一款燃料電池洗掃車設(shè)計開發(fā)與應(yīng)用

摘要：為實現(xiàn)碳達峰和碳中和，將氫燃料電池技術(shù)引入交通領(lǐng)域是一個重要突破口。我國城市化進程的不斷推進，路況的不斷健全與完善，汽車行業(yè)的不斷增長，對能源的消耗日益擴大，所以開發(fā)和研究燃料電池環(huán)衛(wèi)車對保護環(huán)境和節(jié)約能源具有重大意義和價值。為此，按節(jié)能減排環(huán)保要求，設(shè)計一款燃料電池洗掃車，可以在城市道路、廣場及各個公共場合進行清掃作業(yè)。該洗掃車結(jié)合燃料電池系統(tǒng)底盤和洗掃作業(yè)裝置結(jié)構(gòu)，以及電控電路部分的驅(qū)動系統(tǒng)和監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計，以滿足不同工況下的功能需求和安全保障，同時滿足節(jié)能環(huán)保要求。

關(guān)鍵詞：氫能源；燃料電池系統(tǒng)；洗掃車；燃料電池洗掃車；整車設(shè)計

中圖分類號：U469.79 收稿日期：2024-04-10

DOI：1019999/jcnki1004-0226202407008

1 燃料電池洗掃車底盤布置

根據(jù)氫燃料電池汽車與傳統(tǒng)燃油發(fā)動機汽車的不同，將所研究的洗掃車燃料電池底盤布置在東風(fēng)牌二類無動力底盤基礎(chǔ)上并進行優(yōu)化設(shè)計，將操控、動力、傳動、能源供給等單元采用前置方式，將供氫系統(tǒng)與燃電系統(tǒng)采用上下堆疊結(jié)構(gòu)方式。該結(jié)構(gòu)優(yōu)點表現(xiàn)力為線路、管路能有效連接，便于操控、減少能量損失，提高氫能源轉(zhuǎn)化［1］。具體布置方案如圖1所示，主要包括1東風(fēng)底盤、2動力電池、3電機、4燃料電池系統(tǒng)、5供氫系統(tǒng)、6燃料電池、7電氣控制器等組件。

11 供氫系統(tǒng)設(shè)計

本氫燃料電池洗掃車供氫系統(tǒng)可以分為兩部分：一部分為車載高壓供氫系統(tǒng)，氫瓶型號Ⅲ，壓力35 MPa；另一部分為低壓供氫部分，集成在燃料電池發(fā)動機上（壓力15 MPa）。氫系統(tǒng)包括加氫模塊、調(diào)壓模塊（組合閥）、儲氫模塊。

a.儲氫模塊。該模塊包含高壓復(fù)合材料氣瓶、氣瓶支架及連接管路等，每只瓶口配置一個瓶閥，瓶尾配置一個TRD（熱溶栓），氣瓶通過管路并聯(lián)。

b.加氫模塊。該模塊包含加氫口及高壓壓力表，加氫口集成有加氫嘴、過濾器及單向閥等功能部件；集成有高壓排氣閥，用于氣瓶內(nèi)氣體置換及車輛維修、保養(yǎng)時主動排放氣瓶內(nèi)高壓氫氣。

c.調(diào)壓模塊（組合閥）。該模塊高度集成，大幅度簡化氫系統(tǒng)。組合閥內(nèi)部包含有過濾器、減壓閥、低壓泄放閥、排氣截止閥、壓力傳感器（選配）等功能部件。低壓泄放閥用于在減壓閥出現(xiàn)鎖閉故障而導(dǎo)致出口壓力超壓時，通過低壓排氣管路泄放超壓氫氣。排氣截止閥用于氣體置換、氫系統(tǒng)維修、保養(yǎng)時，主動排放瓶閥下游管路內(nèi)的氫氣。供氫系統(tǒng)原理圖見圖2。

d.供氫系統(tǒng)安全監(jiān)控。它包含氫氣泄露量、管路壓力值、加注操作安全、氫瓶溫度、電氣元件短路等監(jiān)控，上述內(nèi)容出現(xiàn)系統(tǒng)安全設(shè)定，通過聲光報警信號提示操作者，保障安全。

