嘉定智能低碳汽车科普生态建设项目郭诗钰
氢能是目前已知能源中最为清洁的一种，被称为最理想的新能源。如图1所示，以氢能利用为基础、燃料电池技术为核心的燃料电池汽车首当其冲，成为氢能利用的“领头羊”，尤其是其中客车、重卡，成为实现能源低碳转型、气候减排与可持续发展等目标的重要“角色”。在政策支持下，燃料电池汽车相关技术水平快速进步、市场应用持续扩大，到年燃料电池汽车占全世界车辆总数得比例可以达到20%-25%，到时候驾驶、乘坐“用氢产水”的“零碳车”将不是新鲜事。
图1氢能生产与应用
在北京奥运会、上海世博会期间，我国就开展了展开燃料电池汽车的示范项目，主要是在客车和专用车领域。而在燃料电池乘用车领域，还是日本、韩国等技术水平较高。截止年底，我国仅有上汽集团于年销售了50辆荣威燃料电池乘用车，应用于租赁服务。日本、韩国等国家的汽车企业，如丰田、本田、现代等对燃料电池乘用车的发展已经到达了产业化前期的水平，年全球范围内燃料电池销量达到辆，大部分为三家企业的燃料电池车型。
丰田是氢燃料电池汽车领域最为领先的企业之一，自主掌握氢燃料电池关键零部件及关键材料等核心技术，拥有电堆、高压储氢装置等多类氢燃料电池相关专利余项。截止年上半年，丰田“MIRAI”在全球销量已超过辆，主要市场为欧美国家；本田是全球最早开始研发燃料电池汽车的车企之一，其最新燃料电池汽车“CLARITY”作为已实现商业应用的车型之一，达到全球领先水平。相较于丰田和现代，本田的燃料电池汽车的市场应用较小，年销量为辆，仅为年销量的50%；现代也是较早进行燃料电池汽车研发的车企之一，坚持自主研发燃料电池系统的核心技术，其研发与应用受到韩国政府的大力支持，其第二代燃料电池车辆“NEXO”年的销量近辆，超过了丰田“MIRAI”年度的销量，其主要应用为国内市场。
我们先来看看这日本、韩国量产的燃料电池乘用车到底长什么样吧，如图2所示分别是丰田“MIRAI”、本田“CLARITY”、现代“NEXO”，从外形来看，燃料电池乘用车和其他乘用车并没有很大的区别。
图2燃料电池汽车车型（“MIRAI”左上，“CLARITY”右上，“NEXO”下）
下面我们将深入探索燃料电池汽车“与众不同”！
燃料电池汽车布置方案
燃料电池汽车指由电动机驱动，由燃料电池提供部分或全部电能的新能源汽车，关键零部件包括电机系统、燃料电池系统、储氢系统、动力蓄电池、电池管理系统（BMS）等[]，其中燃料电池和动力电池是车辆的能量来源，相当于燃油车中的发动机，部分燃料电池汽车仅由燃料电池作为能量源，大部分还是以燃料电池和动力电池组合作为能量源。燃料电池内部，来自储氢系统的“纯情少女”氢气与“野生”空气相遇，“看对眼”后“来电”了（通过电化学反应生电），产生的电能与动力电池的电能，一起为电机供电，实现整车驱动。
储氢系统和动力系统（燃料电池系统+动力电池系统）是燃料电池汽车最特殊的两个部件，因此动力系统和储氢系统布置方式，也就是燃料电池汽车“与众不同”的地方，图3展示了4种燃料电池汽车总布置方案[]。其中，方案1-2为采用的是燃料电池作为唯一的能量源，这两种方案时整车的动力性、耐久性等性能较差，且无法实现制动能量回收功能，实际应用较少。
图3燃料电池汽车动力构型方案
重点介绍一下方案3和方案4，这两种方案采用燃料电池和动力电池组合的供能模式，方案3中DC/DC调节动力电池电压，燃料电池的寿命较短，方案4中DC/DC调节燃料电池的电压，在满足整车动力性强、启动速度快的条件下，可以实现制动能量的回收，还能保持燃料电池的使用寿命。燃料电池商业化需求条件下，方案4除了满足功率需求以及使用寿命，还能降低整车的成本该方案，是较优的布置方案。
