CN115570992A - 175吨特种载重氢能车辆的氢能动力系统及氢能车辆 - Google Patents

Abstract

本发明公开了175吨特种载重氢能车辆的氢能动力系统及氢能车辆,创新应用12瓶液氢罐组和四组大功率氢燃料电池，创新应用四组轮毂电机驱动桥对该车八组车轮中的四组车轮作“前拉后推”的强劲动力配置。本发明由整车控制系统1，电机控制系统2，液氢罐组3，液氢泵4，吸收泄氢5，电机水冷6，整车高压配电盒7，启动电池8，高压气化器9，高压气罐10，氢燃料电池组11，储能电池组12，空调13，液氢室制冷14，液氢罐低温室16，轮毂电机驱动桥17，直流变压18，风机19等部件组成。本发明设计氢冷、吸氢与除霜水热管理15等体系，保障各部件正常工作，籍此可生产行驶稳、动力强、里程长、全轮转向灵活、23米长的该特种氢能载重车，可填补相关车辆的空白。

Description

175吨特种载重氢能车辆的氢能动力系统及氢能车辆

技术领域

本发明方法涉及氢能燃料电池动力配置技术运用于特种载重车辆制造的新能源汽车制造领域，具体是指一种175吨特种载重氢能车辆的氢能动力配置与技改方法。

背景技术

新能源汽车取代燃油汽车，已成为一种趋势。中国在氢能汽车的发展极为迅速，从国家工信部上榜的氢燃料汽车的类型看，已经有49吨及以下燃料电池运输车、燃料电池牵引车、燃料电池冷藏车、燃料电池叉车等多种商用、重卡车型。

国内在燃料电池重卡方面，有所突破。例如，2022年8月，国内有汽车商与氢燃料电池生产者联合生产出了载重49吨、号称续航达800公里和1000公里、单系统功率为240KW的重卡车型。

世界上载重最大的氢燃料混合动力矿山卡车，动力组为800KW,载重320 吨。国内也有企业想与国际能源公司合作开发150吨的无人驾驶氢燃料电池矿卡，以及采用370KW的氢燃料电池组(相当于500马力)，合作生产额定载重 154吨的超重型卡车。

随着电机驱动技术的发展，我国已经开始开发49吨的氢能重卡车辆。

发明内容

针对上述存在的技术不足，本发明的目的是提供175吨特种载重氢能车辆的氢能动力系统及氢能车辆，旨在开发175吨及以上的特种载重氢能车辆，该车辆是配置8组车轮(即有30个车轮)的特大型特种载重车，采用4组轮毂电机直接驱动其中14个车轮的动力配置，明显区别于目前在开发的其他氢能重卡。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

本发明提供175吨特种载重氢能车辆的氢能动力系统，其特征在于，包括整车控制系统、电机控制系统、液氢罐组、液氢泵、整车高压配电盒、启动电池、高压气化器、高压氢气罐、氢燃料电池组、大功率储能电池组、空调、轮毂电机驱动桥、直流变压器组和风机；液氢罐组、液氢泵、高压气化器和高压氢气罐依次连接；所述整车控制系统、氢燃料电池组和大功率储能电池组依次连接；所述整车控制系统还连接启动电池，启动电池连接风机，风机和氢燃料电池组连接；氢燃料电池组和高压氢气罐连接；

直流变压器组和氢燃料电池组一一对应连接；所述整车高压配电盒和直流变压器组连接；电机控制系统和整车高压配电盒连接；轮毂电机驱动桥和电机控制系统连接；空调和整车高压配电盒连接；

进一步地，所述大功率储能电池组吸收所述氢燃料电池在车辆停车、怠速时的电能，既维护了所述氢燃料电池的使用寿命，又增加了全车的电量；全车电量达到1300KWh。

进一步地，为维护所述12个液氢罐组安全储存和营运，还设计了专门的液氢隔离冷储室，并设计提供专门的液氢室制冷系统，以维持低温，保障所述液氢罐组的低温储存环境。

进一步地，还设计了吸收泄氢装置，吸收所述液氢隔离冷储室、液氢泵、高压气化器可能泄漏的氢气，消除因氢气外泄、聚集存在的隐患。

进一步地，为了保证所述轮毂电机驱动桥的长时间、长距离工作，设计了专门的电机水冷系统；由于液氢气化时释放冷能，因此，本发明方法设计了利用这种冷能用于电机冷却的专门系统。

