氫燃料與純電動(dòng)汽車平臺模塊化研究

胡宏喜　閆志超　王金橋

摘 要：氫能源作為未來社會能源的有效解決方案在目前研究領(lǐng)域占據(jù)及其重要的位置。氫燃料電池汽車作為汽車電動(dòng)化、低碳化的研究方向，對于改善未來能源結(jié)構(gòu)，發(fā)展低碳交通意義深遠(yuǎn)[1]。平臺模塊化技術(shù)有利于系列產(chǎn)品的開發(fā)，提高產(chǎn)品性能。本文就基于純鋁架構(gòu)車身開發(fā)純電動(dòng)汽車與氫燃料電池汽車通用化平臺開發(fā)進(jìn)行可行性分析。

關(guān)鍵詞：氫能源 低碳化 平臺模塊化 電動(dòng)汽車

Research on Modularization of Hydrogen Fuel and Pure Electric Vehicle Platform

Hu Hongxi Yan Zhichao Wang Jinqiao

Abstract：Hydrogen energy as an effective solution of future social energy has always occupied an important position in the current research field. As the research direction of EV electrification and low carbonization， hydrogen fuel cell vehicle has far-reaching significance for improving the future energy structure and developing low-carbon transportation. At present， most pure electric vehicles are developed on the platform of traditional fuel vehicles. The modular technology of the platform is conducive to the development of a series of products and the improvement of product performance. This paper analyzes the feasibility of developing a universal platform for pure electric vehicle and hydrogen fuel cell vehicle based on pure aluminum body.

Key words：hydrogen energy， low carbon， platform modularization， electric vehicle

1 前言

氫燃料電池在20世紀(jì)60年代已經(jīng)成功應(yīng)用于航天領(lǐng)域[2]，并取得了巨大的成功。隨著人們不斷地掌握多種先進(jìn)的制氫技術(shù)，很快，氫燃料電池就被運(yùn)用于發(fā)電和汽車。氫燃料電池汽車零排放，且一次加氫續(xù)駛里程長，加氫時(shí)間短，相當(dāng)于汽油車，一直以來被作為新能源汽車技術(shù)路線之一。和普通的化學(xué)電池相比，氫燃料電池補(bǔ)充燃料的時(shí)間大致是3～5min，不像電動(dòng)汽車需要幾個(gè)小時(shí)，哪怕最快也需要半個(gè)小時(shí)以上，且氫燃料電池的能源轉(zhuǎn)化率比汽油車高出一倍之多，達(dá)到70%，其燃燒產(chǎn)物是為純水，從理論上來看，氫燃料電池非常適合應(yīng)用于新能源汽車。因此，基于純鋁車身開發(fā)純電動(dòng)汽車與氫燃料汽車的通用化平臺是極具發(fā)展前景的，氫燃料汽車與純電動(dòng)汽車平臺化是未來汽車發(fā)展的必然趨勢。

2 純電動(dòng)車型平臺化發(fā)展歷程

純電動(dòng)汽車平臺基于傳統(tǒng)燃油車的平臺進(jìn)行開發(fā)，以傳統(tǒng)燃油車平臺為基礎(chǔ)，根據(jù)新的需求局部改造。“油改電”這種做法雖然節(jié)省了成本，但隨之也會帶來諸多限制，如續(xù)航里程受限、汽車動(dòng)力性、內(nèi)部空間以及舒適性受限。其中最令駕乘者擔(dān)憂的是“油改電”汽車往往存在底盤不穩(wěn)定的問題，電池安全性也存在極大地隱患。目前，國內(nèi)外不少車企已經(jīng)建立了純電動(dòng)汽車的專用平臺，而氫燃料汽車產(chǎn)品則處于起步階段，開發(fā)出純電動(dòng)汽車平臺與氫燃料汽車的通用化平臺將大大減小生產(chǎn)成本，提高開發(fā)效率，可避免目前由油改電所存在的問題。因此，研究出純電動(dòng)汽車平臺和氫燃料汽車平臺的通用化平臺是十分必要的。

特斯拉早在2008年就推出了首款純電動(dòng)汽車Tesla Roadster，2012年特斯拉發(fā)布Model S，這是市場上第一款豪華電動(dòng)汽車;通用2016年推出的純電動(dòng)車BOLT是基于Gamma G2SC平臺;大眾一直致力于旗下汽車的平臺化建設(shè)，已經(jīng)建立的汽車平臺包括NSF、MQB、MLB、MSB以及MEB;沃爾沃已經(jīng)推出了SPA（擴(kuò)展性產(chǎn)品架構(gòu)）和CMA（緊湊級模塊化架構(gòu)）兩大平臺，目前沃爾沃正在打造全新的電動(dòng)車平臺MEB。

