各种替代能源中，氢能更适合储存，这使得它成为汽车能源转化过程的关键。基于多年的燃料电池开发经验，皮尔博格开发出全新的产品，能够满足未来新一代商用车燃料电池系统的质量、安全和使用寿命要求。
本文发表于《汽车与新动力》杂志2020年第5期。
作者:[德国]S.ROTHGANG等人。
整理:范强明
编辑:伍斯特
本文来自车家作者汽车之家，不代表汽车之家立场。