进一步地，还设计了电热除霜、水热管理系统，保障了所述氢燃料电池组和该氢能特种载重车辆在-45℃-65℃可以正常工作，减少了该氢能特种载重车辆的故障率和能源利用率，提高了该氢能特种载重车型辆的营运效率。

本发明还涉及175吨特种载重氢能车辆，其特征在于，包括车辆本体与上述氢能动力装置。

进一步地，所述该特种载重氢能车辆，采用12个液氢储氢罐带一个高压氢气罐、四组大功率燃料电池、采用4组轮毂电机直接驱动14个车轮的动力系统配置，动力配置集成系统动力强劲，续航里程长，将使该特种载重氢能车辆时速在120公里时续航达到1350公里左右，明显区别于目前在开发的其他氢能重卡。

进一步地，所述该种特种载重氢能车辆提供了在8组车轮中配置4组轮毂电机驱动桥的不同动力系统的组合，即对第一组、第三组、第五组、第八组车轮均采用轮毂电机驱动桥直接驱动，以此通过改变车辆驱动力的分布式配置，来降低成本，减少传输距离，提高动力与效率，提高车辆行驶速度和续航里程。该氢能特种载重车型所述轮毂电机动力配置及驱动技术系统，可以实现对原有燃油载重车辆等特大型车辆进行改装、技术改造，实现零碳排放。

进一步地，所述该氢能特种载重车全车长23米，全车30个车轮均采用全轮转向设计，以及所述4组轮毂电机驱动桥设计，将使车辆转向半径小而灵活。

本发明的有益效果在于：运用本发明动力配置与技改方法，可以开发特种民用矿山用车辆、长臂输送泵车、风电叶片安装运输车辆、气体管束运输车、电站铸件与化工反应器等超大型物件运输车，以及中远程导弹发射车、特种装甲运输车辆等军民用特种车辆产品。运用本发明方法动力配置与技改方法，将使该特种载重氢能车辆发挥加氢快、里程长、便于长距离运输、可实现军事装备隐蔽与机动灵活配置的优势。开发175吨以上特种载重氢能车辆，填补相关车辆的空白，实现原有燃油载重车辆的改装、技术改造，实现零碳排放。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的175吨特种载重氢能车辆的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的175吨特种载重氢能车辆的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的175吨特种载重氢能车辆的氢能动力系统的原理框图。

附图标记说明：整车控制系统1、电机控制系统2、液氢罐组3、液氢泵4、吸收泄氢装置5、电机水冷系统6、整车高压配电盒7、启动电池8、高压气化器9、高压氢气罐10、氢燃料电池组11、储能电池12、空调13、液氢室制冷系统14、电热除霜水热管理系统15、液氢隔离冷储室16、轮毂电机驱动桥17、直流变压器组18、风机19。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明一种175吨特种载重氢能车辆，设计了车辆配置八组车轮、共30 个车轮，氢能动力装置参照图1、图2，

本发明对该特种载重车辆的第一组、第三组、第五组和组车轮、共四组、 14车轮上采用所述轮毂电机17直接驱动的“前拉后推”的多重驱动动力配置系统方式。

本发明完全改变了49吨等传统的燃油车有关油料发动机后置配置、再通过变速器、传动轴前行的传统动力系统配置方式，或成为牵引车的前置驱动力方式；

本发明也完全改变了49吨氢能车辆实施的第一代重卡单电机中央电机驱动、第二代重卡中央双电机驱动、或第三代重卡轮边电机驱动。这几代重卡电驱桥配置，往往被用作重卡的牵引驱动力，制作牵引车。即便是采用轮边电机桥后置后驱，或采用最新的轮毂电机前置牵引或后置后驱，也尚未达到所述四组轮毂电机驱动桥17与所述12瓶液氢罐3、所述四组大功率氢燃料电池组11 等组成的动力配置方式。而这正是本发明的与众不同之处。

