燃料電池汽車整車及關鍵零部件布置研究

熊良劍 翟文龍 倪立 郝義國

（武漢格羅夫氫能汽車有限公司，武漢 430070）

1 前言

就現階段燃料電池汽車技術的發展以及市面上主流燃料電池車型來看，目前燃料電池汽車整車關鍵零部件布置主要分為2種平臺[1]：（1）在傳統燃油車平臺改制來布置氫燃料電池相關的部件，在傳統燃油車身結構上進行結構局部調整以,滿足適應燃料電池乘用車關鍵零部件的合理布置需求，研發成本也較低。（2）燃料電池汽車專用研發平臺，同時也是新型、可變模塊化的專用平臺，這種平臺適應能力強，可以衍生出多種類型的車型，在整車關鍵零部件布置方面優勢較為明顯，但其研發費用也較為昂貴。

2 燃料電池汽車與傳統燃油車整車布置差異

氫能汽車結構和原理不同于傳統乘用燃油汽車，2種截然不同的驅動類型，兩者在原理結構上有著較大的區別[2]，相應的系統部件也會存在差異，直接導致燃料電池車比傳統燃油汽車新增了關鍵零部件。參照圖1中燃料電池汽車整車關鍵零部件布置形式，首先燃料電池乘用車相比傳統燃油車配置了燃料電池系統、車載供氫系統、高壓動力電池、充電裝置和高低壓轉換器（DC-DC）。傳統的發動機系統布置空間需考慮燃料電池系統和電驅動系統的布置要求，傳統燃油箱的布置空間需要考慮供氫系統的布置要求，相比于燃油車的能量轉換形式，燃料電池汽車的高低壓附件和熱管理系統的布置要求更為復雜[3]。同時，相比于傳統燃油車，燃料電池車型的空調制冷和采暖的高壓空調壓縮機及高壓PTC同樣依靠的是燃料電池發電來運行。另外，燃料電池汽車的關鍵零部件，如高壓設備的高壓用電都需要由高壓動力電池進行輸送，為了保證各用電設備的用電安全，并減少高壓線束的分支，在動力電池和各用電設備之間安裝高壓配電盒來實現以上功能。高壓配電盒內部有保險絲來保障線路安全，與傳統燃油汽車的電器盒類似，但是參照ISO 20653-2006 道路車輛防護等級(IP代號)電氣設備對外來物、水和接觸的防護技術要求[4]，2者之間存在較大區別，見表1。

表1 燃油車與燃料電池車配電盒差異

圖1 燃料電池汽車整車布置

3 整車總體布置形式

氫能汽車的燃料電池系統在尺寸及性能要求方面相當于傳統車型的發動機，在整車布局當中能兼顧的空間有限，對于燃料電池乘用車來說一般將燃料電池與電驅動系統集成布置于前艙內，滿足燃料電池散熱及碰撞安全需求的同時空間充足且可調整范圍大，而且布置在前艙還可以直接驅動半軸從而驅動前輪，節省了大量空間，并提高整車傳動效率[5]。

供氫系統是燃料電池汽車中關鍵的組成部分，由于氫瓶特殊的尺寸規格和存儲要求，不能像傳統燃油車的油箱的布置那么靈活，在乘用車中氫瓶的布置在滿足整車離地間隙時勢必會影響到人體的坐姿空間和行李箱的容積。

常見的乘用車氫瓶布置形式：

（1）氫瓶布置于后排座椅下部和行李箱下部，動力電池及高壓附件系統布置于前地板，如圖2 所示。此類布局形式的優勢在于滿足人體坐姿和行李箱空間，同時整體的后期維護性較好，劣勢在于氫瓶儲氫量不會太大，一般在3～4 kg，目前這種布局形式儲氫量做的最大的豐田Mirai二代僅為5 kg。

圖2 燃料電池乘用車的布置

（2）氫瓶采用同等規格縱梁平鋪于成員艙地板下部，動力電池及高壓附件布置于后地板下部，此種布置形式的優勢在于氫瓶的儲氫量相對較高，整車續駛里程較長，同時氫瓶具有較好的碰撞安全性，劣勢在于后艙地板下部的高壓附件和動力電池的裝配維護性較差，同時有碰撞風險。

