燃料電池城市客車動力系統匹配與仿真研究*

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(貴州大學 機械工程學院，貴州 貴陽 550025)

0 引言

燃料電池汽車已被世界汽車業看作是未來新能源汽車發展的重要方向之一[1]。文獻[2]通過制定適用于燃料電池汽車建模與動態控制設計流程，開發一種隨機動態規劃算法，將其應用于燃料電池汽車的能量管理，從而實現經濟優化，同時保持了良好的駕駛性能。文獻[3]利用MATLAB/Simulink建立了燃料電池混合動力系統仿真車輛模型，并與使用混合控制單元實現邏輯閾值方法的功率控制策略并行，其具有在較低燃料消耗水平的同時實現所請求驅動功率的能力。文獻[4]對燃料電池轎車動力系統匹配方法進行研究，提出選擇能量源的方法；文獻[5]針對純電動汽車續駛里程短的問題，結合燃料電池與蓄電池的優點，對燃料電池+蓄電池增程式動力系統結構進行分析，提出根據能量管理策略和續駛里程要求確定燃料電池功率，再根據行駛習慣進行修正的動力系統匹配方法。

本文燃料電池城市客車采用燃料電池系統為主動力源，蓄電池組為輔助動力源的混合動力系統結構形式。依據燃料電池城市客車整車性能設計指標，分別對驅動電機、燃料電池、蓄電池組各部件進行了參數計算、匹配，利用ADVISOR搭建燃料電池城市客車模型，對所建立的中國典型城市道路循環工況、整車動力性能、純電動驅動模式下的續駛里程進行仿真，驗證所設計燃料電池城市客車動力性、純電動驅動模式下經濟性以及動力系統部件合理性。

1 燃料電池城市客車整車結構及參數

燃料電池+蓄電池混合動力系統結構如圖1。

圖1 燃料電池+蓄電池混合動力系統結構

通常由燃料電池系統提供車輛行駛所需動力，燃料電池系統和蓄電池組則在車輛爬坡、急加速等工況時共同提供所需動力，另外根據車輛行駛工況需求，有時車輛僅在純電動模式下行駛，可以有效避免單一燃料電池作為車輛動力系統能量源時所造成的車輛性能不足，從而提升車輛經濟性。針對動力系統各部件相關參數計算，合理地匹配出燃料電池輸出功率與蓄電池組輸出功率，滿足車輛行駛需要的功率穩態分量(勻速行駛狀態)和動態分量(如起步、加速狀態)，保證車輛的動力性[6]。

燃料電池城市客車結構參數如表1，其整車性能設計指標如表2。

表1 燃料電池城市客車結構參數

表2 燃料電池城市客車性能設計指標

2 動力系統各部件參數確定

2.1 驅動電機參數計算

需要計算驅動電機額定功率Pe與峰值功率Pm；額定轉速Ne與峰值轉速Nm；額定轉矩Te與峰值轉矩Tm。

2.1.1 驅動電機功率計算

1)燃料電池城市客車最高車速時所需功率

(1)

式中：g為重力常數，通常取9.8m/s2；ηt為傳動系機械效率，取0.92；ηmot為電機效率，取0.96。

2)燃料電池城市客車以恒定車速，爬上一定坡度所需功率

(2)

式中：αmax=arctan(imax)。

3)燃料電池城市客車由靜止加速到50 km/h所需功率

(3)

將整車參數分別代入式(1)(2)(3)可得：Pm-umax=87.61kW，Pm-imax=175.76 kW，Pm-amax=90.08kW。

綜上，驅動電機峰值功率應同時滿足燃料電池城市客車最高車速、最大爬坡度、加速度的要求[7]。所以，驅動電機峰值功率：

Pm≥max{Pm-umax,Pm-imax,Pm-amax}=175.76kW

(4)

考慮功率損耗等，驅動電機峰值功率圓整取Pm=180kW，則驅動電機額定功率：

(5)

式中：λ為驅動電機過載系數，取1.8[8]，可得其額定功率Pe=100 kW。

2.1.2 驅動電機轉速計算

驅動電機峰值轉速Nm應滿足燃料電池城市客車最高車速需求，即：

(6)

計算得：Nm≥2213 r/min。

驅動電機峰值轉速圓整取Nm≥2500 r/min?？紤]燃料電池城市客車在市區行駛時通常處于低速工況，并且常伴有紅、綠燈，進出站的啟停狀態，因此驅動電機基速比的選取應保證其有較好能量轉換效率，選擇驅動電機基速比β=2.5，則驅動電機額定轉速為：

(7)

計算得：Ne=1000 r/min

2.1.3 驅動電機轉矩計算

依據公式(2)可得驅動電機峰值轉矩為：

(8)

式中：ig為變速器傳動比，取1。

計算得：Tm=3488.41 Nm。

考慮燃料電池城市客車極端工況下的功率損耗，選取驅動電機峰值轉矩為Tm=3600 Nm，則驅動電機額定轉矩：

(9)

式中：Pe為驅動電機額定功率；Ne為驅動電機額定轉速。

計算得：Te=955 Nm。

根據理論計算結果，綜合對比各類電機性能參數及特點，選定永磁同步電機作為驅動電機。

2.2 燃料電池參數計算

燃料電池城市客車驅動電機所需功率為燃料電池與蓄電池組功率之和，即：

Pm=Pfc+Pb

(10)

