一种氢燃料底盘环卫车及其控制方法

陈凤广

摘 要：氢被视为“21世纪的终极能源”、未来的能源货币，全球主要发达国家如日本、美国、德国等均已开始积极部署发展氢能源及有关氢能源汽车产业。氢燃料电池汽车行业的发展在我国受到高度重视，2019年3月氢能第一次出现在《政府工作报告》。环卫车具有环保、美观和减少二次污染等优点，为相关环卫系统部门所使用。地球需要低碳环保，氢燃料底盘环卫车的应用不仅能够美化我们居住的环境，而且能够节约资源，符合可持续发展的战略思想。

关键词：氢燃料;环卫车;能源;电池;电动车

0 引言

近年来，我国在氢燃料电池的研究开发特别是在质子交换膜燃料电池方面，接近世界水平，但在总体上，我国燃料电池仍处于科研阶段，与国外相比，水平较低。环卫车除了美观，给市容市貌增添风采外，还降低劳动强度、节约劳动成本、提高工作效率，另外也实现了政府大力倡导的低碳环保口号。因此，研发并应用氢燃料底盘环卫车具有十分重要的意义。

1 氢燃料电池工作原理

干电池、蓄电池是一种储能装置，是把电能贮存起来，需要时再释放出来;而氢燃料电池严格地说是一种发电装置，像发电厂一样，是把化学能直接转化为电能的电化学发电装置。氢燃料电池车的工作原理是：将氢气送到燃料电池的阳极板（负极），經过催化剂（铂）的作用，氢原子中的一个电子被分离出来，失去电子的氢离子（质子）穿过质子交换膜，到达燃料电池阴极板（正极），而电子是不能通过质子交换膜的，这个电子，只能经外部电路，到达燃料电池阴极板，从而在外电路中产生电流。电子到达阴极板后，与氧原子和氢离子重新结合为水。由于供应给阴极板的氧，可以从空气中获得，因此只要不断地给阳极板供应氢，给阴极板供应空气，并及时把水蒸气带走，就可以不断地提供电能。

2 氢燃料电池的优势

2.1 无污染

氢燃料电池对环境无污染。它是通过电化学反应，而不是采用燃烧（汽、柴油）或储能（蓄电池）方式--最典型的传统后备电源方案。燃烧会释放像一氧化碳、二氧化硫气体和粉尘等污染物。如上所述，氢燃料电池只会产生水和热。氢如果是通过可再生能源产生的（光伏电池板、风能发电等），整个循环就是彻底的不产生有害物质排放的过程。

2.2 无噪声

氢燃料电池在运行方面产生的噪音很少，噪声大约只有55dB，实际上等同于人们日常谈话的标准。这个优势非常有利于氢燃料电池的室内安装，室外对噪声有限制的地方安装氢燃料电池也没有问题。

2.3 高效率

氢燃料电池的发电效率可以达到50%以上，这是由氢燃料电池的转换性质决定的，直接将化学能转换为电能，不需要经过热能和机械能（发电机）的中间变换。

3 氢燃料电池及相关产业的缺点

（1）当下能够实现规模化制氢的方式有两种，一种是工业电解水，另一种是化石燃料反应，不论哪种方法，与纯电动车型直接充电相比，成本都要高出不少。而诸如生物质制氢、高温分解、光催化剂、伴生氢等方式，或成本过高，或受制于环境因素，皆具有局限性，目前还不适合大规模工业生产。

（2）产业起步晚，关键材料基础薄弱。在高活性催化剂、高强度高质子电导率复合膜、碳纸、低铂电极、高功率密度双极板等方面的技术水平目前已达到甚至超越了一些其他国家的产品，但大多只是止步于实验室的研发阶段，到目前为止未形成批量生产。

（3）资源不足、产业分散。氢燃料电池产业布局较少，产业过度分散。氢燃料电池技术与现有的锂电池技术相比，普及程度还远远不够;氢气的运输、储存，加氢站的大规模铺设等与建设充电桩相比投入巨大。

（4）产业政策不完善，供应链缺少安全保障。在一些工业副产品中，对氢提取回收的技术水平低，利用率低，综合成本高、技术有待进步;储氢环节，储氢的密度、安全性、成本难以同时满足，实现商业化大规模应用为时尚早;用氢环节，我国大型氢燃料电堆尚处于起步水平，燃料电池汽车有较深厚的技术积累但核心技术尚不成熟。

（5）体系不健全是制约产业发展主要因素。当前尽管我国氢燃料电池产业的体系已经初具规模，但还不能满足当下企业飞速发展的需要，例如，企业中的氢设备落后，氢能源的加工、储运等环节管理不完善，产业链的发展和相关氢能源产品的市场推广不顺畅。