为满足车辆动力性和操作性，车辆离地间隙很小，燃料电池动力系统中，燃料电池堆如果布置在中央地板下方，整车的通过性会受到较大的影响，同时，该种燃料电池堆的布置方式，地板会上移从而减少了乘客舱的空间，降低乘客的乘坐舒适性。因此，燃料电池堆一般布置在引擎盖下方，即与传统汽车发动机布置方式一样[]。
车载储氢主要采用高压气态储氢瓶，包括70MPa的Ⅲ或IV型瓶。考虑用氢安全问题，储氢装置应该与乘客舱隔离，因此已有的燃料电池车型普遍采用将储氢瓶布置于后备舱的方式，其次储氢瓶的大小和形状既要保证足够的车辆内部空间，也要满足一定的储氢容量。
三款燃料电池汽车布置方式对比
为了更好的了解楚燃料电池汽车的布置方式，详细看看丰田“MIRAI”、本田“CLARITY”、现代“NEXO”三款燃料电池汽车动力系统布置，如表2所示（含部分关键参数）。
表2三款燃料电池汽车信息对比表[]
从动力系统布置、燃料电池堆结构介绍这三款车型：
1.动力系统的布置方式。三款车型均采用燃料电池和动力电池组合的方式作为能量源。丰田第一代“MIRAI”驱动电机和动力控制单元位于发动机舱内，燃料电池系统扁平地布置在车辆底盘，两个储氢瓶分别位于后排座椅和行李舱(靠近后轴)下方，而动力电池组则位于汽车后轴上方；本田“CLARITY”高度集成化的燃料电池系统被布置于发动机舱，动力电池布置在车辆底盘，两个大小储氢瓶的布置方式与丰田“MIRAI”布置方式相似；现代“NEXO”的燃料电池系统将发动机、驱动系统集成在一起，布置于发动机舱，动力电池布置方式与“MIRAI”相似，在后轴上方，不同于日系的两款车型，“NEXO”有三个相同的储氢瓶，布置水平后座、行李舱下方，三个体积中等的储氢瓶不仅使车辆的储氢能力增加，且便于整体车辆布置，增加了行李舱的容量。
2.燃料电池堆结构。如图4所示是“MIRAI”、“CLARITY”、“NEXO”的燃料电池堆或集成系统，三款车型的总体布置不同，其燃料电池堆的结构也不同。丰田的燃料电池堆没有与发动机、驱动系统等集成在一起，而是采用扁平化的方式布置于底盘下方，因此整体结构比其他两款车型简单，而“CLARITY”、“NEXO”采用高度集成化的方式，电堆、驱动系统和发动机被集成为燃料电池系统，置于发动机舱，整体外形与传统燃油车相类似。
图4燃料电池堆或系统（“MIRAI”上，“CLARITY”右下，“NEXO”左下）
为把握最新的燃料电池汽车的特点，除了对已量产的这三款车辆的对比，我们对布置方式与上述三款车型有较大的差异的新一代“MIRAI”也进行简要介绍，新一代“MIRAI”基于雷克萨斯LS平台打造，其动力系统布置如图5所示，储氢瓶是垂直布置于底盘位置，且纵向布置的氢瓶代替了于雷克萨斯LS平台传动轴，新采用的高度集成的燃料电池系统被置于发动机舱内，动力电池的布置方式没有较大改变，放置于后轴上方，而电机则布置在后轴附近。
图5新一代“MIRAI”动力系统布置
通过上述介绍，可以看出，燃料电池汽车动力系统主要采用燃料电池与动力电池组合的供能方式，燃料电池系统已高度集成化布置于发动机舱为趋势，乘用车主要采用2~3个储氢瓶的布置方式在保证储氢量的前提下，便于布置以及保留一定的行李舱空间。燃料电池堆从结构上以与驱动电机、发动机等高度集成化为趋势。
嘉定智能低碳汽车科普生态建设方案，上海市科委科普项目资助（项目编号:20DZ）
转载请注明：http://www.0431gb208.com/sjsbszl/5100.html
