燃料电池城市客车动力系统匹配与仿真研究*

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(贵州大学 机械工程学院，贵州 贵阳 550025)

0 引言

燃料电池汽车已被世界汽车业看作是未来新能源汽车发展的重要方向之一[1]。文献[2]通过制定适用于燃料电池汽车建模与动态控制设计流程，开发一种随机动态规划算法，将其应用于燃料电池汽车的能量管理，从而实现经济优化，同时保持了良好的驾驶性能。文献[3]利用MATLAB/Simulink建立了燃料电池混合动力系统仿真车辆模型，并与使用混合控制单元实现逻辑阈值方法的功率控制策略并行，其具有在较低燃料消耗水平的同时实现所请求驱动功率的能力。文献[4]对燃料电池轿车动力系统匹配方法进行研究，提出选择能量源的方法；文献[5]针对纯电动汽车续驶里程短的问题，结合燃料电池与蓄电池的优点，对燃料电池+蓄电池增程式动力系统结构进行分析，提出根据能量管理策略和续驶里程要求确定燃料电池功率，再根据行驶习惯进行修正的动力系统匹配方法。

本文燃料电池城市客车采用燃料电池系统为主动力源，蓄电池组为辅助动力源的混合动力系统结构形式。依据燃料电池城市客车整车性能设计指标，分别对驱动电机、燃料电池、蓄电池组各部件进行了参数计算、匹配，利用ADVISOR搭建燃料电池城市客车模型，对所建立的中国典型城市道路循环工况、整车动力性能、纯电动驱动模式下的续驶里程进行仿真，验证所设计燃料电池城市客车动力性、纯电动驱动模式下经济性以及动力系统部件合理性。

1 燃料电池城市客车整车结构及参数

燃料电池+蓄电池混合动力系统结构如图1。

图1 燃料电池+蓄电池混合动力系统结构

通常由燃料电池系统提供车辆行驶所需动力，燃料电池系统和蓄电池组则在车辆爬坡、急加速等工况时共同提供所需动力，另外根据车辆行驶工况需求，有时车辆仅在纯电动模式下行驶，可以有效避免单一燃料电池作为车辆动力系统能量源时所造成的车辆性能不足，从而提升车辆经济性。针对动力系统各部件相关参数计算，合理地匹配出燃料电池输出功率与蓄电池组输出功率，满足车辆行驶需要的功率稳态分量(匀速行驶状态)和动态分量(如起步、加速状态)，保证车辆的动力性[6]。

燃料电池城市客车结构参数如表1，其整车性能设计指标如表2。

表1 燃料电池城市客车结构参数

表2 燃料电池城市客车性能设计指标

2 动力系统各部件参数确定

2.1 驱动电机参数计算

需要计算驱动电机额定功率Pe与峰值功率Pm；额定转速Ne与峰值转速Nm；额定转矩Te与峰值转矩Tm。

2.1.1 驱动电机功率计算

1)燃料电池城市客车最高车速时所需功率

(1)

式中：g为重力常数，通常取9.8m/s2；ηt为传动系机械效率，取0.92；ηmot为电机效率，取0.96。

2)燃料电池城市客车以恒定车速，爬上一定坡度所需功率

(2)

式中：αmax=arctan(imax)。

3)燃料电池城市客车由静止加速到50 km/h所需功率

(3)

将整车参数分别代入式(1)(2)(3)可得：Pm-umax=87.61kW，Pm-imax=175.76 kW，Pm-amax=90.08kW。

综上，驱动电机峰值功率应同时满足燃料电池城市客车最高车速、最大爬坡度、加速度的要求[7]。所以，驱动电机峰值功率：

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

(4)

考虑功率损耗等，驱动电机峰值功率圆整取Pm=180kW，则驱动电机额定功率：

(5)

式中：λ为驱动电机过载系数，取1.8[8]，可得其额定功率Pe=100 kW。

2.1.2 驱动电机转速计算

驱动电机峰值转速Nm应满足燃料电池城市客车最高车速需求，即：

(6)

计算得：Nm≥2213 r/min。

驱动电机峰值转速圆整取Nm≥2500 r/min。考虑燃料电池城市客车在市区行驶时通常处于低速工况，并且常伴有红、绿灯，进出站的启停状态，因此驱动电机基速比的选取应保证其有较好能量转换效率，选择驱动电机基速比β=2.5，则驱动电机额定转速为：

(7)

计算得：Ne=1000 r/min

2.1.3 驱动电机转矩计算

依据公式(2)可得驱动电机峰值转矩为：

(8)

式中：ig为变速器传动比，取1。

计算得：Tm=3488.41 Nm。

考虑燃料电池城市客车极端工况下的功率损耗，选取驱动电机峰值转矩为Tm=3600 Nm，则驱动电机额定转矩：

(9)

式中：Pe为驱动电机额定功率；Ne为驱动电机额定转速。

计算得：Te=955 Nm。

根据理论计算结果，综合对比各类电机性能参数及特点，选定永磁同步电机作为驱动电机。

2.2 燃料电池参数计算

燃料电池城市客车驱动电机所需功率为燃料电池与蓄电池组功率之和，即：

Pm=Pfc+Pb

(10)

