氫燃料電池汽車動力系統設計及性能仿真

王承祥，崔立堃，馮緒永，付 坤

（陜西理工大學 機械工程學院，陜西 漢中 723001）

21世紀以來，傳統燃油能源日益減少、環境污染愈演愈烈，以及溫室效應導致的全球變暖，給人類生存帶來巨大的威脅。針對這些問題，采取強有力的解決措施已迫在眉睫。大力發展新能源汽車就是這些措施中的重要組成部分[1]。其中，氫燃料電池汽車因其無污染、零排放成為電動汽車研究的一個熱點，其彌補了純電動汽車續駛里程短的缺陷，同時具有能量轉化效率高、良好的加速性能、高速度、長距離行駛和安全、舒適等性能[2-3]。目前，在“雙碳”目標驅動下，氫能源及氫燃料汽車得到更多關注和重視[4-6]。多年來，國內外對氫燃料電池汽車的研究發展迅速，國內的“超越系列”[7]“清能系列”[8]氫燃料電池汽車開展了一系列開拓性的應用研究。2016 年，美國通用汽車公司和軍方合作，以“雪佛蘭Colorado”為基礎設計研發了“Colorado ZH2”燃料電池汽車[9]，該款車型突出的優點為行駛時完全靜音。本田汽車公司推出的FCX Clarity燃料電池汽車從內部設計上提高了燃料電池功率，同時可以實現零排放[10]。后又對其進行了改進升級，對電子渦輪空壓機進行優化設計[11]，有效降低了加速時的汽車噪音。韓國現代汽車公司于2018年推出“NEXO”氫燃料電池汽車[12]，在滿氫氣狀態下和歐洲的續航測試工況標準（New European Driving Cycle, NEDC）下，最多可以行駛805 km。德國奔馳汽車公司于2017年推出“GLC F-Cell”燃料電池汽車[13-14]，該車型使用氫燃料和鋰電池混合動力系統，純電動可續航50 km，燃料電池和鋰電池共同續航可達500 km。

隨著計算機技術的發展，在汽車氫燃料動力系統的研究中，依靠軟件建模仿真顯示出強大的作用[15-18]。本文根據某內燃機汽車的整車結構參數和性能指標設計氫燃料電池動力系統，基于MATLAB平臺建立了氫燃料電池系統模型、電機控制器模型、動力蓄電池模型以及整車模型，選用中國城市道路工況，利用Advisor仿真軟件對氫燃料電池動力電池混合動力汽車進行仿真，并將仿真結果與原車動力性能指標以及設計指定的性能指標進行比較。

1 氫燃料電池動力系統設計

某汽油車的結構參數和性能指標如表1、表2所示，整車尺寸為4384 mm×1718 mm×1579 mm，現將其改為氫燃料電池動力系統，為最大程度地提高氫燃料電池動力系統的各項性能、增強其可靠性和可行性、降低其成本，采用氫燃料電池和動力蓄電池混合動力系統和功率跟隨式控制策略[19]為設計方案。該系統中蓄電池可以對車輛制動所產生的能量進行回收利用，并給氫燃料電池系統的冷啟動提供電量對氧氣、空氣、電堆加熱，大大提升動力系統的能量利用率和冷啟動性能。這樣的混合動力模式降低了對氫燃料電池的控制難度和動態響應要求以及制造維護成本，并能保證車輛在復雜工況下的正常行駛，增強車輛的動力性能。功率跟隨式控制能有效地滿足車輛動力性能對功率的需求，動態響應性能相對較強；對能量的利用效率高；能夠有效地避免蓄電池過充電和虧電現象，從而延長了蓄電池的使用時間以及系統的工作壽命，減少維護次數降低成本。

表1 整車結構參數

表2 車輛性能指標

1.1 動力系統的總體設計

圖1為所設計的氫燃料電池汽車動力系統，主要包括質子交換膜燃料電池、動力蓄電池、電機、傳動系統、直流/直流（Direct Current, DC/DC）變換器、其他用電設備以及車輛各部件控制器和控制總成組成。車輛控制總成監測整車的實時工況，進行數據采集并對其進行分析計算，向電池控制系統、驅動電機控制系統輸出動作信號，實現對整個動力系統的協同控制。根據不同工況的需要，驅動電機控制器，控制電機給予適當的功率和扭矩輸出；氫燃料電池和動力蓄電池的工作狀態以及驅動電機和傳動系統之間能量的流動方向都由控制總成和電池管理系統逐級控制。電池管理系統會根據實際工況為電機提供電能，以保證電機正常的功率需求，同時將過剩的輸出功率用于蓄電池充電。

圖1 動力系統結構圖

1.2 主要部件的選型計算

本設計將選擇籠型轉子式異步電機作為氫燃料電池汽車動力系統的驅動電機，其轉速、功率、轉矩[20]計算公式分別為

式中，V為最高車速；n為電機轉速；r為車輪半徑；i0為主減速比；ig為傳動速比；P為功率；η為機械效率；G為重力；f為滾動阻力系數；ua為車速；CD為空氣阻力系數；δ為汽車旋轉質量轉換系數；Gi為驅動力；T為轉矩。

由于本設計中的動力系統是由氫燃料電池和動力蓄電池共同組成，其中動力蓄電池作為輔助動力源只提供車輛在極端工況下，有大功率需求時的部分功率。因此，氫燃料電池所提供的功率必須滿足車輛在最高速度行駛時的要求，即