本发明在该175吨特种载重型车辆上，配置4*135KW四组大功率所述氢燃料电池11、4*150KW四组大功率所述储能电池12、2*130KW所述启动电池8及 12瓶的所述液氢储氢罐组3，以此保障该特种氢能载重车辆拥有强劲动力和氢燃料电池11使用寿命的集成配置系统。本发明完全改变了49吨或其他载重吨位氢能车辆的配置一台或两台氢燃料电池、使用气氢等的传统动力配置方式。

车辆操作员踏板开关和整车控制系统1启动该特种氢能载重车辆，风机19 鼓入空气，使四组所述氢燃料电池11启动发电。

本发明设计的所述四组氢燃料电池11其产生的电压在156V-385V,为提高电机驱动功率而提高电压(非提高电流)，系统设计了四组直流变压器18，将电压提高到580V-900V。

本发明设计了大功率的所述四组储能电池12。所述大功率储能电池12可以吸收因该特种氢能载重车辆怠速等导致的过剩电能。这样所述储能电池12 不仅保护所述氢燃料电池11、提高所述氢燃料电池11使用寿命和使用效率，而且又承担起了系统的动力补充功能，大大补充了整车的电量。

该特种氢能载重车辆的整车高压配电盒(PDU)7在电机控制系统2控制下将高压电源主要分配给所述四个轮毂电机17，以实现对该特种载重氢能车辆“前拉后推”的多重驱动。所述的轮毂电机驱动桥17，实现对全车30个车轮中的14个车轮的直接驱动。所述高压配电盒7也会給车辆空调系统13、给所述液氢室16中的所述12瓶液氢罐组3进行所述低温制冷14、给所述氢燃料电池组11发电所需的所述风机19提供电源，也给所述液氢泵4、所述吸取泄氢装置5、所述轮毂电机冷却6、所述高压气化器9，以及給所述车辆电热除霜水热管理15的提供电源。

本发明在于创新运用所述氢燃料电池组11、所述四组大功率储能电池12、所述启动电池8、全车电量达到1300KW的电源动力集成，在于创新运用八组车轮中对四组车轮“前拉后推”的所述多重轮毂电机驱动桥17驱动力的动力集成。也就是说，本发明具有多重动力配置集成系统的创新功能。

本发明针对一种175吨特种载重氢能车辆的该特大型车辆的长度、宽度、重量、里程、爬坡能力等特定技术特征和作业要求，设计了四组、14个车轮的“前拉后推”的多重电驱桥17集成动力配置。而14个车轮的四组轮毂电驱桥 17的前、中、后配置，有助于车辆重心的平衡和安全行驶，消除了该特大型车辆在爬坡等行驶中存在的不安全隐患。全车共14个车轮的全轮转向设计，又能使该特大型车辆转弯半径大为缩小，实现原地转向。

本发明针对该车辆在极低温、极高温环境和工况下正常工作的特定技术特征和作业要求，在利用全车电量达到1300KW电源的同时，也对氢燃料电池11 工作时需要一定湿润空气、需要排水蒸汽、其他电池需要散热，需要对轮毂电驱桥17的电机进行水冷却等各特点，设计了电热除霜与水热管理系统15，从而可以充分发挥其对车上能量进行整体性、系统性管理的优势，保障车辆和氢燃料电池组等在-45℃-65℃的正常启动与营运、保存。

本发明一种175吨特种载重氢能车辆设计第一、第三、第五、第八组车轮共四组车轮17，其动力驱动采用高效率、低成本的轮毂电驱桥17直接驱动。

该特种载重氢能车辆轮毂电机桥17采用荷兰e-Traction公司或湖北泰特的轮毂电驱桥集成系统The Motion 2.0。湖北泰特公司已经全资收购了 e-Traction公司。轮毂电驱桥17还可以采用德国ZIEHL-ABEGG(ZAwheel)的最新一代in wheel hub drive轮毂电驱桥产品。各轮毂集成电驱桥17均采用直流电机，采取水冷方式冷却，额定功率为90KW-150KW。