12 燃料電池系統(tǒng)設(shè)計

121 燃料電池系統(tǒng)外聯(lián)結(jié)構(gòu)設(shè)計

本車燃料電池系統(tǒng)外聯(lián)結(jié)構(gòu)主要包括9個部分，分別為：①氫氣入口，連接供氫系統(tǒng)出口；②系統(tǒng)固定點，與整車系統(tǒng)安裝點固定連接；③尾排管，連接整車消音器；④冷卻出口，接燃料電池散熱器入口；⑤輔散熱入水口，接整車輔散熱出水口；⑥空氣入口，接整車空濾出口；⑦冷卻入口，接燃料電池散熱器出口；⑧輔散熱出水口，接整車輔散熱入水口；⑨系統(tǒng)補水口，接膨脹水箱補水口。具體結(jié)構(gòu)圖見圖3。

122 燃料電池系統(tǒng)性能曲線

燃料電池的系統(tǒng)電流、系統(tǒng)功率、電壓表征系統(tǒng)性能曲線。在燃料電池在車輛實際應(yīng)用中，實際電壓輸出比理想的熱力學(xué)電壓要小。此外，燃料電池的電流輸出越大，電池的輸出電壓就越低，從而限制了可以釋放的總功率，曲線性能圖見圖4。

123 燃料電池系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)

本車燃料電池系統(tǒng)選用功率110 kW，質(zhì)子交換膜燃料電池。系統(tǒng)主要包含、電堆模塊、氫系統(tǒng)、空氣系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、傳感器、電氣、結(jié)構(gòu)件等。燃料電池系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)如表1所示。

13 底盤動力電池與電機選用

動力電池電芯類型選用磷酸鐵鋰，電池電量10077 kW·h。

電機類型選用永磁同步電機，額定/峰值功率：120/180（kW）；額定/峰值扭矩：500/1 000（N·m）；額定/峰值轉(zhuǎn)速：2 292/4 500（r/min）；冷卻方式：水冷。

2 燃料電池洗掃車清掃功能裝置設(shè)計

本燃料電池洗掃車采用中置兩立掃+中置寬吸嘴+左右高壓側(cè)噴桿+中置清水箱+后置污水箱結(jié)構(gòu)，清掃功能裝置主要包括上裝動力系統(tǒng)及傳動裝置、風(fēng)機系統(tǒng)、高壓水清洗系統(tǒng)、高低壓水路系統(tǒng)、后噴霧降塵系統(tǒng)、清水箱、垃圾箱、左右掃盤機構(gòu)、吸盤機構(gòu)、液壓系統(tǒng)、氣動系統(tǒng)、三電控制系統(tǒng)等部件組成［2］。

21 上裝動力系統(tǒng)設(shè)計

本氫燃料電池洗掃車的風(fēng)機和高壓水泵都由上裝動力系統(tǒng)提供動力。上裝動力系統(tǒng)由驅(qū)動電機、電機控制器、冷卻系統(tǒng)、高壓線束、低壓線束等部件組成；傳動裝置主要包括離合器及控制裝置、皮帶傳動等。上裝傳動結(jié)構(gòu)圖見圖5。

上裝動力系統(tǒng)是該洗掃車各專用工作機構(gòu)的動力源，上裝電機啟動后，通過皮帶傳動帶動風(fēng)機旋轉(zhuǎn)工作和液壓油泵工作，并經(jīng)離合器、皮帶輪、皮帶帶動高壓水泵工作。

上裝的動力來源是底盤動力電池輸出的高壓電能，上裝取電口位于駕駛室下方，底盤集成控制器上，整個系統(tǒng)通過CAN總線通信。

冷卻系統(tǒng)由膨脹水箱、散熱器、電子水泵、管道等組成，水箱加注專用防凍冷卻液，電子水泵在加注冷卻液后需要排除系統(tǒng)內(nèi)的空氣，確保電子水泵進出口端充滿冷卻液后方可啟動冷卻系統(tǒng)。

上裝電機的轉(zhuǎn)速可以通過中控屏后臺調(diào)節(jié)，電機啟動后“怠速”800 r/min，最高轉(zhuǎn)速限定為2 000 r/min。

另外，設(shè)計了一鍵選擇模式，選項為“清潔”“標準”“強吸”，使轉(zhuǎn)速自動定位在1 600～2 000 r/min之間，可以根據(jù)路面情況，進行選擇。

22 風(fēng)機、高壓水泵傳動皮帶選用及張緊參數(shù)設(shè)計

本車的洗掃裝置系統(tǒng)動力通過2組窄V帶分別傳遞給風(fēng)機和高壓水泵。風(fēng)機皮帶為5 V 1 050/15 N 2 667 La型窄V帶5根，通過調(diào)節(jié)張緊輪前后位置調(diào)節(jié)風(fēng)機皮帶的張緊情況。高壓水泵皮帶為SPB 1772 La皮帶3根，通過調(diào)整拉桿長度來調(diào)節(jié)高壓水泵皮帶的張緊情況。儀表要求在每根窄V帶跨度中心處垂直作用20 N的力時，產(chǎn)生10 mm撓度即可。