式中：Pm为驱动电机需求功率；Pfc为燃料电池输出功率；Pb为蓄电池组输出功率。

通过前述对比计算可知，最高车速计算出的驱动电动机功率取最大值，此时驱动电机功率即为燃料电池系统输出功率，燃料电池城市客车有最大后备功率，其加速、爬坡性能最优，根据(1)式可知：Pfc=87.61 kW。

燃料电池最大净输出功率圆整取Pfcmax=100 kW，选取能量转换率高、可靠性高的质子交换膜燃料电池系统作为燃料电池城市客车主动力源。

2.3 蓄电池参数确定

根据功率分配原则，由式(10)可得：

Pbmax≥Pmmax-Pfcmax

(11)

式中：Pbmax为燃料电池最大输出功率。

计算可得：Pbmax=80 kW。

根据整车性能设计指标，燃料电池城市客车以uele匀速行驶时蓄电池组负载功率：

(12)

式中：Pele为蓄电池组负载功率；ηbat为蓄电池组放电效率，取0.95。

等速uele条件下，燃料电池城市客车行驶距离S所需能量：

(13)

式中：Wroad燃料电池城市客车行驶所需能量。

蓄电池组在一定放电深度下释放能量：

(14)

式中：U0为蓄电池组电压；Wele为蓄电池组释放能量；C为蓄电池组容量；ζSOC为蓄电池组有效放电容量(15%～95%)。

由式(12)、(13)、(14)可得蓄电池组容量：

(15)

计算得：C=335.5 A·h

考虑燃料电池城市客车实际运行时，电器附件耗电量约占整车耗电量15%左右以及蓄电池内阻损耗，最终确定蓄电池组容量C=360 A·h。

通过对比各种蓄电池性能参数，可知磷酸铁锂电池工作温度范围广、充放电电荷大，较适合用作燃料电池城市客车动力电池组，其主要性能参数如表3。

表3 动力电池组主要参数

3 基于ADVISOR仿真结果

ADVISOR是美国可再生能源实验室NREL在MATLAB和SIMULINK软件环境下开发的高级车辆仿真软件，可以通过参数输入实现燃料电池城市客车仿真测试[9-10]。

ADVISOR仿真后的主要输出结果包括各部件变量输出结果、整车燃油消耗结果、整车排放性能结果及加速与爬坡试验结果等。

3.1 车速跟随结果

图2所示为车速跟随结果曲线，曲线cyc_ kph_ r和曲线kpha分别代表燃料电池城市客车在中国典型城市道路循环工况下的需求车速和实际车速，由图2可知，实际车速与循环工况需求车速相等。

图2 车速跟随结果曲线

3.2 蓄电池SOC结果

图3 蓄电池组SOC状态曲线

蓄电池组SOC状态如图3所示。蓄电池组初始SOC=0.7，蓄电池组SOC上限值cs_ lo_ soc=0.8及下限值cs_ hi_ soc=0.4。

由图3可知，在选择仿真的中国典型城市道路循环工况中，蓄电池组SOC始终保持在0.69～0.72之间。

3.3 动力系统部件输出功率结果

图4所示为燃料电池城市客车行驶过程中，燃料电池实际输出功率、蓄电池组实际输出功率以及驱动电机实际输入功率变化曲线。燃料电池城市客车刚起步时，完全由蓄电池组输出功率；随着车速的提高，燃料电池城市客车正常行驶所需功率由燃料电池系统提供；当燃料电池城市客车处于爬坡或急加速工况时，燃料电池系统无法提供驱动电机所需峰值功率，蓄电池组作为辅助动力源和燃料电池系统一起提供驱动电机所需功率。

图4

3.4 动力性能仿真结果

动力性能仿真结果如表4。

表4 车辆动力性能仿真结果

3.5 纯电动模式续驶里程仿真结果

图5所示为燃料电池城市客车纯电动续驶里程仿真结果，在纯电动驱使模式下，蓄电池组初始SOC为0.8，燃料电池客车以40 km/h速度行驶100.6 km时，蓄电池组SOC变为0.22。

图5 纯电动续驶里程仿真结果

4 结论

对燃料电池城市客车动力系统结构选型及各部件参数计算、匹配，运用ADVISOR搭建整车模型，建立中国典型城市道路循环工况进行仿真，结果表明车速跟随效果良好；蓄电池组SOC在有效范围内变化；动力系统各部件均工作在较高效率区间并且能够满足车辆行驶工况的功率需求。

对整车动力性能和纯电动驱动模式下的经济性能进行仿真，结果表明最高车速、最大爬坡度、0～50 km/h加速时间均能满足性能设计指标。纯电动驱动模式下的续驶里程满足性能设计指标。

基金项目：H6纯电动商务车关键技术研究与产业化(黔科合重大专项字〔2015〕6007)；创新基地名称《面向智能装备领域的“技术众筹”研究生创新基地》；贵大研CXJD〔2015〕003。