氢燃料与纯电动汽车平台模块化研究

  • 胡宏喜
  • 2021-01-25 16:18:01
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平台模块化技术有利于系列产品的开发,提高产品性能。本文就基于纯铝架构车身开发纯电动汽车与氢燃料电池汽车通用化平台开发进行可行性分析。

作者 | 胡宏喜

来源 | 鸿隼汽车科技

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摘要:氢能源作为未来社会能源的有效解决方案在目前研究领域占据及其重要的位置。氢燃料电池汽车作为汽车电动化、低碳化的研究方向,对于改善未来能源结构,发展低碳交通意义深远 [1]。平台模块化技术有利于系列产品的开发,提高产品性能。本文就基于纯铝架构车身开发纯电动汽车与氢燃料电池汽车通用化平台开发进行可行性分析。
关键词:氢能源 低碳化 平台模块化 电动汽车
氢燃料电池在 20 世纪 60 年代已经成功应用于航天领域 [2],并取得了巨大的成功。随着人们不断地掌握多种先进的制氢技术,很快,氢燃料电池就被运用于发电和汽车。氢燃料电池汽车零排放,且一次加氢续驶里程长,加氢时间短,相当于汽油车,一直以来被作为新能源汽车技术路线之一。和普通的化学电池相比,氢燃料电池补充燃料的时间大致是 3 ~ 5min,不像电动汽车需要几个小时,哪怕最快也需要半个小时以上,且氢燃料电池的能源转化率比汽油车高出一倍之多,达到 70%,其燃烧产物是为纯水,从理论上来看,氢燃料电池非常适合应用于新能源汽车。因此,基于纯铝车身开发纯电动汽车与氢燃料汽车的通用化平台是极具发展前景的,氢燃料汽车与纯电动汽车平台化是未来汽车发展的必然趋势。
2、纯电动车型平台化发展历程
纯电动汽车平台基于传统燃油车的平台进行开发,以传统燃油车平台为基础,根据新的需求局部改造。“油改电”这种做法虽然节省了成本,但随之也会带来诸多限制,如续航里程受限、汽车动力性、内部空间以及舒适性受限。其中最令驾乘者担忧的是“油改电”汽车往往存在底盘不稳定的问题,电池安全性也存在极大地隐患。目前,国内外不少车企已经建立了纯电动汽车的专用平台,而氢燃料汽车产品则处于起步阶段,开发出纯电动汽车平台与氢燃料汽车的通用化平台将大大减小生产成本,提高开发效率,可避免目前由油改电所存在的问题。因此,研究出纯电动汽车平台和氢燃料汽车平台的通用化平台是十分必要的。特斯拉早在 2008 年就推出了首款纯电动汽车 Tesla Roadster,2012 年特斯拉发布Model S,这是市场上第一款豪华电动汽车;通用 2016 年推出的纯电动车 BOLT 是基于Gamma G2SC 平台;大众一直致力于旗下汽车的平台化建设,已经建立的汽车平台包括 NSF、MQB、MLB、MSB 以 及 MEB; 沃尔沃已经推出了 SPA(扩展性产品架构)和CMA(紧凑级模块化架构)两大平台,目前沃尔沃正在打造全新的电动车平台 MEB。总之,改造平台只是过渡产品,打造电动汽车专属平台才是未来主流趋势。而基于纯铝车身开发兼容纯电动汽车以及氢燃料汽车的通用化平台势在必行。
3、氢燃料与纯电动汽车主要技术差异
3.1 纯电动汽车采用单一蓄电池作为储能动力源,通过电池向电机提供电能,驱动电机运行,从而驱使汽车前进。其最大的优势在于无污染、噪音小、对环境保护极其有益。此外,纯电动汽车较内燃机汽车结构简单,运转、传动部件少,维修与保养量少。氢燃料汽车则是采用燃料电池驱动,燃料电池是利用氢气与空气中的氧气在催化剂的作用下,在燃料电池中经过电化学反应将化学能转化为电能,电化学反应采用的还原剂一般为氢气,氧化剂则采用氧气。纯电动汽车完全充电时间至少需要 7-8 小时,氢燃料电池车加氢时间只需 3.5 分钟左右,而且氢燃料汽车在一次加氢后的续航里程远远高于纯电动汽车。Research on Modularization of Hydrogen Fuel and Pure Electric Vehicle PlatformHu Hongxi Yan Zhichao Wang JinqiaoAbstract:Hydrogen energy as an effective solution of future social energy has always occupied an important position in the current research field. As the research direction of EV electrification and low carbonization, hydrogen fuel cell vehicle has far-reaching significance for improving the future energy structure and developing low-carbon transportation. At present, most pure electric vehicles are developed on the platform of traditional fuel vehicles. The modular technology of the platform is conducive to the development of a series of products and the improvement of product performance. This paper analyzes the feasibility of developing a universal platform for pure electric vehicle and hydrogen fuel cell vehicle based on pure aluminum body.Key words:hydrogen energy, low carbon, platform modularization, electric vehicle
3.2 纯电动汽车的动力来源为动力电池,通过充电的方式给动力电池蓄电,由动力电池向电机控制器供电,再由电机控制器控制电机,从而实现车辆运行;而氢燃料电池则经过氢气与氧气发生化学反应产生电能,继而向电机控制器供电,从而驱动电机,电力来源方面有着本质差异。氢燃料汽车中的电池与纯电动汽车中的动力电池容量也有巨大的差异,氢燃料汽车中的电池只用来向低压电器供电及氢燃料电池前期启动前的整车需求,而纯电动汽车的电池则属于高压系统,向驱动系统供电。