23 高壓清洗系統(tǒng)

高壓水路系統(tǒng)提供高壓清洗作業(yè)時的高壓水流。清洗時通過氣動齒式離合器和皮帶傳動，驅(qū)動高壓水泵。高壓水路系統(tǒng)由高壓水泵及離合裝置，高壓水管路、噴水架、吸嘴噴桿、垃圾箱自潔裝置、噴霧裝置、手動清洗裝置、清水箱等組成。高壓水管路原理圖見圖6。

噴水桿包括噴水架上的左側(cè)噴水桿機構(gòu)、右側(cè)噴水桿機構(gòu)和吸嘴噴桿機構(gòu)。吸嘴噴桿布置在吸嘴內(nèi)，其上裝有16個洗滌噴嘴。左右噴桿又分別包括左固定噴桿和右固定噴桿，各分布4個洗滌噴嘴。作業(yè)過程中利用氣缸驅(qū)動將左右噴桿向左和向右以設(shè)定最佳角度擺出，噴嘴噴出的高壓水簾將左右掃盤攪動起來的垃圾和污水沖到吸盤前面，風(fēng)機傳動吸筒通過吸盤吸至垃圾箱內(nèi)，清洗作業(yè)完成噴桿自動收回。在左右固定噴桿各自裝有可手動調(diào)整方向的1個旋轉(zhuǎn)洗滌噴嘴，通過手動球閥控制，用于清洗中間護欄或邊緣死角地帶。左右噴桿設(shè)計具有防撞自動避讓和自動復(fù)位功能，解決了作業(yè)時誤操作使洗掃盤或高壓水噴桿易于碰壞的問題。

24 掃盤降塵系統(tǒng)

本車的掃盤降塵系統(tǒng)主要由電動隔膜泵、球閥、水路和灑水噴嘴等部件構(gòu)成，實現(xiàn)左右立掃旋轉(zhuǎn)時灑水降塵和吸嘴吸管內(nèi)灑水降塵。掃盤降塵系統(tǒng)原理圖見圖7。

25 清掃裝置

本車清掃裝置包括左右完全對稱左立掃和右立掃結(jié)構(gòu)。機構(gòu)包含油缸調(diào)節(jié)桿、油缸、鏈條、彈簧、螺紋筒、連桿支座、連桿。

用螺栓將支架1安裝在底盤車架右縱梁上。通過巧妙的布置，用提升油缸5控制掃盤的升降和外擺動作。油缸上方的鏈條與調(diào)節(jié)螺桿可以調(diào)節(jié)掃盤的初始離地高度和掃毛磨損后的離地高度。掃盤的前傾角和外傾角分別由前傾調(diào)節(jié)桿4和外傾調(diào)節(jié)螺栓12進行調(diào)整［3］。通過機械擺臂回收和伸放實現(xiàn)左右掃盤防撞避障功能。作業(yè)時，當掃盤機構(gòu)遇到前方障礙物，機械擺臂拉回動掃盤向內(nèi)收縮避讓，越過障礙后機械擺臂伸放掃盤，恢復(fù)到工作位置。

26 掃盤前傾角、外傾角、內(nèi)傾角的設(shè)置

本洗掃車要達到最佳的清掃效果，要對掃盤的工作姿態(tài)進行設(shè)置，使掃刷與地面的接觸狀態(tài)達到圖4所示的要求。需要通過三項設(shè)置獲得：

a.掃盤前傾角調(diào)整：調(diào)整掃盤前傾調(diào)節(jié)桿4的長度，使掃盤軸線向前傾斜4°～5°，調(diào)好后鎖緊。

b.掃盤外傾角調(diào)整：適當擰松掃盤外傾調(diào)節(jié)螺栓，讓左右掃盤分別向外，即左掃盤向左，右掃盤向右傾斜4°左右，調(diào)好后將螺栓擰緊。

c.掃盤接地距離調(diào)整：掃盤離地高度通過調(diào)節(jié)鏈條與螺桿設(shè)置。當掃盤下降到最低位置時，如圖8所示的陰影部分，掃盤前方180°范圍內(nèi)的盤刷有效接觸到地面面積。

