智能燃料電池—插電式混合動力系統

C.MOHRDIECK S.DEHN

Daimler公司搭載新款Mercedes-Benz GLC F-Cell型燃料電池的新一代燃料電池汽車將投放市場。由于采用了全新的部件和配置，該車型比原車型更為高效和緊湊。同時，插電式混合動力技術、鋰離子電池和精確的行駛程序有助于鞏固其新能源汽車的市場地位。

燃料電池;插電式混合動力;鋰離子電池

0?前言

燃料電池技術是Daimler公司在汽車動力總成系統領域的核心產業。燃料電池汽車具有以下優勢：補充燃料時間短，應用領域廣，同時具有較長的行駛里程。公司旗下Mercedes-Benz F-Cell型燃料電池B級汽車和Citaro型燃料電池-混合動力城市客車等車型的累計行駛里程已超過1.2×10?7 km。

目前， Daimler公司與其全球合作伙伴、德國的NuCellSys 公司和加拿大溫哥華的某家汽車燃料電池公司已合作開發出1款結構緊湊的新型燃料電池裝置。該款燃料電池裝置相比其他同類產品結構更為緊湊，并且能整體布置于發動機艙內。同時，由于燃料電池堆中的Pt含量減少了90%，從而顯著降低了成本。

此外，GLC F-Cell車型在全球范圍內首開先河，配裝了鋰離子電池作為輔助電源。通過這一技術調整，可同時由2個電源為驅動電機供電，并有效滿足了零排放的技術要求。較長的行駛里程、較短的加油時間、147 kW的輸出功率和最新一代的輔助系統，使得GLC F-Cell燃料電池汽車逐漸成為適于全天侯使用的家用電動車。

1?新型Mercedes-Benz GLC F-Cell燃料電池裝置

與F-Cell燃料電池汽車中的傳統燃料電池系統相比，這款新型燃料電池裝置體積尺寸減小了約30%，適合于安裝在無多層地板的普通發動機艙內（圖1），并且還進一步提高了氫能轉換成電能的效率。作為燃料電池裝置中最重要的部件，燃料電池堆近年來已在質量、體積和Pt含量等方面取得了明顯的技術進步，同時也改善了空氣供應方式。該款燃料電池同時采用了配裝有排氣渦輪的電動渦輪增壓器，其特點是比傳統燃料電池系統中使用的螺旋式壓縮機更緊湊，效率更高，并且具有更優異的噪聲-振動-平順性（NVH）。

燃料電池裝置由燃料電池堆和外部的殼體組成，外部殼體同時可用于裝配輔助部件。空氣濾清器布設于燃料電池裝置的上方，可將吸入的空氣進一步導入渦輪壓氣機。空氣被壓縮后流經充電冷卻器，最后通過被動加濕系統抽走燃料電池排氣中的濕氣。濕氣中的部分氧與氫發生反應并產生電能，剩余的燃料電池排氣與反應生成的水積聚在一起后又流經加濕系統和充電冷卻器的冷側，然后排氣流經渦輪增壓器的排氣渦輪，以實現能量回收，從而減少電機消耗的電功率。Mercedes-Benz GLC F-Cell燃料電池裝置如圖2所示。

整個氫再循環系統被集成在燃料電池堆殼體介質的進口側和出口側。氫再循環系統配裝了1個噴射泵系統。與傳統燃料電池系統相比，該系統無需采用主動式的再循環鼓風機，以此改善了系統總效率，并且降低了對燃料電池功率的要求[1]。在電能方面，采用直流/直流變壓器可使燃料電池不斷變化的電壓充分適應車輛的高電壓回路。與內燃機相似，燃料電池裝置中也配備了冷卻劑輸送泵和節溫器，用于冷卻循環回路的離子交換器則布設于燃料電池裝置的上方，以此具有更好的可達性。表1列出了Mercedes-Benz GLC F-Cell燃料電池裝置的技術參數。

研究人員主要的開發目標之一是使燃料電池裝置的體積減小30%，以便使整個裝置可安裝在傳統的發動機艙內。研究人員通過優化設計可將燃料電池堆和其他輔助部件合理配裝在預設的空間內，但由此會縮短管道和導線長度，使裝置結構型式更為緊湊，其他子系統也須實現高度集成。而在傳統燃料電池系統中，燃料電池堆往往布設于車輛的多層地板上，而空氣供應單元則被安裝在車輛前部。

提升裝置功率密度的關鍵在于燃料電池堆。為對該領域進行技術優化，須減小質子阻力。研究人員可通過采用更薄的高分子聚合物電解質薄膜并改善薄膜的化學成分而實現。進一步的優化效果則通過改善雙極板的形狀和優化燃料電池運行條件而實現。