本发明针对该特种载重氢能车辆，集成了四组氢燃料电池11、四组储能电池组12、启动电池8，为全车准备了1300KWh的电量，为该特种载重氢能车辆创新设计了八组车轮中的四组车轮17进行“前拉后推”的多重轮毂电驱桥17 的驱动力的集成，体现了多重动力配置与技改方法的创新性。本发明生产的该175吨特种氢能载重车，将弥补目前国内该军民两用车辆装备制造的缺失与空白。

本发明一种175吨特种载重氢能车辆，在该车上配置了4*135KW四组大功率氢燃料电池11、4*150KW四组大功率储能电池12、2*130KW两组启动电池8 及12瓶的液氢储氢罐组3带一个高压氢气罐10，以此保障该特种氢能载重车辆拥有强劲动力和氢燃料电池11使用寿命的动力配置，全车达到700KW的电源动力集成。

本发明方法为该特种载重氢能车辆创新设计了八组车轮中的四组车轮17 进行“前拉后推”的四组轮毂电驱桥17的驱动力的集成，体现了多重动力配置与技改方法的创新性。

本发明一种175吨特种载重氢能车辆设计了12瓶液氢储氢罐组3。为保障液氢罐储存与运行安全，专门开辟液氢隔离冷储室16，并专门给液氢室16中的12瓶液氢罐组3进行低温制冷14，并为液氢罐组3、液氢泵4、高压气化器 9设计了吸取泄氢装置5，以消除液氢泄漏的隐患。

本发明一种175吨特种载重氢能车辆设计了四组氢燃料电池11其产生的电压在156V-385V,为提高电机驱动功率而提高电压(非提高电流)，系统设计了四组直流变压器18，将电压提高到580V-900V。

本发明一种175吨特种载重氢能车辆设计全车共14个车轮的全轮转向设计，使该特大型车辆转弯半径大为缩小，实现原地转向。

本发明一种175吨特种载重氢能车辆设计的第一、第三、第五、第八组车轮共四组车轮17，其动力驱动采用高效率、低成本的轮毂电驱桥17直接驱动。

本发明一种175吨特种载重氢能车辆设计的高压配电盒6給车辆空调系统 5提供电源，給车辆提供电热除霜水热管理15的电源，从而可以充分发挥其对车上能量进行整体性、系统性管理的优势，保障车辆和氢燃料电池组等在-45℃ -65℃的正常启动与营运、保存。

本发明设计的全车采用低温热泵型大功率空调5，在低温情况下空调依然可以保证车内的供暖空调。该空调5均有冷热效能。

运用本发明方法，促进该175吨特种氢能载重车投产、营运，将大量地减少特大型传统燃油车辆的使用，将有效地节能降，减少空气污染和碳排放。本发明方法在填补目前国内该军民两用车辆装备制造的缺失与空白的同时，本发明方法将受到社会各界和各级政府的欢迎。实现本发明方法，中国制造的该特大型氢能车辆装备产品在国内外市场前景看好。

作为本实施例较佳实施方案的是，本发明一种175吨特种载重氢能车辆设计的所述四组氢燃料电池11的功率为4*135KW，所述四组储能电池12为 4*150KW，所述启动电池8为2*130KW，全车电量达到1300KWh。实现本发明方的氢能动力配置，可以制造出该特种载重氢能车辆，为我国在新能源汽车、超重载重车辆方面将填补相关空白。本发明为建设我国制造强国、发展国产装备，具有一定的积极意义。

作为本实施例较佳实施方案的是，本发明的氢能车辆设计的第一、第三、第五、第八组共14只车轮，采用高效率、低成本的所述轮毂电机驱动桥17直接驱动。

该特种载重氢能车辆所述轮毂电机桥17采用荷兰e-Traction公司或湖北泰特的轮毂电机驱动桥集成系统The Motion 2.0。湖北泰特公司已经全资收购了e-Traction公司。所述轮毂电机驱动桥17还可以采用德国ZIEHL-ABEGG (ZAwheel)的最新一代in wheelhub drive轮毂电机驱动桥产品。各轮毂集成电驱桥17均采用直流电机，采取水冷方式冷却，额定功率为90KW-150KW。

