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零碳排放氢燃料内燃机：整车氢耗及续驶里程
2021-08-22 00:38:58· 来源：联合电子
概述7月21日，工信部答复了全国人大代表关于鼓励发展零碳排放氢燃料内燃机的建议，明确指出将氢燃料内燃机纳入氢能发展战略。目前，不少主机厂也逐渐开始氢燃料
概述
7月21日，工信部答复了全国人大代表关于“鼓励发展零碳排放氢燃料内燃机的建议”，明确指出将氢燃料内燃机纳入氢能发展战略。目前，不少主机厂也逐渐开始氢燃料发动机的研究。
联合电子一直致力于新能源技术研究探索，在2020年11月份发表的《零碳排放车用动力技术：氢燃料内燃机》一文中，我们讨论了氢燃料内燃机作为车用零碳排放动力装置的技术可行性，并分析比较了氢燃料内燃机的开发历史和当前的技术进展。
在此基础上，本文将研究如何在整车层面实现NOx零排放，评估整车氢耗，提出基于零排放的续驶策略。
研究方法
本文应用GT-SUITE搭建了串并联混合动力的整车仿真模型，氢燃料内燃机台架测试结果作为整车模型的输入。整车系统示意图1所示，车重1.85吨、使用一台165kW的2.0L氢燃料内燃机、120kW发电机、150kW驱动电机、2kWh电池和1档混动变速箱。WLTC和RTS95(激进驾驶循环)用于评估排放控制策略，而NEDC用于评估氢耗和续驶。本文采用等效油耗最小策略对氢燃料内燃机和电机的瞬时工况点进行优化。在整个测试循环开始和结束，蓄电池电量SOC保持一致，即电量保持模式。根据在其他混合动力项目上的数据经验，整车模型的精度±3%。
图1 基于氢燃料内燃机的串并联混合动力系统示意图
零NOx排放运行策略
如图2所示，小于10 ppm的原始NOx排放主要集中在中低负荷区域，超过这一区域，NOx排放就快速上升。图3的整车仿真结果显示，串并联混合动力系统可以将氢燃料内燃机在WLTC和激进驾驶循环(RTS95) 的运行工况点控制在原始NOx排放小于10ppm的区域。也就是说，串并联混动系统可以简化对后处理系统的需求，最终实现零排放的目标。
图2 2.0L缸内直喷、涡轮增压氢燃料内燃机的原始NOx排放
图3 WLTC和RTS95下，串并联混合动力总成的氢燃料内燃机在原始NOx排放图中的运行工况点（图中绿色圆点）
氢耗
图4为整车氢耗评估使用的氢燃料内燃机的热效率工况图，以及基于上述近零NOx排放策略下，发动机在NEDC循环下的运行工况点。需要指出的是，本文使用的氢燃料内燃机是从一个批产近10年的汽油机改造而来，并没有针对热效率进行优化升级，比如几何压缩比较低 (9.8:1)。而且，混合动力系统为混动专用发动机的热效率改善提供了更大的潜力。基于此，本文进一步研究预测了图4内燃机热效率提升的潜力，即最大45%有效热效率，并以此得到了NEDC下的氢耗。如图5所示，当前的氢燃料内燃机在NEDC下的百公里氢耗为1.16公斤，考虑发动机热效率提升后，百公里氢耗约为0.99公斤。
图4 台架测试的氢燃料内燃机有效热效率图，以及NEDC循环下串并联混合动力总成的发动机运行工况点（图中绿色圆点）
图5 基于氢燃料内燃机的串并联混合动力总成在NEDC下的氢耗
续驶
对于终端用户而言，续驶里程是更重要的指标。本文使用当前的高压储氢技术，综合考虑气瓶和整车尺寸，选用700bar储氢压力下存储7.5kg氢气的储氢罐。最低氢气喷射压力分别设定为20bar。基于氢耗和氢罐中可用氢气质量，得到了如图6所示的NEDC下续驶里程。在零排放策略下，缸内直喷氢燃料内燃机的串并联混合动力系统实现了619km的NEDC续驶里程。而针对氢燃料内燃机做了热效率的优化之后，续驶里程达到了726km。
图6 基于氢燃料内燃机的串并联混合动力总成在NEDC下的续驶里程
总 结
氢燃料内燃机的零碳排放特性使其成为实现汽车低碳化发展的重要技术路径之一。结合混合动力技术和氢燃料内燃机技术的优势，本文提出的控制策略，在零污染物排放的同时，NEDC氢耗有望达到百公里1公斤氢气，续驶有望突破700公里。当前的研究结果显示，氢燃料内燃机在作为车用动力方面体现了明显的潜力。作为燃料电池的补充，氢燃料内燃机可以充分发挥其在成本低、产业链成熟、长寿命、环境适应性好等方面的优势，有助于帮助增加并稳定车用氢气的需求，从而降低氢气的价格并推动氢基础设施的建设。