總之，改造平臺只是過渡產(chǎn)品，打造電動(dòng)汽車專屬平臺才是未來主流趨勢。而基于純鋁車身開發(fā)兼容純電動(dòng)汽車以及氫燃料汽車的通用化平臺勢在必行。

3 氫燃料與純電動(dòng)汽車主要技術(shù)差異

3.1 純電動(dòng)汽車采用單一蓄電池作為儲能動(dòng)力源，通過電池向電機(jī)提供電能，驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行，從而驅(qū)使汽車前進(jìn)。其最大的優(yōu)勢在于無污染、噪音小、對環(huán)境保護(hù)極其有益。此外，純電動(dòng)汽車較內(nèi)燃機(jī)汽車結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)轉(zhuǎn)、傳動(dòng)部件少，維修與保養(yǎng)量少。氫燃料汽車則是采用燃料電池驅(qū)動(dòng)，燃料電池是利用氫氣與空氣中的氧氣在催化劑的作用下，在燃料電池中經(jīng)過電化學(xué)反應(yīng)將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，電化學(xué)反應(yīng)采用的還原劑一般為氫氣，氧化劑則采用氧氣。純電動(dòng)汽車完全充電時(shí)間至少需要7-8小時(shí)，氫燃料電池車加氫時(shí)間只需3.5分鐘左右，而且氫燃料汽車在一次加氫后的續(xù)航里程遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于純電動(dòng)汽車。

3.2 純電動(dòng)汽車的動(dòng)力來源為動(dòng)力電池，通過充電的方式給動(dòng)力電池蓄電，由動(dòng)力電池向電機(jī)控制器供電，再由電機(jī)控制器控制電機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)車輛運(yùn)行;而氫燃料電池則經(jīng)過氫氣與氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能，繼而向電機(jī)控制器供電，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)，電力來源方面有著本質(zhì)差異。氫燃料汽車中的電池與純電動(dòng)汽車中的動(dòng)力電池容量也有巨大的差異，氫燃料汽車中的電池只用來向低壓電器供電及氫燃料電池前期啟動(dòng)前的整車需求，而純電動(dòng)汽車的電池則屬于高壓系統(tǒng)，向驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)供電。

4 氫燃料與純電動(dòng)汽車結(jié)構(gòu)差異

目前，市場上已出現(xiàn)多款氫能源汽車。以豐田Mirai為例，其結(jié)構(gòu)組成如圖3所示，其主要組成有動(dòng)力控制單元、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、燃料電池堆棧、高壓儲氫罐、燃料電池升壓器、動(dòng)力電池、高壓儲氫罐等。又如本田FC-CLARITY，其主要組成有動(dòng)力控制單元、驅(qū)動(dòng)散熱器、燃料電池散熱器、空氣泵、燃料電池堆棧、鋰電子電池、燃料電池冷卻泵、氫氣罐、超級電容器、高壓氫氣罐等。

根據(jù)目前現(xiàn)有的布置形式，分析得出氫燃料電池汽車與純電動(dòng)汽車的結(jié)構(gòu)差異主要是在前艙結(jié)構(gòu)和下部車身區(qū)域（電池、DCDC、高壓儲氫罐）的差異。

5 氫燃料汽車平臺模塊化

5.1 根據(jù)模塊化劃分，氫燃料汽車和純電動(dòng)汽車的主要差異模塊主要在：前艙模塊、電池模塊、后排人機(jī)模塊、后驅(qū)動(dòng)模塊。

純電動(dòng)汽車前艙主要有驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)，而氫燃料汽車前艙需要布置動(dòng)力控制單元、空氣泵等特有零部件，所以其前艙結(jié)構(gòu)與純電動(dòng)汽車不同。

純電動(dòng)汽車的電池模塊主要布置動(dòng)力電池，而氫燃料汽車電池模塊主要布置燃料電池堆棧，鋰電子電池、氫氣罐，其主要差異點(diǎn)在于Z向高度的差異。純電動(dòng)汽車電池的Z向高度在150mm～250mm之間，而氫氣瓶的Z向高度在300mm～400mm之間，長800mm～850mm這導(dǎo)致氫燃料汽車在布置后排人機(jī)的時(shí)候，需要將后排Z向整體提高，這導(dǎo)致整個(gè)電池模塊及后驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的布局結(jié)構(gòu)存在差異。