4 前艙關鍵零部件布置方案設計

根據氫能汽車關鍵零部件的工作特性和特點，把前艙布置分為上、中、下3 層。如圖3 中所示，在前艙的上層空間布置一些易于維修保養的、需要經常進行維護更換的零部件，如燃料電池反應堆、燃料電池DC、燃料電池控制器、保險絲盒和蓄電池等。在前艙的中層空間布置燃料電池子系統部件，考慮到電堆懸置安裝固定點在中層位置，一般將振動幅值較大的部件布置于此層，例如空氣壓縮機、氫氣循環泵、水泵、增濕器和中冷器。在前艙的下層空間布置一些不易于維修保養、不需要經常進行維護更換的零部件，例如電機、減速器、電機控制器等。這樣的布置方案把前艙分為上、下2層，層次分明，前艙零部件布置較為干凈整潔，便于后期的維修診斷和零部件的更換[6]。

圖3 前艙布置方案

前艙布置安全原則方案，這種方案設計需要滿足以下5項要求：

（1）前艙布置需要滿足整車碰撞安全的硬性要求，符合法規要求；

（2）各關鍵零部件符合純電動汽車機艙布置間隙要求標準；

（3）滿足電磁干擾防護等級，保證足夠安全距離；

（4）滿足涉水密封IP67 級安全要求、滿足NVH、操穩性能等試驗要求；

（5）滿足生產制造、總裝、維修售后等便力性要求。

5 氫能汽車燃料電池布置

5.1 氫能源汽車燃料電池系統原理

氫能源汽車的燃料電池系統原理可分為3 部分，包括空氣子系統、冷卻子系統和氫氣子系統，通過空氣系統與氫氣系統之間產生化學反應并把電流集合、輸出。同時冷卻系統提供冷卻保證燃料電池的正常、高效運行。本文介紹的系統原理如下：

（1）燃料電池的空氣子系統主要由空氣濾清器、空壓機、中冷器和加濕器部件組成，系統簡化后如圖4所示。燃料電池起動時，空壓機由動力電池供電，起動完成之后，空壓機繼續由整車動力系統高壓直流母線供電，空氣濾清器的作用是對進入發動機的空氣進物理過濾及化學過濾，防止對燃料電池電堆的污染。

圖4 空氣子系統

（2）燃料電池的冷卻子系統簡化后如圖5所示，主要由水泵、PTC 加熱器、2 個電控閥、散熱器、去離子器、濾網及水箱部件組成。給電堆內部化學反應產生的熱量的部件降溫，使電堆處于最佳溫度，保證高效工作。

圖5 冷卻子系統

（3）燃料電池的氫氣子系統簡化后如圖6所示，主要由高壓氫瓶、減壓閥、電磁閥、氫氣循環泵、氫氣止回閥、氫氣泄壓閥等部件組成。通過各種閥體將氫瓶里的高壓氫氣降壓后輸入給電堆，使得電堆內氧氣與氫氣充分發生化學反應[7]。

圖6 氫氣子系統

5.2 氫能源汽車燃料電池系統構成及系統集成分析

5.2.1 燃料電池系統構成

燃料電池系統主要包括進氣部件、排氣部件、冷卻部件、進氫部件、高壓控制部件、低壓部件組成，如圖7某車型燃料電池系統[8]所示。

圖7 某車型燃料電池系統

（1）進氣部件主要包括空氣濾清器、流量計、空氣壓縮機、中冷器、加濕器和節氣門，該系統為燃料電池提供充足的氧氣參與化學反應，而進氣節氣門是整個燃料電池的總開關；

（2）排氣部件包括排氣截止閥、背壓閥和消聲器，它可以排出燃料電池中的廢氣以及氫氧反應產生的水；

（3）冷卻部件包括散熱器、散熱風扇、水泵、節溫器和去離子儀，它形成一個獨立的循環[9]，來維持整個燃料電池氫氧反應系統工作在合理的溫度范圍內，同時過濾系統中的干擾離子；燃料電池附屬系統零件（空氣壓縮機及其控制器、氫氣循環泵控制器）的冷卻則依靠整車上的冷卻循環來實現；

（4）進氫部件包括減壓閥、進氫電磁閥、比例電磁閥、排氮閥、水汽分離器和氫氣循環泵，它為燃料電池提供適量的氫氣參與化學反應；同時過濾出尾氣中的氫氣，并通過循環泵加壓后再次供給燃料電池；

（5）高壓控制部件包括電堆DC-DC、PTC、DCL、空壓機控制器、氫氣循環泵控制器。該系統將燃料電池產生的高壓電輸出至整車電驅動系統，同時擔負著自身高壓元件的用電需求和控制邏輯；

（6）低壓部件包括FCU、電器盒以及各種傳感器，它與整車通訊，接受整車的用電請求從而執行燃電化學反應，同時又監控燃料電池的各項參數，以保證其正常運行。

5.2.2 燃料電池系統集成分析

通過多維度分析各品牌燃料電池系統布置集成特性見表2，為實現在一定車型范圍內的氫燃料電池通用化設計，針對整車匹配的方便性和基本性能要求，對氫燃料電池本體、附件系統和外部接口做出統一的布置策略[10]，建議如下：

