一種氫燃料底盤環衛車及其控制方法

陳鳳廣

摘 要：氫被視為“21世紀的終極能源”、未來的能源貨幣，全球主要發達國家如日本、美國、德國等均已開始積極部署發展氫能源及有關氫能源汽車產業。氫燃料電池汽車行業的發展在我國受到高度重視，2019年3月氫能第一次出現在《政府工作報告》。環衛車具有環保、美觀和減少二次污染等優點，為相關環衛系統部門所使用。地球需要低碳環保，氫燃料底盤環衛車的應用不僅能夠美化我們居住的環境，而且能夠節約資源，符合可持續發展的戰略思想。

關鍵詞：氫燃料;環衛車;能源;電池;電動車

0 引言

近年來，我國在氫燃料電池的研究開發特別是在質子交換膜燃料電池方面，接近世界水平，但在總體上，我國燃料電池仍處于科研階段，與國外相比，水平較低。環衛車除了美觀，給市容市貌增添風采外，還降低勞動強度、節約勞動成本、提高工作效率，另外也實現了政府大力倡導的低碳環保口號。因此，研發并應用氫燃料底盤環衛車具有十分重要的意義。

1 氫燃料電池工作原理

干電池、蓄電池是一種儲能裝置，是把電能貯存起來，需要時再釋放出來;而氫燃料電池嚴格地說是一種發電裝置，像發電廠一樣，是把化學能直接轉化為電能的電化學發電裝置。氫燃料電池車的工作原理是：將氫氣送到燃料電池的陽極板（負極），經過催化劑（鉑）的作用，氫原子中的一個電子被分離出來，失去電子的氫離子（質子）穿過質子交換膜，到達燃料電池陰極板（正極），而電子是不能通過質子交換膜的，這個電子，只能經外部電路，到達燃料電池陰極板，從而在外電路中產生電流。電子到達陰極板后，與氧原子和氫離子重新結合為水。由于供應給陰極板的氧，可以從空氣中獲得，因此只要不斷地給陽極板供應氫，給陰極板供應空氣，并及時把水蒸氣帶走，就可以不斷地提供電能。

2 氫燃料電池的優勢

2.1 無污染

氫燃料電池對環境無污染。它是通過電化學反應，而不是采用燃燒（汽、柴油）或儲能（蓄電池）方式--最典型的傳統后備電源方案。燃燒會釋放像一氧化碳、二氧化硫氣體和粉塵等污染物。如上所述，氫燃料電池只會產生水和熱。氫如果是通過可再生能源產生的（光伏電池板、風能發電等），整個循環就是徹底的不產生有害物質排放的過程。

2.2 無噪聲

氫燃料電池在運行方面產生的噪音很少，噪聲大約只有55dB，實際上等同于人們日常談話的標準。這個優勢非常有利于氫燃料電池的室內安裝，室外對噪聲有限制的地方安裝氫燃料電池也沒有問題。

2.3 高效率

氫燃料電池的發電效率可以達到50%以上，這是由氫燃料電池的轉換性質決定的，直接將化學能轉換為電能，不需要經過熱能和機械能（發電機）的中間變換。

3 氫燃料電池及相關產業的缺點

（1）當下能夠實現規模化制氫的方式有兩種，一種是工業電解水，另一種是化石燃料反應，不論哪種方法，與純電動車型直接充電相比，成本都要高出不少。而諸如生物質制氫、高溫分解、光催化劑、伴生氫等方式，或成本過高，或受制于環境因素，皆具有局限性，目前還不適合大規模工業生產。

（2）產業起步晚，關鍵材料基礎薄弱。在高活性催化劑、高強度高質子電導率復合膜、碳紙、低鉑電極、高功率密度雙極板等方面的技術水平目前已達到甚至超越了一些其他國家的產品，但大多只是止步于實驗室的研發階段，到目前為止未形成批量生產。

（3）資源不足、產業分散。氫燃料電池產業布局較少，產業過度分散。氫燃料電池技術與現有的鋰電池技術相比，普及程度還遠遠不夠;氫氣的運輸、儲存，加氫站的大規模鋪設等與建設充電樁相比投入巨大。

（4）產業政策不完善，供應鏈缺少安全保障。在一些工業副產品中，對氫提取回收的技術水平低，利用率低，綜合成本高、技術有待進步;儲氫環節，儲氫的密度、安全性、成本難以同時滿足，實現商業化大規模應用為時尚早;用氫環節，我國大型氫燃料電堆尚處于起步水平，燃料電池汽車有較深厚的技術積累但核心技術尚不成熟。

（5）體系不健全是制約產業發展主要因素。當前盡管我國氫燃料電池產業的體系已經初具規模，但還不能滿足當下企業飛速發展的需要，例如，企業中的氫設備落后，氫能源的加工、儲運等環節管理不完善，產業鏈的發展和相關氫能源產品的市場推廣不順暢。

