鉅大LARGE | 點擊量：1241次 | 2019年11月08日
燃料電池轎車總布置設計研究
1、引言隨著人類社會的工業化進展,能源大量消耗及環境污染問題隨之產生。尤其對于汽車工業來說,節能與環保已經成為當今發展的主題。作為新能源汽車中的一種,零排放的燃料電池汽車已引起各大跨國公司的廣泛關注。目前我國的燃料電池汽車在整車集成方面與國外還存在著一定的差距。
2、燃料電池動力系統構成特點
燃料電池汽車動力驅動系統采用燃料電池動力系統,取消傳統的內燃機及驅動系統。燃料電池動力系統主要由動力系統(燃料電池堆、動力蓄電池)、輔助系統(空氣系統、氫氣系統、水系統)、控制系統構成。主要包含如驅動電機、電堆、動力蓄電池、增濕器、空氣壓縮機、氫瓶、氫輔、空濾、控制單元等關鍵零部件。圖1為燃料電池動力系統工作運行圖。
3、某品牌燃料電池動力轎車動力系統總布置問題分析
目前國內燃料電池動力系統其零部件產品
一致性、通用性、可靠性、集成度等方面與傳統轎車相比還存在著若干影響整車基本參數的問題。
3·1國內外燃料電池汽車動力系統布置介紹
世界各國燃料電池動力系統發展的水平存在著很大的差異。如通用公司的燃料電池動力系統的集成度就較高。其在VOLT車上的應用基本上可達到商業化運行程度。目前國內的燃料電池動力系統集成度不高,系統零部件較分散。因此其布置特點是分散式布置。表1介紹了國外品牌幾種燃料電池轎車動力系統的布置方式。
3·2某品牌燃料電池轎車動力系統總布置設計
鑒于該動力系統的特點,某品牌燃料電池轎車采用分散布置的方式,儲氫系統布置在后備艙,動力蓄電池布置在后座椅下方,輔助及驅動系統布置在前艙及中央通道處。(見圖2)
3.3載荷分布計算
整車質量參數的計算可以根據原車整車的參數及燃料電池動力系統總成的參數,減除燃料電池車沒有采用的主要總成或零部件。先計算各個部分的參數,由動力系統總成質量坐標參數計算所得,再利用力學原理進行質心、質量等的計算。根據力矩平衡原理:
可計算得整備狀態質心坐標為:X=1304.4;Y=13.2;Z=473。
整車軸荷計算:由公式軸荷F=M×(X/L)得表2。
為了滿足轎車高速行駛及良好操穩的要求,轎車的離地間隙很小,一般在120mm左右。作為燃料電池轎車其電堆布置在中央地板下方,即使將中央地板上移或通過更改前后懸架支撐彈簧的強度,使整車抬高,也會影響到整車的最小離地間隙使整車的通過性受到很大的影響。
3·5舒適性的影響
按照人機工程的經驗坐姿各角度參考值如表3所示。電堆布置在中央地板下方,由此產生地板的上移占用了后排乘員的腿部空間,造成乘員腿部彎角較小,長時間乘坐會很容易產生疲勞感。可見針對燃料電池轎車的電堆的布置較理想的布置空間應考慮布置在發動機艙。
3·6行李艙的影響
對于儲氫系統,目前世界上通用的是采用氫瓶儲存方式。各大公司的燃料電池汽車普遍采用布置于后備艙的方式,考慮到氫瓶安全問題,儲氫裝置必須與乘客艙隔離。該品牌燃料電池轎車平臺車的行李艙空間為432L,而布置氫瓶后只能放置3個標準手提箱,有效空間縮小為165.5L,而消費者一般對行李艙還是有一定要求的,因此儲氫系統的布置也是將來需要解決的問題。
3·7散熱性能的影響
該燃料電池轎車的散熱問題也直接影響著電堆系統性能。因此其對前端散熱模塊的風扇性能及散熱器的尺寸空間有著較大的要求。針對其緊湊的前艙空間布置,必須考慮好散熱性能的要求。布置中一般可通過兩種方式來提高散熱性能:一是增加進風面積,即擴大前保險杠進風口的面積;二是合理布置前艙中的其他部件以保證散熱器后方留有足夠的空間及氣流通道以增加散熱能力。