(图 1 纯电动汽车高压工作原理电网、电源充电控制器 动力电池 电机控制器 电机

图 2 氢燃料电池汽车高压工作原理加氢站供氢氢气罐氧气燃料电池堆 电池DC/DC 电机控制器 电机)

4、氢燃料与纯电动汽车结构差异目前,市场上已出现多款氢能源汽车。以丰田 Mirai 为例,其结构组成如图 3 所示,

其主要组成有动力控制单元、驱动电机、燃料电池堆栈、高压储氢罐、燃料电池升压器、动力电池、高压储氢罐等。又如本田 FC-CLARITY, 其主要组成有动力控制单元、驱动散热器、燃料电池散热器、空气泵、燃料电池堆栈、锂电子电池、燃料电池冷却泵、氢气罐、超级电容器、高压氢气罐等。图 3 丰田 Mirai 总体布置结构根据目前现有的布置形式,分析得出氢燃料电池汽车与纯电动汽车的结构差异主要是在前舱结构和下部车身区域(电池、DCDC、高压储氢罐)的差异。

5、氢燃料汽车平台模块化
5.1 根据模块化划分,氢燃料汽车和纯电动汽车的主要差异模块主要在:前舱模块、电池模块、后排人机模块、后驱动模块。纯电动汽车前舱主要有驱动系统、真空系统、制动系统,而氢燃料汽车前舱需要布置动力控制单元、空气泵等特有零部件,所以其前舱结构与纯电动汽车不同。纯电动汽车的电池模块主要布置动力电池,而氢燃料汽车电池模块主要布置燃料电池堆栈,锂电子电池、氢气罐,其主要差异点在于 Z 向高度的差异。纯电动汽车电池的Z 向高度在 150mm ~ 250mm 之间,而氢气瓶的 Z 向高度在 300mm ~ 400mm 之间,长800mm ~ 850mm 这导致氢燃料汽车在布置后排人机的时候,需要将后排 Z 向整体提高,这导致整个电池模块及后驱动系统的布局结构存在差异。

图 5 氢燃料电池汽车模块划分

5.1.1 前舱模块平台化技术路径纯电动汽车模块构成:增程器、电驱系统、蓄电池、空滤、各种液罐、电器盒、真空助力器、ABS/ESP、MCU、DCDC、充电机、前纵梁、高压接线盒、水泵、电动压缩机、电子真空泵等。氢燃料汽车模块构成:空气泵、氢气泵、电堆、空滤、各种液罐、真空助力器、ABS/ESC、前纵梁、电子真空泵、电动压缩机等。平台化方案:针对前舱结构差异,同步规划两种车型前舱模块结构,不改变车身纵梁安装点,可整体切换氢燃料汽车与纯电动汽车前舱模块。
5.1.2 电池模块平台化技术路径纯电动汽车模块构成:电池、高压线。氢 燃 料 汽 车 模 块 构 成:燃 料 电 池、DCDC、氢气瓶。平台化方案:将氢燃料电池、电器控制器、氢气瓶统一布置在车辆地板下方,新增支架固定,将控制器、电池固定于车身,共用车身安装点。
5.1.3 后排人机模块平台化技术路径纯电动汽车模块构成:后排座椅、中底板、后排人体等。氢燃料汽车模块构成:后排座椅、中底板、后排人体等。平台化方案:②轴距的调整:通过调整门槛及中地板长度实现。②后排人体布置的调整:H 点调整(高、低坐姿),靠背和坐垫随人体调整。因氢气瓶体积较大,在考虑通用化平台时需将中底板在纯电动汽车的基础上随车型需求进行互换及调整,后排座椅、后排人体抬高一起调整,
5.1.4 后驱动模块平台化技术路径纯电动汽车模块构成:三合一驱动电机、充电机、驱动轴、后消音器、高压接线盒等。氢燃料汽车模块构成:三合一驱动电机、充电机、驱动轴、后消音器、高压接线盒、氢气瓶等。平台化方案:三合一驱动、充电机、驱动轴、高压接线盒等布置位置可共用,氢气瓶布置于车身尾部,新开发氢气瓶支架固定于车身后底板及后副车架,车身后底板差异开发。

