智能燃料电池—插电式混合动力系统

C.MOHRDIECK S.DEHN

Daimler公司搭载新款Mercedes-Benz GLC F-Cell型燃料电池的新一代燃料电池汽车将投放市场。由于采用了全新的部件和配置，该车型比原车型更为高效和紧凑。同时，插电式混合动力技术、锂离子电池和精确的行驶程序有助于巩固其新能源汽车的市场地位。

燃料电池;插电式混合动力;锂离子电池

0 前言

燃料电池技术是Daimler公司在汽车动力总成系统领域的核心产业。燃料电池汽车具有以下优势：补充燃料时间短，应用领域广，同时具有较长的行驶里程。公司旗下Mercedes-Benz F-Cell型燃料电池B级汽车和Citaro型燃料电池-混合动力城市客车等车型的累计行驶里程已超过1.2×10 7 km。

目前， Daimler公司与其全球合作伙伴、德国的NuCellSys 公司和加拿大温哥华的某家汽车燃料电池公司已合作开发出1款结构紧凑的新型燃料电池装置。该款燃料电池装置相比其他同类产品结构更为紧凑，并且能整体布置于发动机舱内。同时，由于燃料电池堆中的Pt含量减少了90%，从而显著降低了成本。

此外，GLC F-Cell车型在全球范围内首开先河，配装了锂离子电池作为辅助电源。通过这一技术调整，可同时由2个电源为驱动电机供电，并有效满足了零排放的技术要求。较长的行驶里程、较短的加油时间、147 kW的输出功率和最新一代的辅助系统，使得GLC F-Cell燃料电池汽车逐渐成为适于全天侯使用的家用电动车。

1 新型Mercedes-Benz GLC F-Cell燃料电池装置

与F-Cell燃料电池汽车中的传统燃料电池系统相比，这款新型燃料电池装置体积尺寸减小了约30%，适合于安装在无多层地板的普通发动机舱内（图1），并且还进一步提高了氢能转换成电能的效率。作为燃料电池装置中最重要的部件，燃料电池堆近年来已在质量、体积和Pt含量等方面取得了明显的技术进步，同时也改善了空气供应方式。该款燃料电池同时采用了配装有排气涡轮的电动涡轮增压器，其特点是比传统燃料电池系统中使用的螺旋式压缩机更紧凑，效率更高，并且具有更优异的噪声-振动-平顺性（NVH）。

燃料电池装置由燃料电池堆和外部的壳体组成，外部壳体同时可用于装配辅助部件。空气滤清器布设于燃料电池装置的上方，可将吸入的空气进一步导入涡轮压气机。空气被压缩后流经充电冷却器，最后通过被动加湿系统抽走燃料电池排气中的湿气。湿气中的部分氧与氢发生反应并产生电能，剩余的燃料电池排气与反应生成的水积聚在一起后又流经加湿系统和充电冷却器的冷侧，然后排气流经涡轮增压器的排气涡轮，以实现能量回收，从而减少电机消耗的电功率。Mercedes-Benz GLC F-Cell燃料电池装置如图2所示。

整个氢再循环系统被集成在燃料电池堆壳体介质的进口侧和出口侧。氢再循环系统配装了1个喷射泵系统。与传统燃料电池系统相比，该系统无需采用主动式的再循环鼓风机，以此改善了系统总效率，并且降低了对燃料电池功率的要求[1]。在电能方面，采用直流/直流变压器可使燃料电池不断变化的电压充分适应车辆的高电压回路。与内燃机相似，燃料电池装置中也配备了冷却剂输送泵和节温器，用于冷却循环回路的离子交换器则布设于燃料电池装置的上方，以此具有更好的可达性。表1列出了Mercedes-Benz GLC F-Cell燃料电池装置的技术参数。

研究人员主要的开发目标之一是使燃料电池装置的体积减小30%，以便使整个装置可安装在传统的发动机舱内。研究人员通过优化设计可将燃料电池堆和其他辅助部件合理配装在预设的空间内，但由此会缩短管道和导线长度，使装置结构型式更为紧凑，其他子系统也须实现高度集成。而在传统燃料电池系统中，燃料电池堆往往布设于车辆的多层地板上，而空气供应单元则被安装在车辆前部。

提升装置功率密度的关键在于燃料电池堆。为对该领域进行技术优化，须减小质子阻力。研究人员可通过采用更薄的高分子聚合物电解质薄膜并改善薄膜的化学成分而实现。进一步的优化效果则通过改善双极板的形状和优化燃料电池运行条件而实现。

