一種氫燃料電池電電混合城市客車試驗循環典型工況研究

李傲伽, 張炳力, 程嘯宇, 方 濤, 朱 鶴

(1.合肥工業大學 汽車與交通工程學院, 合肥 230009； 2.安徽安凱汽車股份有限公司, 合肥 230051)

氫燃料電池汽車無污染，解決了純電動汽車在續駛方面的短板，是當前新能源汽車研究的一大熱點。目前國內外缺乏氫燃料電池電電混合客車經濟性和可靠性試驗規范?，F有資料對氫燃料電池電堆壽命或動力電池循環充放電次數等的研究較多，但并未涉及對氫燃料電池發動機和動力電池組成的混合動力單元。對于氫燃料電池客車整車而言，單獨進行氫燃料電池發動機及動力電池等可靠性試驗存在一定的局限性。

目前氫燃料電池城市客車還在小規模運行階段，還沒有足夠的有效行駛數據以建立相關的行駛工況。但是，氫燃料電池客車與純電動客車在驅動系統上具有相似性，其“電電混合”也是雙電源系統的混合，底層的參數很相似。因此，本文以合肥市純電動城市客車的行駛數據建立出的行駛工況曲線為基礎，設計一種氫燃料電池城市客車試驗循環典型工況，可用于其經濟性和可靠性試驗。

1 構建純電動公交行駛工況曲線

1.1 線路選擇及采集數據

公交線路的選擇關系到擬合的行駛工況是否能真實反映合肥市的道路情況。因此，選擇的試驗線路要能夠代表城市客車行駛中的所有道路類型。本文選取4條公交線路作為試驗線路。這4條線路貫穿整個合肥市區，重疊路段少，包含合肥市城市客車行駛路線的所有類型：快速路、主干道、次干道、支路，并且包含了一環、二環內的城區道路及二環外的郊區道路。既含有交通擁堵路段，又有暢通路段，能充分代表合肥市的道路實際情況。

聯合使用行駛記錄儀與GPS信號接收儀，跟車采集城市客車的位置與車速信息，連續采集7天。在每天的7∶00～21∶00時段往返采集，涵蓋了交通的高峰與低峰時段，采集頻率1 Hz，得到原始數據160多萬條。

1.2 短行程劃分及計算特征參數

城市客車行駛過程中，由于進站停車或受制于道路交通條件，必然要歷經多次怠速停車、起步加速、勻速行駛、制動減速、再次怠速的工況循環。城市客車運行時一次怠速的開始到下一次怠速的開始定義為一個短行程片段。據此將采集的原始數據進行劃分與處理，得到13 591個短行程片段。選取平均車速V1、平均運行車速V2(不包括怠速時間的平均速度)、加速階段(加速度a>0.1 m/s2)的平均加速度aa、減速階段(加速度a<-0.1 m/s2)的平均加速度ad、怠速時間(車速v<1 km/h且加速度絕對值|a|≤0.1 m/s2)比例Ps、勻速時間(車速v不為0且加速度絕對值|a|<0.1 m/s2)比例Pi、減速Pd和加速Pa時間比例這 8 個特征參數來表征各個短行程片段的特征。經處理得到各運動學片段的特征參數值見表1。

表1 部分短行程的特征參數

1.3 主成分分析及聚類

每個短行程片段都使用以上8個特征參數來表征，較多的參數會增加聚類分析的難度。所以采用主成分分析進行“降維”處理，考查與運動學片段聯系較為緊密的參數，并選取其進行聚類分析，降低分析難度。

用 MATLAB 的 zscore和cov函數對表1中的數據進行標準化并計算其協方差矩陣；計算協方差矩陣的特征值和特征向量；通過特征值再計算主成分中各個向量的貢獻率、載荷矩陣和累計貢獻率。前 8 個主成分 M1～M8的結果見表2。

表2 8個特征值主成分貢獻率及累計貢獻率

一般只需要選擇累計貢獻率在 80% 以上的主成分即可。由表 2 可知，主成分M1～M4 的累計貢獻率達到了 92.35%，因此，只需要選擇主成分 M1～M4 進行下面的分析即可，其載荷矩陣見表3。

表3 主成分載荷矩陣

通過主成分載荷矩陣可以得到各主成分與各特征參數的相關程度，載荷系數絕對值越大，相關程度越高。由表3可知，以載荷系數絕對值≥0.5為界定標準，主成分M1與平均車速V1和怠速時間比例Ps相關程度較高；M2與平均運行車速V2相關程度較高；M3與減速階段平均加速度ad和勻速時間比例Pi相關程度較高；M4與加速階段平均加速度aa相關程度較高。

通過K-means[1]聚類分析，將13 591個運動學片段分為3種明顯特征類，見表4。其中擁堵工況含有運動學片段4 312個，平均速度最低，為6.63 km/h；一般工況含有運動學片段4 988個，平均速度為15.32 km/h；通暢工況含有運動學片段4 291個，平均速度最高，為22.41 km/h。3種工況占城市客車運行時間的比例分別為：31.73%、36.70%、31.57%。