6、某氢燃料电池汽车结构氢气泵
电池 氢气瓶 氢气瓶三合一电机 电器控制器空气泵电堆机的布置形式,或者电机与减速器、差速器,半轴或车轮等连接关系,如采用轮边电机、中央电机,双电机或单电机等结构。集成设计主要是为了轻量化的需求,传动轴、制动系统和冷却润滑系统的的改进主要是达到提高可靠性的要求。目前电动汽车生产成本较高,降低生产成本是未来电动汽车发展的重要方向,从图可见满足轻量化要求的技术功效的专利较少,主要集中在电机的改进,企业可以体积较大、重量较重的部件为出发点,如差速器、变速器和传动轴等关键部件进行改进及研发,简化结构,并开展专利布局,在技术空白点建立竞争优势。
7 电动车桥重点专利分析根据专利申请及其同族的被引频次、国家布局数量、是否发生诉讼、许可、转让等因素,综合判断专利的重要性。表 1 从同族的被引频次、国家布局数量、是否发生诉讼、许可、转让等因素分析得到的重点专利,重点专利均为外国专利,且申请日期较早,这与国外电动汽车起步较早,专利申请较早密切相关。专利解决的技术问题主要为:冷却润滑、提高传动效率、小型化等,且上述专利大部分为过期或者失效专利,侵权风险较小,我国相关企业可结合自身研发中遇到的问题,参考借鉴上述专利中的技术,提高研发起点。
8 总结
本文通过对汽车电动车桥关键技术的专利申请进行多角度统计分析,包括专利申请趋势、专利地区分布、专利技术分布、主要专利申请人和重要竞争对手分析等,绘制了汽车电动车桥技术功效矩阵,剖析了重点专利技术和竞争对手技术研发情况,为企业明确汽车电动车桥专利壁垒情况、明晰自身汽车电动车桥研发定位、制定与竞争对手博弈的技术路线等提供竞争情报支撑。
9、结束语
根据氢燃料汽车的特点,结合纯电动汽车平台化开发经验,统一规划氢燃料汽车、纯电动汽车平台模块化。氢燃料与纯电动汽车的通用化平台将极大的减小开发成本,避免“油改电”模式的带来的弊端,其平台寿命及扩展性都较纯电动汽车平台有所提高。平台化模块化方案能衍生的产品更加丰富且开发成本也明显降低。目前,影响氢燃料电池汽车的发展障碍主要集中在:1、氢燃料的储运 2、金属铂的稀缺 3、加氢站的数量稀少。在未来以分布式为主、零排放为特征的能源主体架构中,氢燃料电池汽车会与纯电动汽车长期并存、互补,共同满足交通运输和人们出行的需要。随着基础设施逐渐完善,以及技术不断提升,具备高效率、低污染和长续航等优势的氢燃料电池汽车将得到快速发展,并最终成为新能源汽车产业不可或缺的一部分。
参考文献 :

[1] 张进华 . 推进氢燃料电池汽车发展政府推动和引导至关重要 [J]. 时代汽车,2017(4):10-11.[2] 张戈,杨艳红,刘峰 . 我国氢燃料电池汽车标准体系的现状和分析 [J]. 重庆理工大学学报(自然科学),2018(12).[3] 陈子晃 . 浅析纯电动新能源汽车整车正向开发总布置设计 [J]. 机电技术,2017(1):107-109.