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

doi:10.19562/j.chinasae.qcgc.2022.08.008

Abstract

Abstract:

According to the development requirements of high performance， long driving range and low cost for the powertrain of heavy commercial vehicles， a technical scheme for the distributed drive heavy commercial vehicles with liquid hydrogen fuel cell is proposed in this paper. In the scheme， many innovative technologies are applied， including high-power fuel cell system， large-capacity onboard liquid-hydrogen storage and supply system and distributed electric wheel drive system. Based on the design and matching techniques of fuel cell system， the first domestically publicized hundred-kilowatt-level fuel cell system （109 kW） is developed. Based on the breakthrough of key technologies such as onboard liquid hydrogen tank design， liquid hydrogen carburetor design and onboard liquid hydrogen BOG treatment and full system safety monitoring， the domestically first set on-board large-capacity liquid hydrogen storage and supply system （60 kg/110 kg） is developed. Based on the innovations in the magneto-thermal design， configuration design and integrated design of hub-motors， the electric wheels suitable for the double-tire assembled wheel for heavy vehicles are developed with a peak torque of single electric wheel of 16 000 N·m， a short-term peak torque of 18 000 N·m and a peak torque density of 60 N·m/kg. Based on the key technologies of components mentioned above， the world's first distributed drive liquid hydrogen fuel cell heavy commercial vehicle is developed， with a designed driving range of more than 1 000 km. The road tests on the 35 t and 49 t heavy commercial vehicle developed are carried out to verify the technical feasibility of liquid hydrogen storage， powertrain and distributed electric drive system， exploring the feasible direction of the electrification of heavy commercial vehicles.

Key words: heavy commercial vehicles, liquid hydrogen fuel cell, distributed drive, new energy commercial vehicles

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Figures/Tables 39

储氢瓶	Ⅳ型瓶35 MPa	Ⅳ型瓶70 MPa	液氢储氢
气瓶规格/L	390	135	1 000
瓶罐数量	6	10	1
储氢量/kg	$~$ 56	$~$ 54	$~$ 63
全系统储氢密度/wt%	$~$ 5.2	$~$ 4.2	$~$ 8.5
系统总成本/万元	$~$ 20	$~$ 70	$~$ 18（研制）
其他	储氢质量密度较高，但体积密度低	储氢密度较高，但碳纤维降成本困难	储氢密度最高，零部件国产化可快速降成本

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公司	产品	燃料电池功率/kW	续驶里程/km
一汽	半挂牵引车	100	370
北奔	环卫重卡	150	350
东风	“天龙KL”	110	450
重汽	“黄河”	162	560
现代	“XCIENT”	180	400
丰田	“Beta FCET”	160	483

参数	数值（35 t级/49 t级车型）
整车质量/kg	35 000/49 000
驱动方式	8×4 / 6×4
动力系统峰值功率/kW	500/700
单电动轮峰值转矩/（N·m）	16 000
持续最高车速/（km·h^-1）	80/90
峰值最高车速/（km·h^-1）	100
续驶里程/km	500/1 000
最大爬坡度/%	25/20
液氢系统携氢量/kg	60/100
液氢日蒸发率/%	＜6

参数	数值（35 t级/49 t级车型）
工作电压范围/V	450~720
额定电压/V	627.8
额定容量/（A·h）	156
额定电量/（kW·h）	73.5
最大持续放电功率/kW	196/147
最大峰值放电功率/kW	480/700
最大持续充电功率/kW	98/73.5
最大峰值充电功率/kW	240/365
标准快放倍率	1C
快充倍率	1C

参数	数值
电机与减速器配置	中速电机一级减速
电机类型	内转子电机
承载方式	电机壳体不承力
制动系统类型	鼓式制动
驱动电机峰值功率/kW	180
驱动电机额定功率/kW	60
驱动电机短时峰值转矩/（N·m）	2 200
驱动电机峰值转矩/（N·m）	2 000
驱动电机额定转矩/（N·m）	1 200
驱动电机最高转速/（r·min^-1）	4 300
减速器减速比	8.7

仿真结果	35 t级载货车	49 t级牵引车
C-WTVC循环总距离/km	615.3	768.7
100 km等效氢耗/kg	10.80	14.91

Design, Analysis and Validation of Novel Distributed Drive Liquid Hydrogen Fuel Cell Heavy Commercial Vehicles

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参数	第一代系统	第二代系统
系统功率/kW	109	240
电堆功率密度/（kW·L^-1）	2.32	3.5
电堆耐久性/h	>10 000	20 000
燃料电池系统最高效率/%	56	>60
冷启动能力/℃	-30	-35

参数	数值（35 t级/49 t级车型）
总携氢量/kg	60/110
液氢瓶设计压力/MPa	1.6
液氢瓶工作压力/MPa	0.7~0.9
停放工况安全阀开启压力/MPa	1.6
24 h静态蒸发率/%	≤6
30 kg液氢瓶+阀箱质量/kg	310
80 kg液氢瓶+阀箱质量/kg	750

参数	数值
标准大气压饱和密度/（kg·m^-3）	70.85
流量计校正系数	1
液氢瓶有效容积/L	443
平均流量/（L·min^-1）	14.85
试验环境压力下饱和液体汽化潜热/（kJ·kg^-1）	446.35
标准大气压力下饱和液体汽化潜热/（kJ·kg^-1）	448.71
标准大气压下饱和液体温度/K	20.85
试验日平均环境温度/K	308.15
试验日被检件平均压力对应饱和温度/K	78.26
静态蒸发率/（%·d^-1）	5.44

目标性能指标	试验结果
驱动方式8×4	8×4
动力系统峰值功率500 kW	541 kW
持续最高车速80 km/h	80.7 km/h
峰值最高车速100 km/h	100.8 km/h
续驶里程500 km	等效789 km

目标性能指标	试验结果
驱动方式6×4	6×4
动力系统峰值功率700 kW	783 kW
持续最高车速90 km/h	92.0 km/h
峰值最高车速100 km/h	100.3 km/h
续驶里程1 000 km	等效1 042 km

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