联合电子拥有成熟的发动机燃烧技术研发能力、先进的控制器及关键零件开发能力、具备丰富的发动机和整车标定开发经验，可助力国内各大核心整车厂开展氢燃料内燃机试验研发。
7月21日，工信部答复了全国人大代表关于“鼓励发展零碳排放氢燃料内燃机的建议”，明确指出将氢燃料内燃机纳入氢能发展战略。目前，不少主机厂也逐渐开始氢燃料发动机的研究。
联合电子一直致力于新能源技术研究探索，在2020年11月份发表的《零碳排放车用动力技术：氢燃料内燃机》一文中，我们讨论了氢燃料内燃机作为车用零碳排放动力装置的技术可行性，并分析比较了氢燃料内燃机的开发历史和当前的技术进展。
在此基础上，本文将研究如何在整车层面实现NOx零排放，评估整车氢耗，提出基于零排放的续驶策略。
研究方法
本文应用GT-SUITE搭建了串并联混合动力的整车仿真模型，氢燃料内燃机台架测试结果作为整车模型的输入。整车系统示意图1所示，车重1.85吨、使用一台165kW的2.0L氢燃料内燃机、120kW发电机、150kW驱动电机、2kWh电池和1档混动变速箱。WLTC和RTS95(激进驾驶循环)用于评估排放控制策略，而NEDC用于评估氢耗和续驶。本文采用等效油耗最小策略对氢燃料内燃机和电机的瞬时工况点进行优化。在整个测试循环开始和结束，蓄电池电量SOC保持一致，即电量保持模式。根据在其他混合动力项目上的数据经验，整车模型的精度±3%。
图1 基于氢燃料内燃机的串并联混合动力系统示意图
零NOx排放运行策略
如图2所示，小于10 ppm的原始NOx排放主要集中在中低负荷区域，超过这一区域，NOx排放就快速上升。图3的整车仿真结果显示，串并联混合动力系统可以将氢燃料内燃机在WLTC和激进驾驶循环(RTS95) 的运行工况点控制在原始NOx排放小于10ppm的区域。也就是说，串并联混动系统可以简化对后处理系统的需求，最终实现零排放的目标。
图2 2.0L缸内直喷、涡轮增压氢燃料内燃机的原始NOx排放
图3 WLTC和RTS95下，串并联混合动力总成的氢燃料内燃机在原始NOx排放图中的运行工况点（图中绿色圆点）
氢耗
图4为整车氢耗评估使用的氢燃料内燃机的热效率工况图，以及基于上述近零NOx排放策略下，发动机在NEDC循环下的运行工况点。需要指出的是，本文使用的氢燃料内燃机是从一个批产近10年的汽油机改造而来，并没有针对热效率进行优化升级，比如几何压缩比较低 (9.8:1)。而且，混合动力系统为混动专用发动机的热效率改善提供了更大的潜力。基于此，本文进一步研究预测了图4内燃机热效率提升的潜力，即最大45%有效热效率，并以此得到了NEDC下的氢耗。如图5所示，当前的氢燃料内燃机在NEDC下的百公里氢耗为1.16公斤，考虑发动机热效率提升后，百公里氢耗约为0.99公斤。
图4 台架测试的氢燃料内燃机有效热效率图，以及NEDC循环下串并联混合动力总成的发动机运行工况点（图中绿色圆点）
图5 基于氢燃料内燃机的串并联混合动力总成在NEDC下的氢耗
续驶
对于终端用户而言，续驶里程是更重要的指标。本文使用当前的高压储氢技术，综合考虑气瓶和整车尺寸，选用700bar储氢压力下存储7.5kg氢气的储氢罐。最低氢气喷射压力分别设定为20bar。基于氢耗和氢罐中可用氢气质量，得到了如图6所示的NEDC下续驶里程。在零排放策略下，缸内直喷氢燃料内燃机的串并联混合动力系统实现了619km的NEDC续驶里程。而针对氢燃料内燃机做了热效率的优化之后，续驶里程达到了726km。
图6 基于氢燃料内燃机的串并联混合动力总成在NEDC下的续驶里程
总 结
氢燃料内燃机的零碳排放特性使其成为实现汽车低碳化发展的重要技术路径之一。结合混合动力技术和氢燃料内燃机技术的优势，本文提出的控制策略，在零污染物排放的同时，NEDC氢耗有望达到百公里1公斤氢气，续驶有望突破700公里。当前的研究结果显示，氢燃料内燃机在作为车用动力方面体现了明显的潜力。作为燃料电池的补充，氢燃料内燃机可以充分发挥其在成本低、产业链成熟、长寿命、环境适应性好等方面的优势，有助于帮助增加并稳定车用氢气的需求，从而降低氢气的价格并推动氢基础设施的建设。
联合电子拥有成熟的发动机燃烧技术研发能力、先进的控制器及关键零件开发能力、具备丰富的发动机和整车标定开发经验，可助力国内各大核心整车厂开展氢燃料内燃机试验研发。
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