表2 各品牌電堆系統集成特性分析

（1）燃料電池系統其中一側緊貼整車的前圍板，其前/后/左/右應至少有一側的外觀面需保持整齊，且懸置以上的區域不能預留外部接口；

（2）進氫口和尾排口盡量預留在同一側；

（3）盡量體現統一的設計包絡和外部接口布置策略；

以上技術可以實現一定車型范圍內的氫燃料電池通用化設計，并降低整車布置匹配的復雜程度。對減少產品多樣性，縮短開發周期，降低整車成本有積極作用。

5.3 氫燃料電池布置要求

氫燃料電池布置的對象，是附件集成后的電堆總成。其布置的合理程度直接影響到整車裝配、售后及整車外接口匹配。本文規范以GB/T 15089—2001 機動車輛及掛車分類[11]中N1/N2類整車承載式車身的布置方法進行舉例論述。

5.3.1 布置輸入及準備

在布置工作啟動之前，需要確認以下準備工作，如表3。

表3 燃料電池布置輸入說明

5.3.2 布置要求

燃料電池布置時，不僅要考慮自身的布置要求，還要結合整車環境、制造工藝和性能要求共同確定布置位置。

5.3.3 整車環境約束

N1/N2 類整車大都為承載式車架，如圖8。考慮燃料電池的安全性，一般布局在駕駛艙和貨箱前部的車架中間位置。

圖8 燃料電池常規布置位置

（1）X/Y/Z向角度：燃料電池的封裝本體為規則的立方體，布置時應分別保持與X/Y/Z3個平面平行；

（2）X向位置：考慮整車軸荷分配，燃料電池盡可能靠近車頭布置；以燃料電池前部的車身橫梁為基準，向車尾方向布置，考慮到燃料電池系統整體裝配工藝X向前后預留最小20 mm間隙；

（3）Y向位置：車架左右兩側的縱梁一般為對稱結構，布置燃料電池時應保證封裝本體在Y向居中，以便于左右懸置的對稱設計；

（4）Z向位置：燃料電池封裝本體上集成的附件較多，其最低位置應高于車架下橫梁的上表面20 mm，且其頂部與車架上橫梁間隙大于20 mm；如果整車Z向高度不足，可降低燃電高度至最小離地間隙限制面，但需保證其不處于整車前部的最低點。

5.3.4 整車制造工藝約束

（1）燃料電池裝配時需通過吊具或舉升設備，將燃料電池舉升到車架特定高度后安裝懸置。故燃料電池的封裝本體需具備至少2 個吊裝孔，或者至少3個底部支撐平面，且吊裝孔或支撐平面的工具進入方向不能有零件遮擋；

（2）懸置安裝支架的正上方，不能集成其它零部件，以保證裝配便利性。

5.3.5 整車性能約束

除安全性之外，布置時需兼顧燃料電池的防水性能，尤其是電器元件。按照一般SUV 的涉水標準，電器件高度需滿足整車滿載姿態下>450 mm。若受空間限制無法滿足時，需確認零部件及外部插接件的防水等級不低于IP67。

6 氫能汽車供氫系統布置

6.1 供氫系統構成

供氫系統主要包括加氫口、排氫口、氫瓶、氫閥、手操作開關、HCU以及氫管，如圖9。

圖9 供氫系統總成

（1）車用氣瓶共分為4 種類型：全金屬氣瓶(I 型)、金屬內膽纖維環向纏繞氣瓶(II 型)、金屬內膽纖維全纏繞氣瓶(III 型)、非金屬內膽纖維全纏繞氣瓶(IV型)。I 型和II 型氣瓶重容比較大，難以滿足單位質量儲氫密度要求，用于車載供氫系統并不理想。采用金屬內膽的III 型氣瓶為我國在高壓氫氣瓶領域的主要研究方向。目前35 MPa的氫瓶技術已經成熟，內至外包括內襯材料、鋁合金內膽、纖維纏繞層、外保護層、閥門瓶口。國內主流采用鋁合金+碳纖維材料[12]見圖10。

圖10 氫瓶組結構

（2）氫氣閥控制著整個氫氣回路的充氣/供氣/氣體泄放，其原理圖見圖11。它可以是一個高度集成的閥體，也可以是多個具備單獨功能的閥體組合。

圖11 供氫系統原理

6.2 供氫系統布置要求

供氫系統的關鍵在于氫瓶及氫瓶框架的布置[13]。首先根據整車總體布局，確定氫瓶的最大布置容積，以此可以初步確定氫瓶的數量和尺寸，進而推算其容積是否滿足整車續駛里程的要求。布置時需關注：