4 環衛車

環衛車的制造意義就是為了能夠更方便地進行對城市市容的改造，可以說環衛車的出現有效地保證了城市的生態化建設，對城市的環境狀況維持有著非常重要的意義。隨著國家經濟實力的不斷提高，各種行業的快速發展嚴重破壞了國家的環境狀況，國家越來越重視城市的環境問題，在這樣的社會現狀下，環衛車的需求量和使用量大大增加，但是傳統的環衛車數量的大幅度增加仍然會對環境產生不良影響，所以，純電動環衛車就是目前環衛行業發展的方向，也是國家非常重視的一個新型產業。

但是當前純電動環衛車有如下缺點：

（1）受電池技術制約，續航里程過短，導致工作時間短。

（2）充電時間久，充電樁稀缺，為使用帶來了不便。

（3）充電時間過于集中，大批純電汽車進入電網，將對現有電網帶來不小壓力。

（4）電池到使用年限后，難于處理。

氫燃料底盤的環衛車是基于氫燃料電池為動力系統的底盤開發而成的環衛車，鑒于純電動車以上缺點，氫燃料電池車仍然被認為是解決新能源汽車技術難點的終端替代方式，這種環衛車集多功能于一體，解決了目前針對不同的路況，解決了環衛車輛工作效率低的問題。

因此，當前氫燃料底盤環衛車將成為環衛用車市場發展的中流砥柱，原因如下：

一是在能源供應和環境保護的壓力下，發展氫燃料底盤環衛車已被列入國家戰略。環衛系統作為公共服務領域的一部分，氫燃料底盤環衛車示范推廣城市政府也將購買使用氫燃料環衛車作為氫燃料底盤環衛車推廣應用工作計劃的一部分。

二是從環衛領域推廣應用的情況看，因為環衛車具有作業行駛速度慢、行駛路線固定、行駛路程短、作業時間固定等工作特性。此外，氫燃料底盤環衛車具有成熟、充能時間短、零排放、噪聲小等優點，可大幅降低大氣污染物含量，減少作業時的擾民問題。

三是城市化帶來市容環衛車輛巨大需求，氫燃料底盤環衛車成為趨勢。隨著我國對于環境治理的程度的不斷增加，我國環境得到有效改善，城市生態也得到相應的改善，近年來國家對于城市環境治理力度不斷加強，城市環境治理投資金額不斷增長，城市市容環境衛生固定資產投資額總體呈上升趨勢。其中，城市市容環境衛生車輛設備數量也呈現逐年增長趨勢，尤其是對氫燃料底盤環衛車的需求權重隨之加大。

氫燃料環衛車型的到來，不需充電，續航里程長，免去了電動車充電時間長、影響運營效率的煩惱;不消耗化石能源，節能環保;不受限行、禁行等因素影響;運行過程在為城市環衛工作做貢獻之時，沒有污染物排放，環境友好型動力，真正實現“零排放”目標。此前，我公司曾推出過一款氫燃料電池環衛車，該車是在上汽FKC500-42D12氫燃料電池底盤上改裝而成，底盤最大總質量12000kg，軸距4170mm，電堆功率60kW，有效儲氫量15.7kg，整車電量230kWh，驅動電機為南京博越TZ342XS-YBM211，額定功率為105kW，峰值功率180kW，具備全天候適應性，在-35℃環境下浸車8h后，啟動時間≤3min。氫燃料是清潔能源，應該是國家大力發展的健康產業，目前上汽已與我公司簽署合作協議，將在燃料電池汽車產品上開展合作。目前產品主要針對2022年冬奧會，由于河北張家口地區冬季溫度較低，對我公司純電動環衛車的電量影響較大，使得我公司的純電動底盤環衛車不能滿足該地區的作業要求，為完成2022年冬奧會張家口賽區環衛保潔保障任務，并結合國家對環保方面的要求，市場對新型能源汽車的需求量也將逐年增加，受政策鼓勵，越來越多車企試圖抓住機遇，占領氫燃料環衛車研發高地。

5 氫燃料底盤環衛車的控制方法

此環衛車是基于氫燃料電池底盤的洗掃車，此洗掃車的控制原理及方法如下：

（1）上裝控制器：通過CAN網絡，連接顯示屏、副機、語音喇叭;接收控制指令，處理整車的邏輯動作。

（2）上裝顯示屏：通過CAN網絡連接控制器;發送控制指令，并顯示設備執行情況。

（3）副機：通過CAN網絡連接控制器;上裝的動力系統，接收控制發送的轉速信號，并將實際轉速、水溫等信號反饋給控制器。

（4）語音喇叭：通過CAN網絡連接控制器;接收控制器發送的信號，播報大箱升降、后門開關、清水缺、污水滿等語音。

6 氫燃料底盤環衛車的工作模式

此車共有十種工作模式：全洗掃、左洗掃、右洗掃、全掃、左掃、右掃、全洗、左洗、右洗、中洗;集十種模式于一體的多功能洗掃車。此十種工作模式均基于上述上裝控制器、上裝顯示屏、副機等設備。

