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