（1）考慮整車碰撞安全性，氫瓶與整車最外側結構件的間隙＞70 mm；

（2）確定氫瓶長度時，需考慮其兩端瓶口閥和瓶尾閥的尺寸，可按照供應商的零件選型初定為50 mm+100 mm；

（3）氫瓶的外徑和長度需結合整車環境確定，保證與環境件間隙>15 mm；

（4）氫氣閥體控制著整個系統的減壓/截止/充氣和排氣功能。一般閥體是集成在氫瓶或氫管上，布置需保證手動閥處于方便手動操作的位置；

（5）加氫口的位置沒有明確的法規要求，布置以方便設計加氫口蓋，并盡可能縮短加氫管的長度為原則來確定其位置；

（6）加氫口的高度需滿足人機操作方便性，建議在770～880 mm，如果受造型限制，可以視情況調整；

（7）加氫口蓋的尺寸需滿足加氫槍的操作空間，建議在加氫槍3D 的基礎上，單邊預留>50 mm 的間隙；

（8）氫濃傳感器主要檢測氫氣泄露量，宜水平布置在瓶尾閥附件的上部區域，保證探頭朝下；

（9）HCU 應盡可能的靠近氫瓶閥體和傳感器，且易于操作的位置，以縮短線束的長度并保證售后/試制調試的需求。

7 高壓控制系統的布置

7.1 控制系統構成

控制模塊包括BDU、PDU、DCDC、MCU、空壓機和循環泵控制器；負載端包括驅動電機、DCL、空調壓縮機、高壓轉向泵和風冷機組。系統構成見圖12。

圖12 所示的加粗箭頭連接的零部件代表高壓控制模塊。確定高壓控制系統的線束連接原理圖之后，即可啟動零件布置，控制器的通用布置要求如下：

圖12 高壓控制系統

（1）控制模塊的離地高度一般>500 mm，若受空間限制無法滿足時，其滿載高度不應低于整車最小離地間隙要求，且零部件及外部接插件的防水等級不應低于IP67；

（2）需要水冷的控制模塊，應保證其高度不超出冷卻水壺的最低液面高度；

（3）整個高壓系統的零部件方案應同步考慮，布置控制模塊時應充分考慮固定接口設計、外部高低壓接口的位置以及線束設計的方便性，盡可能規避線束的迂回，且其高壓接插件的軸線方向至少預留5D（高壓線束直徑）+10 mm的線束折彎空間；

（4）空氣壓縮機、水泵等維護頻率較高的零件，需布置在易于檢修和調試的位置；

（5）控制模塊需盡量遠離熱源，與周邊固定零件和動態零件包絡的間隙需≥15 mm；

（6）控制模塊的布置還需考慮裝配和售后維修的方便性，特別是BDU等安裝比較費時的零件。

7.2 氫燃料電池的高壓控制系統

氫燃料電池的高壓電輸出至電堆DC-DC 后，一部分輸入BDU用于驅動整車，另一部分用于自身附件的驅動，包括空氣壓縮機、循環泵、PTC、高壓水泵以及DCL。這部分高壓零部件往往與燃料電池集成在一體，燃料電池布置完成后，零部件的初版布置方案也可確定下來。

如果整車空間不足以將集成后的燃料電池做完整的布置，可考慮拆分部分零部件。比較常見的為電堆DC-DC的拆分及布置。

7.3 整車的高壓控制系統

氫燃料電池和電池包的輸出端，通過BDU和PDU后輸入驅動電機，從而驅動整車。同時BDU 和PDU需滿足整車上其它高壓元件的用電需求。

8 電堆總成及關鍵部件布置檢查單（Check list）

根據以上各系統的描述內容，現將本文中針對燃料電池總成及關鍵部件的布置間隙要求匯總形成Check list（表4），為相關數據布置校核提供參考依據。

表4 燃料電池總成及關鍵部件布置檢查單(Check list)

9 結束語

本文通過實例車型開發過程的具體布置方案進行分析研究，同時在大量閱讀國內外文獻和前期車型研發的基礎上，結合傳統燃油車整車布置規范和技術要求，對燃料電池汽車整車及關鍵零部件布置進行優化和總結，形成了一套相對完善的總布置設計規范，可供燃料電池車型開發布置參考，以及通過對當前國內外燃料電池車型集成布置分析研究，確定了現階段燃料電池車型的布置狀況及未來整車集成發展趨勢，積累的相關經驗對后期的車型開發可提供有力支持。相信通過后續的研究和開發及示范工作的不斷深入，本文所述的燃料電池汽車整車布置研究內容在實際工作中會不斷得到更新。