通過上述措施，燃料電池堆的功率密度能得以有效改善。除了裝置的體積尺寸更為輕小之外，在質量方面也有所改善，比傳統燃料電池系統減重約25%。

Mercedes-Benz GLC F-Cell車型采用的燃料電池裝置的主要創新點是采用了整體式承載結構，由此可將數種功能集于一體。燃料電池堆的殼體可在車輛發生交通事故時，減緩外部沖擊，從而避免電池損壞。此外，這種承載結構裝備了2個支承臂，連接到車輛電機的機座旁。研究人員將電池布設于該承載結構的中后部，借助于介質分配器板而封閉開口側（圖3）。上述部件的功能是確保燃料電池堆順利輸入和輸出空氣、氫和冷卻劑，而且使整個氫再循環回路完全集成在介質分配器中，空氣壓縮機等所有其他部件都能緊湊地布置于整體式承載結構中。

除了對燃料電池堆進行改良之外，在Mercedes-Benz GLC F-Cell車型所采用的燃料電池裝置中還使用了1種全新的空氣供應單元[2]，并通過電動渦輪增壓器（圖4）替代早期使用的螺旋式壓縮機。這種空氣供應系統由離心式壓縮機、電驅動裝置和排氣渦輪組成，被集成安裝在1根公用的金屬軸上。與傳統燃料電池的空氣供應單元相比，該系統除有效減少了安裝空間，通過采用電動渦輪增壓器也相應改善了振動和噪聲[3]，并且壓縮空氣的供應效率也有所提高。該空氣供應系統不僅有著緊湊的結構型式，并且有助于提高整個裝置的功率密度，而且排氣渦輪能使空氣供應系統從燃料電池排氣中回收能量。

該空氣供應系統具有2項顯著優勢。回收的功率減少了空氣供應單元消耗的電功率，尤其在70%的工況范圍內會影響到燃料電池系統的最大功率。同時，車輛熱臨界穩態運行工況點也正處于該運行范圍內。此類運行工況點對于冷卻系統的設計可謂至關重要，因此在這些運行工況點上應盡可能降低廢熱。研究人員通過使用排氣渦輪以減輕燃料電池堆的電負荷，從而使所產生的廢熱減少約5%，并可使燃料電池系統輸出的總功率保持不變。其次，排氣渦輪可減少空氣供應單元消耗的功率，并相應減少燃料電池的安裝面積，由此不僅節省了安裝空間，并且節約了成本。通過排氣渦輪兩大優勢的補償可使燃料電池有效面積增大約15%。

與燃料電池堆和車輛高電壓系統相比，新款燃料電池裝置的直流/直流變壓器具有獨到的優勢。其可使隨加載負荷而變化的燃料電池電壓與車載電網的電壓相適應，由此可相應調整車載燃料電池的數量，在封裝和降低成本等方面具有一定優勢。該直流/直流變壓器的峰值效率可超過98%。

除此之外，燃料電池電壓與其余的車載高電壓電網也可分別改善冷起動過程。在冷起動期間，借助相應的運行策略能使燃料電池效率及燃料電池電壓得以暫時降低，從而產生大量的余熱以迅速加熱燃料電池和車廂。

2?燃料電池-插電式混合動力總成系統

先進的燃料電池裝置可作為鋰離子電池—插電式混合動力系統的補充，使得新型Mercedes-Benz GLC F-Cell轎車的試生產車型成為全球首款配備有燃料電池的混合動力汽車，該車型同時也能實現外部充電。

正如配裝內燃機的Mercedes-Benz GLC混合動力車型一樣，燃料電池汽車也具有不同的運行模式和駕駛程序（圖5）。GLC F-Cell燃料電池—插電式混合動力轎車的駕駛程序可分為3種，分別為經濟模式、舒適模式和運動模式。經濟模式下的駕駛程序可有效優化整車燃油耗;舒適模式下的駕駛程序不僅可調整舒適性，而且能對空調系統進行調節;運動模式下的駕駛程序可調整混合動力總成系統，使其具有更強的動力性能。

正如B級F-Cell車型一樣，GLC F-Cell車型攜帶的氫氣罐數量可從傳統的3個減少至2個，而且還能增加可用的氫氣總量。因此，該車型在新歐洲行駛循環（NEDC）行駛工況下的續航里程可從380 km增加到437 km。在鋰離子電池驅動模式下的續航里程則增加到49 km，并有效改善了整車行駛性能。由燃料電池裝置與鋰離子電池的動力組合所輸出的總功率比傳統燃料電池汽車增大了約40%。

與B級F-Cell車型相比，動力總成系統中標準構件所占的比例得以顯著增加，有效降低了整車成本。圖6示出了驅動部件在整車上的布置情況。

3?高壓儲氫罐

位于車輛底板上的2個碳纖維外殼的儲氫罐可貯存約4.4 kg氫氣。由于采用了基于全球標準的70 MPa儲氫罐技術，僅在3 min內就能充滿所需的氫燃料，因此在燃料補充方面不會遜色于傳統內燃機汽車。儲氫罐安裝在車橋之間的碰撞保護區內，并且通過儲氫罐周圍的輔助車架以實現保護。研究人員對可能發生的碰撞情況采取了進一步的保護措施，例如多級閥系統及用作高電壓電網保險裝置的特殊電保護開關。用于GLC F-Cell試生產車型和針對早期的氫燃料電池汽車而開展的碰撞試驗表明，最新一代燃料電池汽車不僅可有效滿足法規要求，而且相比Mercedes-Benz公司的內部技術要求能更勝一籌。