式中：Pm為驅動電機需求功率；Pfc為燃料電池輸出功率；Pb為蓄電池組輸出功率。

通過前述對比計算可知，最高車速計算出的驅動電動機功率取最大值，此時驅動電機功率即為燃料電池系統輸出功率，燃料電池城市客車有最大后備功率，其加速、爬坡性能最優，根據(1)式可知：Pfc=87.61 kW。

燃料電池最大凈輸出功率圓整取Pfcmax=100 kW，選取能量轉換率高、可靠性高的質子交換膜燃料電池系統作為燃料電池城市客車主動力源。

2.3 蓄電池參數確定

根據功率分配原則，由式(10)可得：

Pbmax≥Pmmax-Pfcmax

(11)

式中：Pbmax為燃料電池最大輸出功率。

計算可得：Pbmax=80 kW。

根據整車性能設計指標，燃料電池城市客車以uele勻速行駛時蓄電池組負載功率：

(12)

式中：Pele為蓄電池組負載功率；ηbat為蓄電池組放電效率，取0.95。

等速uele條件下，燃料電池城市客車行駛距離S所需能量：

(13)

式中：Wroad燃料電池城市客車行駛所需能量。

蓄電池組在一定放電深度下釋放能量：

(14)

式中：U0為蓄電池組電壓；Wele為蓄電池組釋放能量；C為蓄電池組容量；ζSOC為蓄電池組有效放電容量(15%～95%)。

由式(12)、(13)、(14)可得蓄電池組容量：

(15)

計算得：C=335.5 A·h

考慮燃料電池城市客車實際運行時，電器附件耗電量約占整車耗電量15%左右以及蓄電池內阻損耗，最終確定蓄電池組容量C=360 A·h。

通過對比各種蓄電池性能參數，可知磷酸鐵鋰電池工作溫度范圍廣、充放電電荷大，較適合用作燃料電池城市客車動力電池組，其主要性能參數如表3。

表3 動力電池組主要參數

3 基于ADVISOR仿真結果

ADVISOR是美國可再生能源實驗室NREL在MATLAB和SIMULINK軟件環境下開發的高級車輛仿真軟件，可以通過參數輸入實現燃料電池城市客車仿真測試[9-10]。

ADVISOR仿真后的主要輸出結果包括各部件變量輸出結果、整車燃油消耗結果、整車排放性能結果及加速與爬坡試驗結果等。

3.1 車速跟隨結果

圖2所示為車速跟隨結果曲線，曲線cyc_ kph_ r和曲線kpha分別代表燃料電池城市客車在中國典型城市道路循環工況下的需求車速和實際車速，由圖2可知，實際車速與循環工況需求車速相等。

圖2 車速跟隨結果曲線

3.2 蓄電池SOC結果

圖3 蓄電池組SOC狀態曲線

蓄電池組SOC狀態如圖3所示。蓄電池組初始SOC=0.7，蓄電池組SOC上限值cs_ lo_ soc=0.8及下限值cs_ hi_ soc=0.4。

由圖3可知，在選擇仿真的中國典型城市道路循環工況中，蓄電池組SOC始終保持在0.69～0.72之間。

3.3 動力系統部件輸出功率結果

圖4所示為燃料電池城市客車行駛過程中，燃料電池實際輸出功率、蓄電池組實際輸出功率以及驅動電機實際輸入功率變化曲線。燃料電池城市客車剛起步時，完全由蓄電池組輸出功率；隨著車速的提高，燃料電池城市客車正常行駛所需功率由燃料電池系統提供；當燃料電池城市客車處于爬坡或急加速工況時，燃料電池系統無法提供驅動電機所需峰值功率，蓄電池組作為輔助動力源和燃料電池系統一起提供驅動電機所需功率。

圖4

3.4 動力性能仿真結果

動力性能仿真結果如表4。

表4 車輛動力性能仿真結果

3.5 純電動模式續駛里程仿真結果

圖5所示為燃料電池城市客車純電動續駛里程仿真結果，在純電動驅使模式下，蓄電池組初始SOC為0.8，燃料電池客車以40 km/h速度行駛100.6 km時，蓄電池組SOC變為0.22。

圖5 純電動續駛里程仿真結果

4 結論

對燃料電池城市客車動力系統結構選型及各部件參數計算、匹配，運用ADVISOR搭建整車模型，建立中國典型城市道路循環工況進行仿真，結果表明車速跟隨效果良好；蓄電池組SOC在有效范圍內變化；動力系統各部件均工作在較高效率區間并且能夠滿足車輛行駛工況的功率需求。

對整車動力性能和純電動驅動模式下的經濟性能進行仿真，結果表明最高車速、最大爬坡度、0～50 km/h加速時間均能滿足性能設計指標。純電動驅動模式下的續駛里程滿足性能設計指標。

基金項目：H6純電動商務車關鍵技術研究與產業化(黔科合重大專項字〔2015〕6007)；創新基地名稱《面向智能裝備領域的“技術眾籌”研究生創新基地》；貴大研CXJD〔2015〕003。