4 环卫车

环卫车的制造意义就是为了能够更方便地进行对城市市容的改造，可以说环卫车的出现有效地保证了城市的生态化建设，对城市的环境状况维持有着非常重要的意义。随着国家经济实力的不断提高，各种行业的快速发展严重破坏了国家的环境状况，国家越来越重视城市的环境问题，在这样的社会现状下，环卫车的需求量和使用量大大增加，但是传统的环卫车数量的大幅度增加仍然会对环境产生不良影响，所以，纯电动环卫车就是目前环卫行业发展的方向，也是国家非常重视的一个新型产业。

但是当前纯电动环卫车有如下缺点：

（1）受电池技术制约，续航里程过短，导致工作时间短。

（2）充电时间久，充电桩稀缺，为使用带来了不便。

（3）充电时间过于集中，大批纯电汽车进入电网，将对现有电网带来不小压力。

（4）电池到使用年限后，难于处理。

氢燃料底盘的环卫车是基于氢燃料电池为动力系统的底盘开发而成的环卫车，鉴于纯电动车以上缺点，氢燃料电池车仍然被认为是解决新能源汽车技术难点的终端替代方式，这种环卫车集多功能于一体，解决了目前针对不同的路况，解决了环卫车辆工作效率低的问题。

因此，当前氢燃料底盘环卫车将成为环卫用车市场发展的中流砥柱，原因如下：

一是在能源供应和环境保护的压力下，发展氢燃料底盘环卫车已被列入国家战略。环卫系统作为公共服务领域的一部分，氢燃料底盘环卫车示范推广城市政府也将购买使用氢燃料环卫车作为氢燃料底盘环卫车推广应用工作计划的一部分。

二是从环卫领域推广应用的情况看，因为环卫车具有作业行驶速度慢、行驶路线固定、行驶路程短、作业时间固定等工作特性。此外，氢燃料底盘环卫车具有成熟、充能时间短、零排放、噪声小等优点，可大幅降低大气污染物含量，减少作业时的扰民问题。

三是城市化带来市容环卫车辆巨大需求，氢燃料底盘环卫车成为趋势。随着我国对于环境治理的程度的不断增加，我国环境得到有效改善，城市生态也得到相应的改善，近年来国家对于城市环境治理力度不断加强，城市环境治理投资金额不断增长，城市市容环境卫生固定资产投资额总体呈上升趋势。其中，城市市容环境卫生车辆设备数量也呈现逐年增长趋势，尤其是对氢燃料底盘环卫车的需求权重随之加大。

氢燃料环卫车型的到来，不需充电，续航里程长，免去了电动车充电时间长、影响运营效率的烦恼;不消耗化石能源，节能环保;不受限行、禁行等因素影响;运行过程在为城市环卫工作做贡献之时，没有污染物排放，环境友好型动力，真正实现“零排放”目标。此前，我公司曾推出过一款氢燃料电池环卫车，该车是在上汽FKC500-42D12氢燃料电池底盘上改装而成，底盘最大总质量12000kg，轴距4170mm，电堆功率60kW，有效储氢量15.7kg，整车电量230kWh，驱动电机为南京博越TZ342XS-YBM211，额定功率为105kW，峰值功率180kW，具备全天候适应性，在-35℃环境下浸车8h后，启动时间≤3min。氢燃料是清洁能源，应该是国家大力发展的健康产业，目前上汽已与我公司签署合作协议，将在燃料电池汽车产品上开展合作。目前产品主要针对2022年冬奥会，由于河北张家口地区冬季温度较低，对我公司纯电动环卫车的电量影响较大，使得我公司的纯电动底盘环卫车不能满足该地区的作业要求，为完成2022年冬奥会张家口赛区环卫保洁保障任务，并结合国家对环保方面的要求，市场对新型能源汽车的需求量也将逐年增加，受政策鼓励，越来越多车企试图抓住机遇，占领氢燃料环卫车研发高地。

5 氢燃料底盘环卫车的控制方法

此环卫车是基于氢燃料电池底盘的洗扫车，此洗扫车的控制原理及方法如下：

（1）上装控制器：通过CAN网络，连接显示屏、副机、语音喇叭;接收控制指令，处理整车的逻辑动作。

（2）上装显示屏：通过CAN网络连接控制器;发送控制指令，并显示设备执行情况。

（3）副机：通过CAN网络连接控制器;上装的动力系统，接收控制发送的转速信号，并将实际转速、水温等信号反馈给控制器。

（4）语音喇叭：通过CAN网络连接控制器;接收控制器发送的信号，播报大箱升降、后门开关、清水缺、污水满等语音。

6 氢燃料底盘环卫车的工作模式

此车共有十种工作模式：全洗扫、左洗扫、右洗扫、全扫、左扫、右扫、全洗、左洗、右洗、中洗;集十种模式于一体的多功能洗扫车。此十种工作模式均基于上述上装控制器、上装显示屏、副机等设备。