通过上述措施，燃料电池堆的功率密度能得以有效改善。除了装置的体积尺寸更为轻小之外，在质量方面也有所改善，比传统燃料电池系统减重约25%。

Mercedes-Benz GLC F-Cell车型采用的燃料电池装置的主要创新点是采用了整體式承载结构，由此可将数种功能集于一体。燃料电池堆的壳体可在车辆发生交通事故时，减缓外部冲击，从而避免电池损坏。此外，这种承载结构装备了2个支承臂，连接到车辆电机的机座旁。研究人员将电池布设于该承载结构的中后部，借助于介质分配器板而封闭开口侧（图3）。上述部件的功能是确保燃料电池堆顺利输入和输出空气、氢和冷却剂，而且使整个氢再循环回路完全集成在介质分配器中，空气压缩机等所有其他部件都能紧凑地布置于整体式承载结构中。

除了对燃料电池堆进行改良之外，在Mercedes-Benz GLC F-Cell车型所采用的燃料电池装置中还使用了1种全新的空气供应单元[2]，并通过电动涡轮增压器（图4）替代早期使用的螺旋式压缩机。这种空气供应系统由离心式压缩机、电驱动装置和排气涡轮组成，被集成安装在1根公用的金属轴上。与传统燃料电池的空气供应单元相比，该系统除有效减少了安装空间，通过采用电动涡轮增压器也相应改善了振动和噪声[3]，并且压缩空气的供应效率也有所提高。该空气供应系统不仅有着紧凑的结构型式，并且有助于提高整个装置的功率密度，而且排气涡轮能使空气供应系统从燃料电池排气中回收能量。

该空气供应系统具有2项显著优势。回收的功率减少了空气供应单元消耗的电功率，尤其在70%的工况范围内会影响到燃料电池系统的最大功率。同时，车辆热临界稳态运行工况点也正处于该运行范围内。此类运行工况点对于冷却系统的设计可谓至关重要，因此在这些运行工况点上应尽可能降低废热。研究人员通过使用排气涡轮以减轻燃料电池堆的电负荷，从而使所产生的废热减少约5%，并可使燃料电池系统输出的总功率保持不变。其次，排气涡轮可减少空气供应单元消耗的功率，并相应减少燃料电池的安装面积，由此不仅节省了安装空间，并且节约了成本。通过排气涡轮两大优势的补偿可使燃料电池有效面积增大约15%。

与燃料电池堆和车辆高电压系统相比，新款燃料电池装置的直流/直流变压器具有独到的优势。其可使随加载负荷而变化的燃料电池电压与车载电网的电压相适应，由此可相应调整车载燃料电池的数量，在封装和降低成本等方面具有一定优势。该直流/直流变压器的峰值效率可超过98%。

除此之外，燃料电池电压与其余的车载高电压电网也可分別改善冷起动过程。在冷起动期间，借助相应的运行策略能使燃料电池效率及燃料电池电压得以暂时降低，从而产生大量的余热以迅速加热燃料电池和车厢。

2 燃料电池-插电式混合动力总成系统

先进的燃料电池装置可作为锂离子电池—插电式混合动力系统的补充，使得新型Mercedes-Benz GLC F-Cell轿车的试生产车型成为全球首款配备有燃料电池的混合动力汽车，该车型同时也能实现外部充电。

正如配装内燃机的Mercedes-Benz GLC混合动力车型一样，燃料电池汽车也具有不同的运行模式和驾驶程序（图5）。GLC F-Cell燃料电池—插电式混合动力轿车的驾驶程序可分为3种，分别为经济模式、舒适模式和运动模式。经济模式下的驾驶程序可有效优化整车燃油耗;舒适模式下的驾驶程序不仅可调整舒适性，而且能对空调系统进行调节;运动模式下的驾驶程序可调整混合动力总成系统，使其具有更强的动力性能。

正如B级F-Cell车型一样，GLC F-Cell车型携带的氢气罐数量可从传统的3个减少至2个，而且还能增加可用的氢气总量。因此，该车型在新欧洲行驶循环（NEDC）行驶工况下的续航里程可从380 km增加到437 km。在锂离子电池驱动模式下的续航里程则增加到49 km，并有效改善了整车行驶性能。由燃料电池装置与锂离子电池的动力组合所输出的总功率比传统燃料电池汽车增大了约40%。

与B级F-Cell车型相比，动力总成系统中标准构件所占的比例得以显著增加，有效降低了整车成本。图6示出了驱动部件在整车上的布置情况。

3 高压储氢罐

位于车辆底板上的2个碳纤维外壳的储氢罐可贮存约4.4 kg氢气。由于采用了基于全球标准的70 MPa储氢罐技术，仅在3 min内就能充满所需的氢燃料，因此在燃料补充方面不会逊色于传统内燃机汽车。储氢罐安装在车桥之间的碰撞保护区内，并且通过储氢罐周围的辅助车架以实现保护。研究人员对可能发生的碰撞情况采取了进一步的保护措施，例如多级阀系统及用作高电压电网保险装置的特殊电保护开关。用于GLC F-Cell试生产车型和针对早期的氢燃料电池汽车而开展的碰撞试验表明，最新一代燃料电池汽车不仅可有效满足法规要求，而且相比Mercedes-Benz公司的内部技术要求能更胜一筹。