作为本实施例较佳实施方案的是，系统设计的车身全车八组30个车轮中的4组单双车轮、共14个车轮，均采用全轮转向设计，从而将使该车成为转向半径小而灵活的特种氢能载重车辆。本发明涉及采用一台低温热泵型大功率空调13，在低温情况下空调依然可以保证车内的供暖所述空调13。所述空调13均有冷热效能。本发明设计有效利用液氢气化产生的冷能，与所述液氢储存室16采取所述低温制冷14，所述电机水冷6有效衔接。所述车辆的电热除霜水热管理控制15，比如电池、电机散发的热能管理，将保障该特种氢能载重车辆和所述氢燃料电池组11等在-45℃-65℃的正常启动与营运、保存。

本发明一种175吨特种载重氢能车辆，在具体实施时，配置完备的整车系统：1脚踏板开关与整车控制系统，2电机控制系统，3液氢罐组，4液氢泵， 5吸收泄氢装置，6电机水冷系统，7整车高压配电盒PDU，8启动电池，9高压气化器，10高压氢气罐，11氢燃料电池组，12储能电池组，13车辆空调， 14液氢罐储存制冷，15电热除霜水热管理系统，16液氢罐低温隔离储存室， 17轮毂电机驱动桥，18直流变压组，19风机等部件、仪器仪表等的正常工作，保障氢能车辆的安全、高效、平稳的行驶运营。

在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明方法的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明方法进行详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明方法的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明方法的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.175吨特种载重氢能车辆的氢能动力系统，其特征在于，包括整车控制系统、电机控制系统、液氢罐组、液氢泵、整车高压配电盒、启动电池、高压气化器、高压氢气罐、氢燃料电池组、大功率储能电池组、空调、轮毂电机驱动桥、直流变压器组和风机；液氢罐组、液氢泵、高压气化器和高压氢气罐依次连接；所述整车控制系统、氢燃料电池组和大功率储能电池组依次连接；所述整车控制系统还连接启动电池，启动电池连接风机，风机和氢燃料电池组连接；氢燃料电池组和高压氢气罐连接；

直流变压器组和氢燃料电池组一一对应连接；所述整车高压配电盒和直流变压器组连接；电机控制系统和整车高压配电盒连接；轮毂电机驱动桥和电机控制系统连接；空调和整车高压配电盒连接。

2.根据权利要求1所述的175吨特种载重氢能车辆的氢能动力系统，其特征在于，所述大功率储能电池组吸收所述氢燃料电池在车辆停车、怠速时的电能。

3.根据权利要求1或2所述的175吨特种载重氢能车辆的氢能动力系统，还设计了专门的液氢隔离冷储室，并设计提供专门的液氢室制冷系统。

4.根据权利要求3所述的175吨特种载重氢能车辆的氢能动力系统，还设计了吸收泄氢装置，吸收所述液氢隔离冷储室、液氢泵、高压气化器可能泄漏的氢气。

5.根据权利要求4所述的175吨特种载重氢能车辆的氢能动力系统，还设计了专门的电机水冷系统。

6.根据权利要求5所述的175吨特种载重氢能车辆的氢能动力系统，还设计了电热除霜、水热管理系统。

7.一种175吨特种载重氢能车辆，其特征在于，包括车辆本体与上述氢能动力装置。

8.根据权利要求7所述的一种175吨特种载重氢能车辆，其特征在于，所述该特种载重氢能车辆，采用12个液氢储氢罐带一个高压氢气罐、四组大功率燃料电池、采用4组轮毂电机直接驱动14个车轮的动力系统配置。

9.根据权利要求8所述的一种175吨特种载重氢能车辆，其特征在于，所述该种特种载重氢能车辆提供了在8组车轮中配置4组轮毂电机驱动桥的不同动力系统的组合，即对第一组、第三组、第五组、第八组车轮均采用轮毂电机驱动桥直接驱动。

10.根据权利要求9所述的一种175吨特种载重氢能车辆，其特征在于，所述该氢能特种载重车全车长23米，全车30个车轮均采用全轮转向设计，以及所述4组轮毂电机驱动桥设计，将使车辆转向半径小而灵活。

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