5.1.1 前艙模塊平臺化技術(shù)路徑

純電動(dòng)汽車模塊構(gòu)成：增程器、電驅(qū)系統(tǒng)、蓄電池、空濾、各種液罐、電器盒、真空助力器、ABS/ESP、MCU、DCDC、充電機(jī)、前縱梁、高壓接線盒、水泵、電動(dòng)壓縮機(jī)、電子真空泵等。

氫燃料汽車模塊構(gòu)成：空氣泵、氫氣泵、電堆、空濾、各種液罐、真空助力器、ABS/ESC、前縱梁、電子真空泵、電動(dòng)壓縮機(jī)等。

平臺化方案：針對前艙結(jié)構(gòu)差異，同步規(guī)劃兩種車型前艙模塊結(jié)構(gòu)，不改變車身縱梁安裝點(diǎn)，可整體切換氫燃料汽車與純電動(dòng)汽車前艙模塊。

5.1.2 電池模塊平臺化技術(shù)路徑

純電動(dòng)汽車模塊構(gòu)成：電池、高壓線。

氫燃料汽車模塊構(gòu)成：燃料電池、DCDC、氫氣瓶。

平臺化方案：將氫燃料電池、電器控制器、氫氣瓶統(tǒng)一布置在車輛地板下方，新增支架固定，將控制器、電池固定于車身，共用車身安裝點(diǎn)。

5.1.3 后排人機(jī)模塊平臺化技術(shù)路徑

純電動(dòng)汽車模塊構(gòu)成：后排座椅、中底板、后排人體等。

氫燃料汽車模塊構(gòu)成：后排座椅、中底板、后排人體等。

平臺化方案：

②距的調(diào)整：通過調(diào)整門檻及中地板長度實(shí)現(xiàn)。

②后排人體布置的調(diào)整：H點(diǎn)調(diào)整（高、低坐姿），靠背和坐墊隨人體調(diào)整。因氫氣瓶體積較大，在考慮通用化平臺時(shí)需將中底板在純電動(dòng)汽車的基礎(chǔ)上隨車型需求進(jìn)行互換及調(diào)整，后排座椅、后排人體抬高一起調(diào)整，

5.1.4 后驅(qū)動(dòng)模塊平臺化技術(shù)路徑

純電動(dòng)汽車模塊構(gòu)成：三合一驅(qū)動(dòng)電機(jī)、充電機(jī)、驅(qū)動(dòng)軸、后消音器、高壓接線盒等。

氫燃料汽車模塊構(gòu)成：三合一驅(qū)動(dòng)電機(jī)、充電機(jī)、驅(qū)動(dòng)軸、后消音器、高壓接線盒、氫氣瓶等。

平臺化方案：三合一驅(qū)動(dòng)、充電機(jī)、驅(qū)動(dòng)軸、高壓接線盒等布置位置可共用，氫氣瓶布置于車身尾部，新開發(fā)氫氣瓶支架固定于車身后底板及后副車架，車身后底板差異開發(fā)。

6 結(jié)束語

根據(jù)氫燃料汽車的特點(diǎn)，結(jié)合純電動(dòng)汽車平臺化開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，統(tǒng)一規(guī)劃氫燃料汽車、純電動(dòng)汽車平臺模塊化。氫燃料與純電動(dòng)汽車的通用化平臺將極大的減小開發(fā)成本，避免“油改電”模式的帶來的弊端，其平臺壽命及擴(kuò)展性都較純電動(dòng)汽車平臺有所提高。平臺化模塊化方案能衍生的產(chǎn)品更加豐富且開發(fā)成本也明顯降低。目前，影響氫燃料電池汽車的發(fā)展障礙主要集中在：1、氫燃料的儲運(yùn)2、金屬鉑的稀缺3、加氫站的數(shù)量稀少。在未來以分布式為主、零排放為特征的能源主體架構(gòu)中，氫燃料電池汽車會與純電動(dòng)汽車長期并存、互補(bǔ)，共同滿足交通運(yùn)輸和人們出行的需要。隨著基礎(chǔ)設(shè)施逐漸完善，以及技術(shù)不斷提升，具備高效率、低污染和長續(xù)航等優(yōu)勢的氫燃料電池汽車將得到快速發(fā)展，并最終成為新能源汽車產(chǎn)業(yè)不可或缺的一部分。

參考文獻(xiàn)：

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