動力系統中動力蓄電池作為輔助動力源，其最大功率應大于等于驅動電機最大功率和氫燃料電池最大功率之差為

行駛里程所需能量為

式中，S為行駛里程；Wd為行駛里程所需能量；Pd為蓄電池功率。

蓄電池的放電量為

式中，Uc為蓄電池電壓；ηDOD為放電深度；Wb為蓄電池放電量。

綜上，各部件最終參數如表3所示。

表3 動力系統部件參數

2 動力系統的建模

基于Advisor軟件平臺，利用前文得到的設計參數，分別建立氫燃料電池模型、驅動電機模型、鋰離子動力蓄電池模型和車輛整車模型。

圖2為氫燃料電池模型，其輸入量為動力系統的實際功率需求（變量名為fc_pwr_out_r）；其輸出量為氫燃料電池的輸出功率（變量名為fc_pwr_out_a）和氫燃料的消耗以及排放物。在該模型中還需要燃料電池子模塊才能使其成功參與到仿真當中，燃料電池的實際輸出功率均由該模塊依據動力系統實際功率需求和燃料電池實時工況下可以輸出的最大功率計算得來。

圖2 氫燃料電池模型圖

根據仿真軟件處理數據的特點和驅動電機輸出輸入的數量和關系，以及前文所計算并確定的驅動電機的相關參數值，建立驅動電機模型如圖3所示。

圖3 驅動電機模型圖

圖4 為鋰離子蓄電池模型，1號子系統是電池內阻和開路電壓模塊，其功能是根據實時的荷電狀態值計算出開路電壓、蓄電池功率需求以及其內阻。2號子系統是電流計算模塊，其功能是根據電學規律（等效電路、基爾霍夫定律）推理的數學方程（模塊內部已經寫出）來計算出電池的電流值。3號子系統是荷電狀態值算法模塊，電池能放出電量以及該放出電量均由該模塊計算得出。4號子系統是功率限制模塊，其功能是依據驅動電機允許的最小電壓、等效電路參數、荷電狀態值這三個參數來限制蓄電池的工作功率以防超過限值。5號子系統是熱力學模塊，其功能是計算和反映電池內部和表面的實時溫度，決定是否對蓄電池采取冷卻保護動作。

圖4 鋰離子動力蓄電池模型圖

圖5 為本設計的整車模型，該模型由減速器、驅動電機及控制器、車輛附件、電源總成、鋰電池、車輪和半軸、排放系統、氫燃料電池以及功率跟隨式控制策略等多個子模型共同組成，最前端的循環工況模塊是用于在仿真中選擇特定循環工況。

圖5 車輛整車模型圖

3 仿真結果及分析

為研究所設計的氫燃料電池汽車動力系統和整車對各種道路工況的適應能力，在Advisor環境下選擇國內極具代表性的權威循環工況（中國城市工況）進行仿真測試，并同原車型性能指標進行對比。圖6為中國城市工況的特性曲線[21]，表4為中國城市工況的基本參數匯總。

表4 CYC_CHINA_CITY基本參數匯總

圖6 CYC_CHINA_CITY曲線圖

通過整車仿真參數的輸入、工況設置、性能測試仿真參數的設置等環節，得到該工況下的仿 真結果，如圖7所示。

由圖7可知，在中國城市工況下行駛5.9 km的循環中，此氫燃料電池汽車每行駛100 km消耗氫燃料為97.9 L，這個參數值相當于傳統內燃機汽車6.6 L燃油消耗量，比原車型的百公里燃油消耗量8.0 L節約了1.4 L，氫燃料的燃油消耗當量計算見文獻[22]。各類污染物的排放量均為零，完全符合設計指標，并驗證了氫燃料電池汽車無污染的基礎理論。加速及爬坡性能數據如表5所示，百公里加速時間為15 s，提高了11.7%；最大行駛速度為156.5 km/h，提高了4.3%；最大爬坡度為31.3%，提高了1.3%。

表5 CYC_CHINA_CITY下加速及爬坡性能數據

圖7 CYC_CHINA_CITY仿真結果圖

圖8 為鋰電池荷電狀態值曲線，鋰電池荷電狀態初始值為0.7，車輛剛啟動時，燃料電池還沒有對外輸出功率，此時鋰電池需要向電機輸出功率，并啟動氫燃料電池汽車，因此，其荷電狀態值會略有下降。在1000 s時荷電狀態值也有一個明顯的下降，因為此時的電機功率小，氫燃料電池系統再次關閉，由鋰電池單獨給車輛供能。電機的功率輸出變化情況和循環工況的速度時間變化曲線在一定程度上保持一致，如圖9所示，曲線中的負值體現的是氫燃料電池汽車在制動時回收再生能量的過程。氫燃料電池啟動后的輸出功率根據電機的功率以及鋰電池的荷電狀態值動態變化，在保證電機功率的需求的同時，也要根據功率跟隨式控制策略對鋰電池進行充電操作，例如在1300 s時氫燃料電池功率輸出明顯增大，電機功率輸出也明顯增大，鋰電池的荷電狀態值也開始回升，如圖10所示。

圖8 CYC_CHINA_CITY下蓄電池SOC變化圖

圖9 CYC_CHINA_CITY下電機輸出功率圖

圖10 CYC_CHINA_CITY下氫燃料電池輸出功率圖

4 總結

本文根據某汽油發動機動力系統車型及其動力性能，設計氫燃料電池動力系統，其采用氫燃料電池和動力蓄電池混合形式，控制策略采用功率跟隨模式，在建立氫燃料電池系統模型、電機控制器模型、動力蓄電池模型以及整車模型的基礎上，基于Advisor平臺就中國城市道路工況進行仿真測試，并與原車型的性能參數進行對比，結果表明，設計的氫燃料電池汽車的動力性能完全符合實際工況要求；在中國城市道路工況下，燃油經濟性提高了17.5%，加速時間提高了11.7%，最大爬坡度提高了1.3%。