基于氢燃料电池底盘的解耦驱动式洗扫车关键技术研发与应用

李晓东， 王得蛟

（1.甘肃建投重工科技有限公司；2.甘肃省专用车辆工程研究中心，甘肃 兰州 730000）

习近平总书记于2020年9月，在第七十五届联合国大会上发表重要讲话：“中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。”同时作为《巴黎协定》缔约方之一的中国，如何解决化石能源的燃烧排放源成为最关键的任务。2021年10月26日，国务院印发了《2030年前碳达峰行动方案》，其中共有11处提及氢能，主要是倡导加快利用氢能实现绿色低碳，加快氢能技术研发和示范应用，在工业、交通运输、建筑等领域规模化应用。人类能源进程史是一个能量密度不断提升过程，从化学角度分析也是碳氢比的调整过程，从柴薪时代碳氢元素比10:1，到蒸汽煤炭时代碳氢元素比2:1，到工业革命后的石油时代碳氢元素比1:2，氢含量越高，能量密度越高，氢极有可能成为未来能源体系中的重要组成部分。燃料电池汽车作为新能源车辆的其中一个重要分支，具有零碳排放、续航里程长、加注时间短、冷启动温度低等优势。在国家“双碳”战略背景下，在人口聚集的城市内以及作业时间较长的洗扫车场景具有很好的应用前景和价值。本文以氢燃料电池底盘洗扫车为例，介绍氢燃料电池专用车辆的技术原理及技术特点。

1 氢燃料电池汽车发展背景

从2001年开始，燃料电池汽车已经作为新能源汽车“三纵三横”体系中的一项，作为国家重大专项开始规划，随着《新能源“十四五”国家战略性新兴产业发展规划》、《2030年前碳达峰行动方案》以及《中国氢能源及燃料电池产业白皮书》等国家政策性文件的发布实施，已经从国家层面推动开展燃料电池汽车示范应用，鼓励各城市组群申报国家氢能示范城市，中央财政对氢能示范城市和核心技术开发予以奖励，国家地方联手推动氢能产业形成中国力量。目前北京市大兴区联合海淀、昌平、经开区、延庆、顺义、房山等6个区，天津滨海新区，河北省保定市、唐山市，山东省滨州市、淄博市等12个城市区组成京津冀氢燃料电池汽车示范城市群；上海市联合江苏省苏州市、南通市、浙江省嘉兴市、山东省淄博市、宁夏灵武市、内蒙古自治区鄂尔多斯市等6个城市（区）组建上海城市群；广东省佛山市联合省内的广州市、深圳市、珠海市、东莞市、中山市、阳江市、云浮市，以及福建省福州市、山东省淄博市、内蒙古自治区包头市、安徽省六安市等地组建广东氢燃料电池汽车示范城市群。

氢燃料电池汽车已从以往的实验室测试逐渐进入日常的普通生活环境，逐步开始了产业化、规模化。

2 氢燃料电池洗扫车对比纯电动洗扫车

氢燃料电池专用车与纯电动专用车在某些方面具有共同的优点，如加速性能优良、车辆运行噪声小、运行时无污染排放物等，但是氢燃料电池动力系统的专用车又优化了纯电动专用车的某些缺点与不足。下文以18T氢燃料电池洗扫车与18T纯电动洗扫车为例进行对比。

从表1可以看出，氢燃料电池洗扫车加氢时间短，续航里程高，空载情况下整车质量轻，因氢燃料电池动力系统在动力性上跟发动机类似，所以过载能力强，更适合于车辆的重载、爬坡等工况。燃料电池的短时过载能力可达200%的额定功率，而纯电动汽车主要依靠电池储能放电，过载能力不强。

表1 氢燃料电池洗扫车与纯电动洗扫车的对比

除此之外，从能量来源角度来说，纯电动专用车充电用的电能主要来源是国家电网，而国家电网目前主要是依靠煤炭发电，氢燃料电池专用车用的氢气可使用电解水制氢，此制氢方法对电能品质没有过高要求，因此可使用废弃风电、光伏等绿电制氢，或采用工业副产氢等，所以对于主要依靠煤炭发电的国家，纯电动车辆的增加对于二氧化碳的排放并没有多少帮助。