（1）全洗扫：显示屏操作全洗扫模式，吸口、左右扫刷、左右喷杆、吸口喷、副机等执行相应动作。显示屏上操作动作停止，相应设备复位。

（2）左洗扫：显示屏操作左洗扫模式，吸口、左扫刷、左喷杆、吸口喷、副机等执行相应动作。显示屏上操作动作停止，相应设备复位。

（3）右洗扫：显示屏操作左洗扫模式，吸口、右扫刷、右喷杆、吸口喷、副机等执行相应动作。显示屏上操作动作停止，相应设备复位。

（4）全扫：显示屏操作全扫模式，吸口、左右扫刷、副机等执行相应动作。显示屏上操作动作停止，相应设备复位。

（5）左扫：显示屏操作左扫模式，吸口、左扫刷、副机等执行相应动作。显示屏上操作动作停止，相应设备复位。

（6）右扫：显示屏操作右扫模式，吸口、右扫刷、副机等执行相应动作。显示屏上操作动作停止，相应设备复位。

（7）全洗：显示屏操作全洗模式，吸口、左右喷杆、吸口喷、副机等执行相应动作。显示屏上操作动作停止，相应设备复位。

（8）左洗：显示屏操作左洗模式，吸口、左喷杆、吸口喷、副机等执行相应动作。显示屏上操作动作停止，相应设备复位。

（9）右洗：显示屏操作右洗模式，吸口、右喷杆、吸口喷、副机等执行相应动作。显示屏上操作动作停止，相应设备复位。

（10）中洗：显示屏操作中洗模式，吸口、吸口喷、副机等执行相应动作。显示屏上操作动作停止，相应设备复位。

洗扫车工作时，喷杆喷出高压水，扫刷配合扫路，工作过程中，产生的脏水与杂物，由本车的吸口吸入污水箱，当清水箱缺水或污水箱污水满时（清水箱缺水，无法进行洗扫工作;污水箱污水满，产生的污水与杂物无法再收集;以上两种情况，均无法继续工作。），上装控制器收到清水箱缺水或污水箱水满的信号，自动复位当前的工作状态，并播报清水缺或者污水满语音报警，上装显示屏显示相应报警，避免了司机因清水缺或污水满继续工作，无法达到洗扫效果。

7 推进我国氢燃料环卫车发展的几点建议

众所周知，氢燃料电池汽车的燃料是氢气，排放物是水，排放的水可以直接饮用，其环保性可见一斑，而水又能通过电解方式产生氢气，再供氢燃料电池汽车行驶。所以，在技术上氢燃料环卫车是完全可以实现的。

（1）加强研发投入，突破共性关键技术。一是要提高电堆的工作电流密度，提高电堆的体积和重量比功率，降低电堆的成本;二是研究电堆的衰减机理，开发抗腐蚀、稳定的新材料，提高发电机的可靠性和耐久性。

（2）加强政府组织引导，优化行业管理服务。优化氢能源汽车行业管理服务，完善氢燃料汽车产业的管理体系，优化氢能源汽车行业的服务体系，引导氢能源汽车行业健康有序发展。

（3）整合优势资源，规范产业布局。优先聚焦资源及经济基础条件相对较好地区的相关企业，集中攻关氢能燃料汽车行业链的关键环节，大力发展产业集群，避免重复建设。

（4）加快行业标准建设，提高行业发展水平。一是理清标准体系框架，明确相关标准术语、整车安全、技术条件、试验方法、加氢系统等细分领域的标准体系。二是借鉴国外氢燃料电池产业发达国家的已建立的相关标准体系，结合中国国情与氢燃料电池产业的发展状况，对目前已有的氢燃料电池产业相关标准进行修改与完善。

8 结束语

综上所述，氢燃料产业正快速发展，国家层面高度重视产业发展，政策支持力度逐渐加大，地方政府也在加快布局，以抢占氢燃料电池汽车战略性新兴产业发展的机遇。氢燃料作为清洁能源，是未来发展趋势。我们将持续专注氢燃料电池技术创新，争取在城市清洁中发展氢燃料环卫车，推动中国氢能健康发展。

参考文献：

[1]王家恒，韩震.中国氢燃料电池技術发展现状及趋势[J].汽车实用技术，2019（22）：20-23.

[2]肖玉航.氢燃料电池产业在价值背景中稳步发展[J].理财，2019（11）：38-39.

[3]白秀娟，刘春梅，兰维娟，范晨阳，吴凤英.国内外车用氢燃料电池技术应用进展[J].广东化工，2019，46（20）：50-51.

[4]张泽明.氢燃料电池车发展前路几何[N].中国政府采购报，2019-09-13（005）.

[5]杨自斌.我国氢燃料电池汽车的发展现状及产业化探究[J].汽车实用技术，2019（16）：31-33.

[6]徐慧超，吕钊钦.新型洗扫车设计与仿真[J].山东农业大学学报（自然科学版），2016，47（01）：95-98.

[7]舟丹.中国要在氢燃料电池汽车的研发方面加把劲[J].中外能源，2019，24（09）：96.

[8]周琼芳，张全斌.我国氢燃料电池汽车加氢站建设现状与前景展望[J].中外能源，2019，24（09）：28-33.