现代有轨电车混合动力技术：电气/机械接口解析

1.燃料电池系统

燃料电池系统电气部分主要包括布置在负极舱中的氢气循环控制器、24V直流电源、水泵及风机变频控制器、PLC控制器、空压机控制器以及布置在燃料电池舱中的电路保护器件等，如图6-25所示。几个大的部件安装在箱体中间隔板上，空压机变频器安装在箱体壁面上，电路保护器件安装在燃料电池舱排气消声器上方。

图6-25 燃料电池电气系统

图6-26～图6-28为燃料电池系统中电气元件的结构图。

图6-26 PLC控制器

2.超级电容/动力电池储能系统

（1）超级电容/动力电池配置方案 动力电池具有比能量高、充放电寿命长、自放电率低、安全可靠等优势，可提供较长的续驶里程，提供燃料电池起动所需电能以及燃料电池系统故障工况下紧急牵引所需的电能。超级电容具有功率密度大、能量密度高、充电速度快、循环寿命长、对环境无污染的特点，可提供较大的起动加速度。DC/DC变流器可提供稳定输入/输出电源。

图6-27 水泵及风机变频控制器

燃料电池／超级电容混合动力100%低地板有轨电车需安装两套超级电容／动力电池储能系统。每套系统包含1个双向DC/DC电源电池箱（内有一套动力电池、一个双向DC/DC动力电池模块、一个双向DC/DC超级电容模块、外围电器及系统控制单元）和1个超级电容箱。每套超级电容／动力电池储能系统的模型如图6-29所示。

图6-28 几个电气部件的相对位置布局

图6-29 混合动力箱

超级电容器与动力电池组成的复合储能装置既可实现无燃料电池状态下的紧急供电，又可在制动阶段实现能量回收，降低不必要的能量浪费，同时具有节约成本、改善能源结构及无污染等特点。

（2）动力电池引空调风冷却方案双向DC/DC电源电池箱内电池电芯布置密集，在工作时将产生1～3kW的热量。需要采用有效的冷却方式，将这些热量及时排散掉，以确保每个电芯的温度分布满足设计要求，避免影响混合动力电源系统的正常工作。当动力电池的工作温度超过55℃时，对其寿命的影响将迅速加剧，因此设计时要求动力电池箱内工作温度不超过55℃，且电池箱内各处温度差异不超过5℃。

单一的冷却方式（强迫风冷）已不能保证电池箱在良好的状态下工作，需要采用综合冷却方案（强迫风冷+引空调风冷却），使电池箱在理想温度范围内工作。从客室引废排风，温度为28℃，最大风量为1200m³/h，从箱体底部进口进风，进风口尺寸为180mm×250mm。采取空调的安装方式，利用客室内的废气对电池箱进行冷却，最终排出车外，图6-30和图6-31为双向DC/DC电源电池箱和车顶开孔方案图。

图6-30 动力电池箱

图6-31 车顶开孔方案图

3.储氢/供氢系统

车载储氢/供氢系统可以分为以下几个子系统：

（1）加注子系统 包括加注接口、单向阀（或球阀）、过滤阀、压力表以及必要的连接管路等零部件。其主要功能是完成与加氢站的加注对接，将洁净的高压氢气安全地注入到车载高压氢气瓶中，如图6-32所示。(www.xing528.com)

加氢口在车体下部，需要在车体上开孔进行安装，考虑到车体强度的要求，将开孔的面积缩到最小并进行圆角处理，保证车体的强度。设置舱门保证加氢口不会被破坏，舱体只有舱门处是与外界大气连接，保证氢气不会进入到车厢内部。在加注模块上安装有静电导除装置，在进行加注时需要把加氢站上的静电导线和车辆上的静电导除装置连接，把车辆上的静电通过加氢站消除然后进行加注。从加注口到车顶的氢气管路采用完整不锈钢管进行连接，保证管路经过车厢时不会因接口而产生泄漏的危险。

图6-32 加注子系统

1—加注枪（通过氢气加注枪实现氢气站与车载储存子系统相连进行加氢）

2—车体开孔焊接套（与车体两侧焊接并带有舱门，保护加氢口）

3—加注面板（含有加注口、压力表）

4—加注面板底座（通过滑条与车体连接）

5—加注舱后盖（加装密封条通过螺栓与客室内部车体连接，既保证氢气向客室方向扩散也方便检修）

6—输氢管（此管路采用一整根不锈钢管直接到达车顶，保证氢气不向客室泄漏）

（2）储存子系统 主要包括高压氢气瓶、组合瓶阀、PRESSURE RELIEF DEVICE（简称PRD，即压力释放装置，属于安全保护装置，一旦动作不可恢复），以及必要的连接管路等，如图6-33所示。其主要功用是将加氢站注入的氢气安全地储存在高压氢气瓶中。

图6-33 储存子系统

在储存子系统上设有2个静电导除连接点，以方便将储存模块产生（携带）的静电通过导线连接到静电导除连接点上，然后通过整车将静电释放。储存子系统外部安装有遮阳罩，遮阳罩可以避免阳光直射到氢气瓶上，遮阳罩上设有通风孔，当氢气泄漏时，氢气可以通过通风孔及时扩散到大气环境中，避免氢气聚集。为了方便系统检修，在遮阳罩上还设有检修门。

储存子系统安装在车顶，采用螺栓及减振垫安装，气路接口处采用高压软管连接气路，保证不会因振动导致接口松动。

（3）供给子系统 主要包括电磁阀、减压器、安全阀、过滤器、放空阀、放散口、连接管件及固定支架等。其主要功用是安全地向燃料电池系统等用氢装置提供洁净的适当压力的氢气。

供给子系统内所有零件均安装在固定支架上，供给子系统安装在储存子系统上，供给子系统如图6-34所示。

图6-34 供给子系统

电磁阀为防爆型，工作压力为45MPa，工作电压为DC24V。

减压阀的主要作用是将气瓶内释放出的高压氢气减压为中压或低压氢气，进而供给燃料电池，减压阀的出口压力在一定范围内是可以根据燃料电池需要的压力进行调节的，将最大入口压力设为41.3MPa，出口压力设置为1.6MPa。

安全阀位于减压阀之后，其作用压力设置为减压阀出口压力的1.3倍，一旦减压阀下游的压力上升，超过安全阀的开启压力，安全阀开启，将气体从管路中排出，达到保护下游零部件的目的。

过滤阀、放空阀、放散口为氢气管路提供气体过滤、过压保护等作用，保证储氢/供氢系统的安全。

（4）预警子系统 主要包括氢气泄漏探头以及必需的控制、报警装置，也可以将预警信号输送给整车控制器，由整车控制器发出预警命令。其主要功用是监控氢气的泄漏状况，当监测点浓度达到预设的报警值时发出预警信号。

预警子系统主要包括5个氢气泄漏检测探头和控制器，分别布置在加注子系统、车内电器柜、燃料电池系统、储存子系统中。泄漏监测探头把检测到的气体浓度发送给控制器，由控制器根据控制逻辑做出相应的指令。氢气泄漏检测浓度可以分为3个报警级别，根据不同的级别设定不同的控制指令。最高级别的报警值设置不应超过氢气爆炸下限的50%。