27 吸嘴裝置設(shè)計

本洗掃車機構(gòu)吸嘴主要由吸嘴體、牽引機構(gòu)、提升機構(gòu)和限位機構(gòu)組成。本洗掃車的吸嘴選用寬吸嘴，總寬達到2 420 mm。吸嘴前后支撐輪著地后，底邊和路面的間隙調(diào)整在5～10 mm。吸嘴結(jié)構(gòu)如圖9所示。

1行走輪 2吸嘴長噴桿 3限位機構(gòu) 4吸嘴體 5提升油缸

6牽引機構(gòu) 7左右噴水桿

28 清水箱和垃圾箱設(shè)計

本洗掃車清水箱和垃圾箱分開設(shè)計，均為單層304不銹鋼結(jié)構(gòu)，容積7 m3。清水箱上設(shè)計有低水位報警傳感器，當水箱水位低于規(guī)定高度時，報警系統(tǒng)會自動報警。如繼續(xù)作業(yè)，水位降到禁止高度時，保護系統(tǒng)會自動停止作業(yè)。

垃圾箱底部采用斜底簸箕型設(shè)計更便于卸料；垃圾箱前端為開口型；垃圾箱中后部為污水箱。垃圾箱通過液壓油缸支撐和收縮實現(xiàn)傾翻卸料，后門由液壓油缸推動鎖緊插銷，實現(xiàn)開啟（插銷上移，頂起廂體）、關(guān)閉、停止。后門上設(shè)有過濾排污口，當垃圾箱內(nèi)污水高度可通過液位觀察口察看，當污水到達一定高度時，可暫停作業(yè)，用排污管排出污水后再作業(yè)。垃圾箱內(nèi)裝有超限報警傳感器，當污水液位達到限位高度時，報警系統(tǒng)發(fā)出警報，此時需暫停作業(yè)，先排水再排污。如無視警報繼續(xù)作業(yè)，30 s后保護系統(tǒng)會自動停止作業(yè)。

垃圾箱上有二個吸污口和一個風(fēng)口分別于吸嘴上的吸管和風(fēng)機吸風(fēng)口對接，對接口處有密封墊，垃圾箱復(fù)位后，各密封墊處密封可靠。

垃圾箱設(shè)計有頂升傾翻卸料安全保護裝置。垃圾箱頂升傾翻卸料前，垃圾箱后門必須開啟，放掉垃圾箱內(nèi)污水，卸出部分污物。如后門沒開啟，傾翻卸料的操作將無效，以此保護垃圾箱后門和垃圾箱傾翻機構(gòu)不過載損壞。

垃圾箱內(nèi)設(shè)有自潔裝置，垃圾箱處在傾卸狀態(tài)時，打開自潔裝置，垃圾箱內(nèi)部將會自動得到清洗，且清洗效果最佳。

29 液壓系統(tǒng)設(shè)計

本洗掃車洗掃機構(gòu)液壓系統(tǒng)由液壓油泵、液壓馬達、液壓缸、溢流閥、節(jié)流閥、液控單向閥、集成塊、液壓油箱、管路連接件等組成。液壓原理圖見圖10。

在液壓系統(tǒng)中，按齒輪油泵由上裝電機驅(qū)動設(shè)計。車輛正常洗掃作業(yè)時，上裝電機驅(qū)動齒輪油泵向系統(tǒng)提供壓力油源，可驅(qū)動所有的執(zhí)行元件來驅(qū)動機構(gòu)動作。動力單元作為應(yīng)急輔助動力裝置，在車輛電氣系統(tǒng)或上裝電機出現(xiàn)故障時可以自己傾翻垃圾箱便于維修。

系統(tǒng)控制閥集成設(shè)計為兩個液壓控制塊。前閥塊控制掃盤馬達工作、停止及馬達調(diào)速，系統(tǒng)調(diào)壓溢流閥；后閥塊控制吸嘴提升、下降，垃圾箱開關(guān)門，垃圾箱傾翻、降下動作。

210 氣動系統(tǒng)設(shè)計

本洗掃車氣動系統(tǒng)設(shè)計采用高壓水泵氣動齒式離合器離合、左右側(cè)噴桿外擺收回、左右低壓沖洗氣閥開閉、高壓水路球閥開閉均是氣缸驅(qū)動，其中底盤取力器開關(guān)和左右角噴開關(guān)由人工控制，其他開關(guān)全由電氣系統(tǒng)自動控制。氣動系統(tǒng)主要包括電磁閥、手控閥、調(diào)壓閥、節(jié)流閥、氣缸、管路、接頭等。高壓水泵離合器（氣動齒式離合器）設(shè)計工作氣壓04～06 MPa。