其次，从绿色环保角度来说，纯电动专用车的动力电池不论何种组成成分，其电解液都具有一定污染性，其电池目前回收再循环较困难，而氢燃料电池专用车在产品生命周期结束后可无污染回收，所以氢燃料电池专用车相对于纯电动专用车具有全生命周期绿色环保的优势。

3 氢燃料电池洗扫车控制技术

本文将氢燃料电池洗扫车动力系统与控制系统分为两部分，分别为：底盘动力系统原理与上装解耦动力控制系统。

3.1 底盘动力系统原理

氢燃料电池动力系统基本原理是电解水的逆反应，把氢和氧分别供给阳极和阴极，氢通过阳极向外扩散和电解质发生反应后，1个氢分子解离为2个氢质子，并释放出2个电子，放出的电子通过外部的负载到达阴极。在阴极催化剂的作用下，氧分子和氢离子与通过外电路到达阴极的电子发生反应生成水，而整个反应过程中电子的移动实际上在外电路就形成了直流电，因此，只要源源不断地向燃料电池阳极和阴极供给氢气和氧气，就可以向外电路的负载连续地输出电能，如图1所示。

图1 氢燃料电池工作原理图

氢燃料电池底盘系统除了原有的底盘传动机械结构以及驾驶室、制动等，氢燃料电池系统主要由空气系统、氢气系统、冷却系统、控制系统和电堆组成，氢燃料电池主要系统组成如图2所示。

图2 氢燃料电池主要系统组成图

氢燃料电池汽车动力系统主要由燃料电池系统（含车载供氢系统）、动力电池系统、电驱动系统（含电机及电机控制器）和整车控制系统组成，系统组成示意如图3所示。

图3 氢燃料电池汽车组成示意图

3.2 电电（电堆-电池）混合控制技术模式

氢燃料电池洗扫车底盘采用电机直驱模式，与传统车相比，减少了离合器等部件，结构更简单，效率更高，该洗扫车根据实际需求可运行于纯电动状态和燃料电池与动力电池电电混合状态。

电电混合燃料电池汽车在行驶过程中所需要的动力由燃料电池和储能电池共同提供。由于燃料电池系统和储能电池系统在不同的工作状态都表现出不同的效率，这两者之间如何进行分配最终会影响到车辆的氢消耗量及动力性能。因此针对燃料电池汽车的电电混合动力系统，采用燃料电池串联DC/DC，然后与储能电池并联的并联式结构，开发多领域物理模型并针对性模型解耦；建立燃料电池、DC/DC和驱动电机等部件动态效率特性和最佳经济工作区模型；针对不同数据模型状态设计观测器或者采集装置，对重要状态量实时测量或者估计，标定燃料电池和储能电池能量消耗、SOC和最佳工作区等不同目标，采用动态规划、二次规划和基于小波的功率分流等不同优化算法给出不同控制策略；设计出整车的电电混合动力系统，并和整车的其他系统进行一体化设计集成，优化整车布局。目前优化算法在整车中进行如下工作。

当氢燃料电池洗扫车运行于纯电动状态时，燃料电池系统不工作。车辆行驶时，动力电池将提供电能给驱动电机将储存的电能转化成机械能，驱动整车行驶与上装作业；车辆制动时，驱动电机将制动产生的能量转化为电能储存到动力电池中去，从而减少能量的损失，达到节能的效果。

当氢燃料电池洗扫车运行于燃料电池与动力电池电电混合状态时，燃料电池工作方式根据动力电池荷电状态SOC确定，当动力电池荷电状态低于60%时，燃料电池以额定功率发电；当动力电池荷电状态在60%～80%之间时，燃料电池以经济模式发电；当动力电池荷电状态大于80%时，燃料电池怠速或停机。