表4 3種工況的運行狀態時間比例分布 %

1.4 構建純電動公交工況

使用MATLAB軟件，按照K-means聚類的結果計算各短行程片段與其所在類中心點的歐氏距離并進行升序排列，將對應的短行程片段保存。參考國內外的相關行駛工況[2-5]及臺架試驗要求，循環行駛工況總時間范圍設為0～1 500 s。依據聚類后各簇樣本的總時間長度占總樣本時長的比例(表4)確定各簇代表工況的時長，將選出的樣本拼接合成合肥市純電動公交行駛工況(HFEB-DC)曲線，總時長1 476 s，如圖1所示。

圖1 合肥市純電動公交工況曲線

考慮到氫燃料電池客車與純電動客車在驅動系統上的相似性，下面以該HFEB-DC曲線為基礎進行氫燃料電池電電混合城市客車實車臺架運行效果分析，并建立氫燃料電池電電混合城市客車的試驗循環典型工況。

2 試驗循環典型工況的建立及實施

2.1 搭建試驗平臺及試驗結果

為了得到氫燃料電池電電混合城市客車在HFEB-DC曲線下各工作模式的時間比例和動力單元的輸出功率特性及區間分布情況，在項目合作單位的幫助下，完成了氫燃料電池客車試驗平臺的搭建。試驗臺架由整車環境艙、寶克9248型底盤測功機、AVL MOVE車載排放測試系統、氫氣流量計和電耗計等設備組成，可完成整車的動力性、經濟性及可靠性等試驗。根據測試要求，試驗開始前需將氫燃料電池城市客車的動力電池充電或放電至60%。

將圖1所示的HFEB-DC曲線導入到試驗臺架中，駕駛員按照顯示屏上的目標車速和實際車速操作氫燃料電池客車，進行循環工況測試。將采集到的氫燃料電池城市客車燃料電堆、動力電池和電機運行參數進行數據整理，部分結果見表5，輸出功率曲線如圖2所示。

表5 燃料電池客車HFEB-DC運行有關參數統計

(a) 動力電池輸出功率曲線

2.2 試驗數據分析及建立試驗循環典型工況

1) 由表5和圖2可知, 在HFEB-DC運行中, 燃料電池城市客車的燃料電堆在怠速的工作點最多，在較低功率(0～5 kW)的工作點較多，燃料電堆輸出功率范圍比較廣；動力電池充電功率(負值)占總工況的44.84%，動力電池放電功率占總工況的35.5%，動力電池工況變化比較頻繁，放電工況和充電工況多數都工作在額定放電功率和額定充電功率范圍內。

2) 根據采集以及計算得到的車速、加減速度、動力單元輸出功率(圖2)等參數，統計分析出在HFEB-DC曲線下各工況模式工作時間比例，見表6。

表6 氫燃料電池城市客車工況循環時間比例

由圖2和表6可知，動力單元運行工況復雜，瞬態工況在試驗臺架上執行比較困難。因此，試驗循環典型工況從穩態工況進行分析。動力單元穩態工況包括純電動工況、純燃料電池工況、混合驅動工況、巡航充電工況和制動能量回收工況。參考國內相關標準[6-7]，試驗循環典型工況時間確定為1 800 s(30 min)。計算表6中怠速工況外其他工況分別占非怠速工況的比例及運行時間，見表7，并制定了基于圖1的一種燃料電池電電混合城市客車試驗循環典型工況，如圖3所示。

表7 各工況時間分布表

圖3 氫燃料電池電電混合城市客車試驗典型工況(單個循環)

2.3 試驗實施方式

1) 經濟性試驗。將被測試氫燃料電池電電混合客車置于測試臺上，并對被測試氫燃料電池客車進行充電至動力電池荷電狀態的上限。充電完成后，依照圖3依次進行各工況測試。單個循環結束后，記錄車輛的行駛里程并計算GB/T 19754—2015[8]定義的燃料消耗量(單位：L/100 km)和電能量消耗量(單位：kWh/100 km)。重復循環典型工況測試，根據整車廠規定情況，求取燃料消耗量和電能量消耗量的平均值作為車輛的經濟性試驗結果。

2) 可靠性試驗。將被測試氫燃料電池電電混合客車置于測試臺上，啟動燃料電池發動機，在一定功率下暖機至額定工作條件，然后依照圖3依次進行各工況測試。重復循環典型工況測試，比較燃料電池發動機和動力電池性能隨時間的變化。定義當燃料電池發動機或動力電池最低工作電壓所對應的功率值下降到整車廠規定的極限值時，即為動力單元壽命終結，則停止試驗。動力單元在此循環工況下運行的總有效時間(或循環次數)可作為考核其可靠性的準則。

3 結束語

本試驗循環典型工況，只適用于氫燃料電池電電混合城市客車，不適用于其他類型客車。此外，本工況對氫燃料電池和動力電池的負荷控制需有獨立的執行機構進行操作。