4?鋰離子電池

試生產樣車所采用的鋰離子電池容量為13.8kW·h，可用作電機的補充能源，并在初期也可通過外部插電技術進行充電。燃料電池系統與鋰離子電池系統實現有機組合的智能運行策略為車輛提供了更高的運行效率和更佳的舒適性。與驅動電機一樣，該款鋰離子電池可被安裝在SUV車型后方，并能通過7.2 kW車載充電器在家用電源或公共充電樁上進行充電，充電時間約為1.5 h。

5?驅動電機

該車型采用輸出功率約為147 kW和扭矩約為350 N·m的異步電機用于驅動車輛。因為純電驅動無需采用萬向軸，由此節省下的空間可用于布設其中1個儲氫罐，而另1個儲氫罐則布設于后座下方。

6?行駛運行模式

插電式燃料電池驅動裝置可將2種能實現零排放的車輛技術組合在一起，同時智能運行策略始終能將二者調整至其各自最佳的運行狀態，并實現合理匹配。圖7示出了可供使用的運行模式及運行特性。

在車輛以混合動力模式運行時，動力來源于2種電源設備。其中，鋰離子電池可用于滿足峰值功率的要求，而燃料電池則運行在最佳效率范圍內，通過智能運行策略，使2種能源充分發揮其各自的功效。

在車輛以燃料電池模式運行時，鋰離子電池可通過燃料電池補充電能，并確保總電量不變。這種理想的運行模式僅通過氫能即可實現，以此可充分節約鋰離子電池的電能，從而在某些特殊行駛狀況下發揮作用。

在車輛以鋰離子電池模式運行時，GLC F-Cell車型完全由高電壓鋰離子電池供電以實現純電動行駛狀態，此時燃料電池系統不工作，這對于短途行駛而言是較為理想的運行模式。

在車輛以充電模式運行時，高電壓鋰離子電池將得以優先充電，以便為車輛在山區或其他特殊路況下的行駛過程儲備能源。

綜上所述，該系統在所有的運行模式下均可實現能量回收，并將電能貯存到鋰離子電池中。

7?結論和展望

Daimler公司采用全新的燃料電池裝置是其在該領域內作出的1項重大技術調整[4-9]，特別是在功率密度和設備成本方面取得了顯著的改善效果。同時，研究人員進行了設定，由電動渦輪增壓器為燃料電池供應空氣，從而改善燃料電池的極化現象并提高功率密度，這對于減少安裝空間和裝置質量有著決定性的作用。上述技術優化使得燃料電池裝置更為輕巧和緊湊，從而能順利安裝到普通量產汽車的發動機艙內。不僅如此，該車型的儲氫量，相比傳統燃料電池車型有所提升，并可通過插電功能為鋰離子電池充電，使GLC F-Cell車型成為可全天侯使用的車輛。

為了使燃料電池在未來也能應用于其他類型的車輛，當前的主要任務是進一步開發燃料電池的基本款式，使其成為應用范圍更廣闊的電驅動組合裝置，并在不同應用場合中具有最高的靈活性（圖8）。同時，該系統能與不同的鋰離子電池系統組合，進一步擴大了其應用領域。

[1]SOMMER M，WHR M，DOCTER A.Concepts for future PEM fuel cell systems[C]. Fuel Cell Seminar，San Antonio，2007.

[2]MOHRDIECK C.Fuel cell vehicles-one step on the path to commercialisation[C]. 6.International Hydrogen & Fuel Expo Technical Conference，Tokio，2010.

[3]SANG J，VENTURI M，BOCKSCH R.NVH challenges of air supply systems for automotive fuel cell applications[J]. SAE International Journal of Engines，2008，1（1）：258-266.

[4]FRANK G.Brennstoffzellenaktivitten der Daimler AG[C]. Stuttgarter Energie Speicher Symposium， Stuttgart，2016.

[5]MOHRDIECK C.Fuel cell vehicles within the triangle of technology， cost and infrastructure[C].FC Expo， Tokio， 2015.

[6]MOHRDIECK C.Next generation fuel cell technology for passenger cars and busses[C].EVS 24， Stavanger， 2009.

[7]DEHN S，SANG J，MOHRDIECK C，et al.Daimler’s next generation fuel cell engine[C].EVS 30， Stuttgart， 2017.

[8]MOHRDIECK C，DEHN S.Optimierungsstrategien für den brennstoffzellenantrieb[C]. 14. Symposium Hybrid-und Elektrofahrzeuge， Braunschweig， 2017.

[9]DEHN S，MOHRDIECK C，WIND J.Optimierung des brennstoffzellenantriebs im spannungsfeld von technik， kosten und kundenanforderungen[C].38. Wiener Motorensymposium， Wien， 2017.