根据燃料电池、驱动电机、动力电池的能量输出输入状态，燃料电池工作时能量流状态分为3种，具体如图4所示。

1）当电机电流需求大于燃料电池发电电流时，燃料电池和动力电池同时向电机提供驱动电流，如图4a所示。

2）当电机电流需求小于燃料电池发电电流时，燃料电池驱动电机的同时向动力电池充电，如图4b所示。

3）当电机制动回馈电流时，燃料电池和电机同时向动力电池充电，电机控制器适时调节制动回馈电流，以保证电池充电总电流不超过动力电池限值，如图4c所示。

图4 动力系统能量流向图

4 上装解耦动力及其分体控制系统

传统燃油型洗扫车与纯电动洗扫车上装动力系统一般采用单套副发动机或单套上装电机，由底盘供油或者供高压直流电来驱动上装所有功能系统，当洗扫车任意一项或多项功能启动时，上装电机或副发动机作为其唯一动力源，必须以一定转速功率启动驱动上装功能使其正常运转，在实际工作过程中，一般不会打开所有上装功能。通常情况下，洗扫车的主要组合功能模式有：清洗模式，即只打开前冲洗与后冲洗机构；扫路模式，即只打开扫盘相关功能与吸尘风机；洗扫模式，即前两种模式的综合。

洗扫车的分解分项功能一般有：箱体升降、箱门开关、左右扫盘升降、吸尘吸盘升降及低压自洁等分项功能。例如污水箱满时，倾倒污水箱的正常流程是打开后盖，箱体举升油缸举升，倾倒污水垃圾，箱体举升油缸回落，完成动作。在此期间，每一时间段只有一项功能运行，且其他系统功能一般是关闭的，而目前传统环卫专用车辆动力系统及操作系统因没有变频系统的参与，通常会将上装驱动电机或上装副发动机设置为恒定低中高3段功率转速，所以正常作业情况下，只单一开启某一项或几项功能时，会造成功率的不足或过剩，从而导致作业效率不高或者增加无用的油耗与电耗，对于氢燃料电池专用车或纯电动专用车弊端更大，电耗的累计会缩小专用车的作业里程。而优化后的上装动力解耦系统有效地解决此类缺点，将单套上装动力电机视情况分解为两套或多套上装动力电机，每个动力电机根据情况分别对特定的单项或多项功能提供动力，分体驱动，控制解耦，互不影响，同时减少变速齿轮箱、传动皮带等能量传递机构的动能传递损耗，达到电机直接驱动，降低了故障率、噪声，同时增加检修时的安全性以及复杂性。以洗扫车为例的分体驱动控制动力原理图如图5所示。

图5 洗扫车分体驱动控制动力原理图

底盘动力系统网络与上装动力系统网络使用国际标准的汽车现场总线CAN协议，相对于传统CAN总线通信及控制网络，协议相当于另外增加了一套电机控制器逻辑，整体控制难度并未增加太多。以洗扫车为例的分体驱动控制CAN总线通信及控制网络原理图如图6所示。

图6 洗扫车的分体驱动CAN网络原理图

通过已有的采用两套不同上装动力系统同一底盘型号的纯电动洗扫车实际测试结果对比表明，分体驱动式纯电动洗扫车较单电机系统同路段综合平均功耗低13%左右，可得同等工况下作业时长多13%左右，如图7所示，一定程度上提高了工作效率的同时节约了能耗，同时提高了经济效益。

图7 洗扫车的不同上装系统能耗对比

4 氢燃料电池专用车目前存在的问题

氢燃料电池动力技术随着国内目前技术水平的快速发展，氢燃料电池动力系统从其石墨基或金属基双极电堆、膜电极、质子交互膜等核心材料，到其氢循环泵、大电流高功率密度的DC/DC、反应堆增湿器、碳纤维储氢瓶等核心配件，再到多合一集成控制器、FCU等算法控制器都已经逐步突破了国外的技术封锁，实现了100%的国产化，制氢产氢成本也已达到了国际平均水平，但是由于氢气的化学及物理特性决定了其存储、运输难，以及加氢站的建设成本一直居高不下，导致了氢燃料电池汽车的基础配套设施不全，限制了其进一步的市场化。

5 结语

本文通过介绍氢燃料电池洗扫车底盘动力系统原理与上装解耦动力控制系统的设计原理，同时对比了同类型纯电动洗扫车的参数性能，可以发现其在具有纯电动洗扫车加速快、噪声小等优势的同时，还解决了纯电动洗扫车充电慢、续航短、过载能力差及低温冷启动性能差等缺点。由于目前配套设施问题，氢燃料电池动力车辆还未规模化应用，但是目前国家也已出台相关政策，健全现行机制，大力推广试运行示范区，推进能源多样化多元化，相信氢能源动力汽车会如同纯电动汽车一样发展迅速。未来，随着加氢站等基础设施得到进一步完善，我国氢能产业将迎来新的机遇。