4 锂离子电池

试生产样车所采用的锂离子电池容量为13.8kW·h，可用作电机的补充能源，并在初期也可通过外部插电技术进行充电。燃料电池系统与锂离子电池系统实现有机组合的智能运行策略为车辆提供了更高的运行效率和更佳的舒适性。与驱动电机一样，该款锂离子电池可被安装在SUV车型后方，并能通过7.2 kW车载充电器在家用电源或公共充电桩上进行充电，充电时间约为1.5 h。

5 驱动电机

该车型采用输出功率约为147 kW和扭矩约为350 N·m的异步电机用于驱动车辆。因为纯电驱动无需采用万向轴，由此节省下的空间可用于布设其中1个储氢罐，而另1个储氢罐则布设于后座下方。

6 行驶运行模式

插电式燃料电池驱动装置可将2种能实现零排放的车辆技术组合在一起，同时智能运行策略始终能将二者调整至其各自最佳的运行状态，并实现合理匹配。图7示出了可供使用的运行模式及运行特性。

在车辆以混合动力模式运行时，动力来源于2种电源设备。其中，锂离子电池可用于满足峰值功率的要求，而燃料电池则运行在最佳效率范围内，通过智能运行策略，使2种能源充分发挥其各自的功效。

在车辆以燃料电池模式运行时，锂离子电池可通过燃料电池补充电能，并确保总电量不变。这种理想的运行模式仅通过氢能即可实现，以此可充分节约锂离子电池的电能，从而在某些特殊行驶状况下发挥作用。

在车辆以锂离子电池模式运行时，GLC F-Cell车型完全由高电压锂离子电池供电以实现纯电动行驶状态，此时燃料电池系统不工作，这对于短途行驶而言是较为理想的运行模式。

在车辆以充电模式运行时，高电压锂离子电池将得以优先充电，以便为车辆在山区或其他特殊路况下的行驶过程储备能源。

综上所述，该系统在所有的运行模式下均可实现能量回收，并将电能贮存到锂离子电池中。

7 结论和展望

Daimler公司采用全新的燃料电池装置是其在该领域内作出的1项重大技术调整[4-9]，特别是在功率密度和设备成本方面取得了显著的改善效果。同时，研究人员进行了设定，由电动涡轮增压器为燃料电池供应空气，从而改善燃料电池的极化现象并提高功率密度，这对于减少安装空间和装置质量有着决定性的作用。上述技术优化使得燃料电池装置更为轻巧和紧凑，从而能顺利安装到普通量产汽车的发动机舱内。不仅如此，该车型的储氢量，相比传统燃料电池车型有所提升，并可通过插电功能为锂离子电池充电，使GLC F-Cell车型成为可全天侯使用的车辆。

为了使燃料电池在未来也能应用于其他类型的车辆，当前的主要任务是进一步开发燃料电池的基本款式，使其成为应用范围更广阔的电驱动组合装置，并在不同应用场合中具有最高的灵活性（图8）。同时，该系统能与不同的锂离子电池系统组合，进一步扩大了其应用领域。

[1]SOMMER M，WHR M，DOCTER A.Concepts for future PEM fuel cell systems[C]. Fuel Cell Seminar，San Antonio，2007.

[2]MOHRDIECK C.Fuel cell vehicles-one step on the path to commercialisation[C]. 6.International Hydrogen & Fuel Expo Technical Conference，Tokio，2010.

[3]SANG J，VENTURI M，BOCKSCH R.NVH challenges of air supply systems for automotive fuel cell applications[J]. SAE International Journal of Engines，2008，1（1）：258-266.

[4]FRANK G.Brennstoffzellenaktivitten der Daimler AG[C]. Stuttgarter Energie Speicher Symposium， Stuttgart，2016.

[5]MOHRDIECK C.Fuel cell vehicles within the triangle of technology， cost and infrastructure[C].FC Expo， Tokio， 2015.

[6]MOHRDIECK C.Next generation fuel cell technology for passenger cars and busses[C].EVS 24， Stavanger， 2009.

[7]DEHN S，SANG J，MOHRDIECK C，et al.Daimler’s next generation fuel cell engine[C].EVS 30， Stuttgart， 2017.

[8]MOHRDIECK C，DEHN S.Optimierungsstrategien für den brennstoffzellenantrieb[C]. 14. Symposium Hybrid-und Elektrofahrzeuge， Braunschweig， 2017.

[9]DEHN S，MOHRDIECK C，WIND J.Optimierung des brennstoffzellenantriebs im spannungsfeld von technik， kosten und kundenanforderungen[C].38. Wiener Motorensymposium， Wien， 2017.