211 電控系統(tǒng)設(shè)計

本車的電氣系統(tǒng)分為汽車底盤電氣系統(tǒng)和專用工作裝置電控系統(tǒng)兩部分，兩系統(tǒng)共用底盤車電源［4］。洗掃車專用工作裝置駕駛室電控界面圖見圖11，車后部控制界面圖見圖12。

專用工作裝置電控系統(tǒng)主要由電控箱、上裝電機及電機控制器、電氣元件及電磁閥，語音報警系統(tǒng)及安全保護等組成，并單獨設(shè)有總電源控制開關(guān)，通過斷開總電源，防止車輛放置時間較長引起電瓶漏電，其控制按鈕為中控屏上的電源開關(guān)。洗掃作業(yè)系統(tǒng)采用面板操作，PLC邏輯控制。

電控系統(tǒng)主要實現(xiàn)功能：

a.控制上裝電機啟動、調(diào)速（加速、減速）、熄火；顯示上裝電機轉(zhuǎn)速、水溫等。

b.控制垃圾箱后門的開啟與關(guān)閉、垃圾箱的傾翻和復(fù)位。

c.控制作業(yè)機構(gòu)作業(yè)。將左右立掃、吸嘴、高壓水泵、左右噴桿等作業(yè)機構(gòu)按不同的作業(yè)組合，組成6種作業(yè)模式，一鍵式啟動與關(guān)停。各作業(yè)機構(gòu)的啟動、作業(yè)、關(guān)停由程序控制。

d.語音報警。用簡單明了的語言準確地報出出現(xiàn)的故障，操作者一聽就知道故障點所在。

e.安全保護。重要安全事項，除報警外，還能自動完成保護動作。主要有清水箱低水位、垃圾箱高液位、液壓油箱低液位、垃圾箱后門未開啟等報警保護裝置。

3 整車外觀及其它部件設(shè)計

31 整車廂體外罩設(shè)計

廂體外罩頂部左右兩側(cè)設(shè)計為折筋結(jié)構(gòu)，與供氫系統(tǒng)外罩頂部左右兩側(cè)45°倒角協(xié)調(diào)一致。供氫外罩與廂體外罩腰線統(tǒng)一設(shè)計成凹槽結(jié)構(gòu)，銜接一致，左右間隙≤05 cm，前后間隙≤1 cm；取消導(dǎo)流罩，廂體外罩、供氫系統(tǒng)外罩與車頭高低錯落有致，整體協(xié)調(diào)性合理［5］。整車廂體外罩三維模擬圖見圖13，為方便區(qū)分供氫系統(tǒng)、清水箱、車廂后部外罩，三維設(shè)計模擬方案時渲染三種不同顏色（實車均為白色）。

32 側(cè)后防護及警示燈設(shè)計

左右側(cè)防護采用鋁合金材料，后端設(shè)計為圓弧封角結(jié)構(gòu)；后防護材質(zhì)Q235，使用螺栓連接，截面尺寸245 mm×65 mm。車身尾部警示燈按采用雙箭頭結(jié)構(gòu)設(shè)計。

33 車身噴涂方案設(shè)計

車身整體噴涂白漆，所有結(jié)構(gòu)件噴漆前均做電泳處理。中部噴涂標志，尾部噴涂藍色翅膀外形，藍色與白色顏色搭配合理，整體效果大方美觀。

4 整車外觀、主要結(jié)構(gòu)及特點

本燃料電池洗掃車實現(xiàn)零污染、零排放，相比燃油車更節(jié)能環(huán)保，比純電車續(xù)航里程長點。對比普通洗掃車，本車采用“中置兩立掃+中置寬吸嘴+左右高壓側(cè)噴桿+中置清水箱+后置污水箱結(jié)構(gòu)”的布置方式，刷洗-沖洗-吸收污水等動作更加連續(xù)流暢，具有作業(yè)飛濺少、污水吸凈率高，清洗效率高特點。本車主要應(yīng)用于城市道路、廣場洗掃、路沿，路緣石立面等清洗。目前本臺燃料電池洗掃車樣車已生產(chǎn)完成，相關(guān)測試正在進行中如圖14所示。

參考文獻：

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[3]王志成燃料電池與燃料電池汽車[M]北京：科學(xué)出版社，2016

[4]QC/T 957-2013洗掃車[S]

[5]QC/T 51-2019 掃路車[S]

作者簡介：

施展，男，1982年生，工程師，研究方向為新能源專用工程車。