3·8整車安全的影響
整車安全分為主動安全與被動安全。其中碰撞安全是衡量被動安全的一項重要指標。對燃料電池汽車而言,由于儲氫裝置布置在后艙,在所有的碰撞試驗中,后部碰撞必須檢查后艙變形及儲氫系統是否完好。圖3、4分別為碰撞前后的對比圖片。表4列出了碰撞氫瓶在3個方向的位移量。從分析結果可見碰撞中氫瓶受到擠壓,而且氫瓶的位移較大,由此將導致氫瓶破損及氫瓶硬管路接頭受到破壞,給整車安全帶來嚴重的安全隱患。
4、燃料電池轎車整車平臺發展方向的建議
綜上所述,燃料電池動力系統若要很好地在整車上進行應用,至少在以下幾個方面進行適應性開發,以推動燃料電池轎車產品化的進程。
4.1車身架構的適應性開發車身系統由現在轎車普遍采用的承載式車身更改為半承載式的車身或者適當增加中央通道的寬度。半承載式車身在燃料電池轎車的總布置中具有更加靈活的優勢。首先,采用半承載式的車身平臺,可以有效解決高壓電線的安全走向空間問題;其次,可以有效利用高度空間,在電池或氫瓶技術有所突破的情況下,可以將動力蓄電池或者氫瓶進行前移,在不犧牲離地間隙的情況下得以解放后備艙的空間及提高碰撞的安全性。
4.2底盤系統的適應性開發
影響燃料電池轎車整車水平提高很重要的因素是該動力系統的集成度低。燃料電池堆布置在前艙是燃料電池轎車發展的必然方向。目前某品牌插電式燃料電池轎車已經初步實現燃料電池堆及其控制單元集成設計,布置在前艙中。由于前懸尺寸并未調整,所以前艙布置還是非常緊湊的。在前艙空間不減少的情況下,將前懸架的長度適當增加,以利于驅動電機及減速器高度降低和增加燃料電池堆的有效空間。前艙質心的降低有利于碰撞的安全性。其次轉向系統可采用EpS電動轉向,較現在使用的EHpS電液轉向系統將大大節省前艙的空間,降低總布置的難度。從長遠來看,在底盤技術上配合承載式底盤的線傳動操控系統一旦可以實現應用,將大大增加整車可用空間,高度集成的燃料電池系統將可布置在底盤框架中,燃料電池轎車的整車設計水平將有一個很大的提升。
4.3燃料電池發動機系統集成化設計
其中主要是要解決電堆目前偏平化的設計,進行集成設計,將其控制系統及冷卻系統進行集成,采用框架設計結構,將動力系統主要部件,如冷卻水泵、風機、控制單元等進行前艙集中布置。采用此方案可以解決乘員乘坐舒適性以及實現合理分配前艙流場,這將在很大程度上改善燃料電池轎車散熱能力。
4.4儲氫系統的布置解決方式
首先在目前國內儲氫瓶的規格狀態下,改變現有的氫瓶布置方式,將儲氫系統包括管路進行集成模塊化設計,裝配采用模塊化裝配。對儲氫系統模塊的碰撞安全進行整體整體考慮,后端增加防撞梁,氫瓶的安裝改變原來的方鋼矩形框架,采用H型的高強度托臂梁。仿真結果顯示,此種方式后部碰撞非常理想,氫瓶及管路系統沒有受到破壞。其次,當氫瓶規格可以按照客戶要求進行設計生產時,結合滑板式底盤平臺,氫瓶將可能實現前移,有效解決后碰撞的安全保護及行李艙空間問題。
5、結語
本文結合某品牌燃料電池轎車總布置設計中的幾個重要參數,分析了燃料電池轎車總布置設計中存在的若干問題,提出了燃料電池轎車開發中總布置設計中的一些開發方向及措施,對后續燃料電池轎車總布置設計的改進及提升整車性能指標具有一定的參考作用。
參考文獻
1陳全世,仇斌,謝起成.燃料電池電動汽車[M].北京:清華大學出版社,2005.5.
2余志生.汽車理論[M].北京:機械工業出版社,2000.10.
3樂玉漢.汽車車身設計[M].北京:高等教育出版社,2000.7.
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