（1）全洗掃：顯示屏操作全洗掃模式，吸口、左右掃刷、左右噴桿、吸口噴、副機等執行相應動作。顯示屏上操作動作停止，相應設備復位。

（2）左洗掃：顯示屏操作左洗掃模式，吸口、左掃刷、左噴桿、吸口噴、副機等執行相應動作。顯示屏上操作動作停止，相應設備復位。

（3）右洗掃：顯示屏操作左洗掃模式，吸口、右掃刷、右噴桿、吸口噴、副機等執行相應動作。顯示屏上操作動作停止，相應設備復位。

（4）全掃：顯示屏操作全掃模式，吸口、左右掃刷、副機等執行相應動作。顯示屏上操作動作停止，相應設備復位。

（5）左掃：顯示屏操作左掃模式，吸口、左掃刷、副機等執行相應動作。顯示屏上操作動作停止，相應設備復位。

（6）右掃：顯示屏操作右掃模式，吸口、右掃刷、副機等執行相應動作。顯示屏上操作動作停止，相應設備復位。

（7）全洗：顯示屏操作全洗模式，吸口、左右噴桿、吸口噴、副機等執行相應動作。顯示屏上操作動作停止，相應設備復位。

（8）左洗：顯示屏操作左洗模式，吸口、左噴桿、吸口噴、副機等執行相應動作。顯示屏上操作動作停止，相應設備復位。

（9）右洗：顯示屏操作右洗模式，吸口、右噴桿、吸口噴、副機等執行相應動作。顯示屏上操作動作停止，相應設備復位。

（10）中洗：顯示屏操作中洗模式，吸口、吸口噴、副機等執行相應動作。顯示屏上操作動作停止，相應設備復位。

洗掃車工作時，噴桿噴出高壓水，掃刷配合掃路，工作過程中，產生的臟水與雜物，由本車的吸口吸入污水箱，當清水箱缺水或污水箱污水滿時（清水箱缺水，無法進行洗掃工作;污水箱污水滿，產生的污水與雜物無法再收集;以上兩種情況，均無法繼續工作。），上裝控制器收到清水箱缺水或污水箱水滿的信號，自動復位當前的工作狀態，并播報清水缺或者污水滿語音報警，上裝顯示屏顯示相應報警，避免了司機因清水缺或污水滿繼續工作，無法達到洗掃效果。

7 推進我國氫燃料環衛車發展的幾點建議

眾所周知，氫燃料電池汽車的燃料是氫氣，排放物是水，排放的水可以直接飲用，其環保性可見一斑，而水又能通過電解方式產生氫氣，再供氫燃料電池汽車行駛。所以，在技術上氫燃料環衛車是完全可以實現的。

（1）加強研發投入，突破共性關鍵技術。一是要提高電堆的工作電流密度，提高電堆的體積和重量比功率，降低電堆的成本;二是研究電堆的衰減機理，開發抗腐蝕、穩定的新材料，提高發電機的可靠性和耐久性。

（2）加強政府組織引導，優化行業管理服務。優化氫能源汽車行業管理服務，完善氫燃料汽車產業的管理體系，優化氫能源汽車行業的服務體系，引導氫能源汽車行業健康有序發展。

（3）整合優勢資源，規范產業布局。優先聚焦資源及經濟基礎條件相對較好地區的相關企業，集中攻關氫能燃料汽車行業鏈的關鍵環節，大力發展產業集群，避免重復建設。

（4）加快行業標準建設，提高行業發展水平。一是理清標準體系框架，明確相關標準術語、整車安全、技術條件、試驗方法、加氫系統等細分領域的標準體系。二是借鑒國外氫燃料電池產業發達國家的已建立的相關標準體系，結合中國國情與氫燃料電池產業的發展狀況，對目前已有的氫燃料電池產業相關標準進行修改與完善。

8 結束語

綜上所述，氫燃料產業正快速發展，國家層面高度重視產業發展，政策支持力度逐漸加大，地方政府也在加快布局，以搶占氫燃料電池汽車戰略性新興產業發展的機遇。氫燃料作為清潔能源，是未來發展趨勢。我們將持續專注氫燃料電池技術創新，爭取在城市清潔中發展氫燃料環衛車，推動中國氫能健康發展。

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