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清华大学：新型分布式驱动液氢燃料电池重型商用车设计、分析与验证
《汽车工程》2022年第8期发表了清华大学车辆与运载学院团队研究成果“新型分布式驱动液氢燃料电池重型商用车设计、分析与验证”一文。针对城市重型、长途货运重型商用车的电动化需求，论文提出了分布式驱动液氢燃料电池重型商用车技术方案，探索了大功率燃料电池系统、大容量液氢系统和大功率轮毂电机等前沿技术的设计与开发，完成了35t级液氢燃料电池载货车和49t级液氢燃料电池牵引车的设计、集成、制造和测试。
研究背景
氢燃料电池功率大、能量密度高、零排放，被认为是大负载、长距离重型商用车的理想技术方案。当前，国内外燃料电池重型商用车的续驶里程普遍在400km水平，续驶里程与经济效益有待提升，而提高燃料电池重型商用车续驶里程关键在于增加整车携氢量与提高系统的能量转化效率。
研究内容
1. 动力系统以及分布式驱动系统设计
首先，分析论证了分布式电驱动相对于集中式驱动在驱动效率上的优势，考虑传动链优化，系统的驱动效率相比集中驱动可以提升近10%。其次，开展了高转矩密度轮毂电机设计，创新性地提出了弯扭解耦的电动轮构型，结合油冷与桥驱匹配优化，较当前典型电驱桥在驱动转矩与重量方面取得了显著进步，整桥重量与传统集中驱动相当，有效解决了簧下质量问题。最后，基于该电动轮，考虑载荷、性能和装配等因素，开发了双轮并装的轮边驱动电动轮的驱动桥方案。
图1 分布式电驱动与集中式驱动效率对比
图2 双轮并装驱动桥方案
2. 燃料电池系统设计针对重卡大功率驱动需求，在国内率先探索了百千瓦级燃料电池开发与设计问题，逐一解决了空压机、循环泵、冷却水泵等大功率燃料电池零部件开发与匹配难题，并进一步完成了单系统>200kW燃料电池系统开发。从全生命周期使用成本考虑，商用车燃料电池系统的核心是耐久性与效率。燃料电池系统额定点效率从45%提升到50%，使得汽车全生命周期的能源成本下降近10%，所带来的收益远大于燃料电池系统设计成本增加。
图3 液氢储供系统BOG回收系统图
图4 80kg级液氢储共系统
3. 储氢系统设计
针对车载大容量氢气存储难题，提出了液氢储氢技术方案。围绕液氢储罐绝热设计、真空设计、支撑结构设计、轻量化设计等关键技术展开了研究，完成了液氢储罐结构设计、优化与安全方案设计，将车载储氢质量密度提升到10%以上。为维持储罐内压力稳定，论文设计了液氢储供系统的挥发氢气回收系统，并从安全的角度，也对未来的氢系统-燃料电池系统的压力匹配进行了讨论。
图5 燃料电池系统电堆外形图
图6 240kw燃料电池系统
4. 整车开发于实车测试验证
基于串联混合动力系统拓扑结构，以及前述动力系统设计，完成了两型燃料电池重型商用车具体底盘动力系统布置，并对其进行了实车道路试验。
图7 重型商用车动力系统技术方案
图8 35t级载货车实物图
图9 49t级牵引车实物图
研究结果
两型液氢燃料电池重型商用车完成了约200km的经济性高环测试和动力性试验与经济性试验，试验结果表明，所开发的两型液氢燃料电池重型商用车动力系统部件设计和参数选定满足预期设计指标，也验证了液氢储氢、电动轮与大功率燃料电池系统的技术可行性。
表1 35t级载货车实车道路试验结果
表2 49t级牵引车实车道路试验结果
创新点和意义
论文针对商用车电动化升级需求，面向燃料电池重型商用车平台，围绕高性能、长续航、低成本使用目标，提出了分布式驱动液氢燃料电池重型商用车技术方案，探索了大功率燃料电池系统、大容量车载液氢储供系统与大转矩轮毂电机的创新技术。该研究具有重要的工程应用价值。
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