氢燃料电池增程式混合动力系统概念设计

刘 剑

(安徽安凯汽车股份有限公司, 合肥 230051)

传统的氢燃料客车按动力系统混合方式分为: 纯氢燃料电池驱动(PFC)、与辅助动力电池联合驱动(FC+B)、与超级电容器联合驱动(FC+C)等[1]。他们存在以下不足：PFC燃料电池功率大，成本高，对燃料电池系统的动态性能和可靠性提出很高的要求，不能进行制动能量回收[2]；FC+B由于动力电池的大量使用使得整车质量和成本增加，动力性和经济性受到影响，同时氢反应堆和制动回收能量使电池充电较少、较慢；FC+C由于超级电容器比能量低，能量存储有限，峰值功率持续较短[3]。另外，在加氢站基础设施不完善的情况下，加氢较困难。为了解决上述不足，我公司立项开发氢燃料电池增程式混合动力系统。

1 混合动力系统基本构成

氢燃料电池增程式混合动力系统是由燃料电池、动力电池、发动机和发电机等构成,如图1所示。该系统充分发挥FC+B和增程式混合动力的优点，在复杂工况最优状态下工作[4]。在动力电池和氢燃料电池系统与总线都增加一个双向的DC/DC转换器，一方面使得动力电池的电压可以无需与总线电压保持一致，降低了动力电池的设计要求，同时更灵活方便地控制动力电池的充放电；另一方面解决氢燃料电池输出电压与驱动电机的工作电压产生电压差的问题，既保证驱动电机始终工作在其最佳工作电压范围内，又保证氢燃料电池的输出电压不受干扰和限制。

图1 系统的基本构成

2 工作原理和控制策略

2.1 工作原理

高压储氢系统中的氢气和空气中的氧气在氢燃料电池系统中发生氧化还原反应，产生的电能传输到驱动电机驱动车辆行驶，多余的电能流向动力电池储存起来；当动力不足时，动力电池可以单独输出能量；当氢燃料用完时，动力电池馈电则由外接充电口直接给予充电；当野外无加氢站、无充电桩时，发动机工作，利用发电机将发出的电量分别输送给电机或者动力电池，使得续航里程大大增加。

2.2 控制策略

车辆在运行过程中，综合考虑动力性、经济性和续驶里程三大控制目标，系统的控制策略如下:

1) 氢燃料电池模式。此驱动模式在客车行驶过程中采用ON/OFF控制策略，使氢燃料电池系统始终工作在高效区[5]。

2) 动力电池模式。当客车起步和功率需求量不大时，氢燃料电池系统关闭，动力电池单独工作，驱动电机带动车辆行驶。此驱动模式采用功率跟随控制策略，保持动力电池始终工作在最佳输出功率范围内，且动力电池的SOC荷电状态水平较高[6]。

3) 氢燃料电池和动力电池共同工作模式。当车辆启动、爬坡或者加速时，需求峰值功率较大，氢燃料电池系统不足以提供动力，动力电池可以提供峰值功率；当氢燃料电池系统经预热达到启动温度后，根据功率需求控制氢燃料电池系统是否开启，使氢燃料电池系统和动力电池尽可能得到最优控制。

4) 氢燃料电池系统充电模式。根据动力电池SOC值来判断氢燃料电池系统是否给其充电，当动力电池SOC小于设定值时，氢燃料电池系统同时为驱动电机和动力电池输出功率。

5) 充电模式。当附近没有加氢站而有充电桩(站)时，靠充电桩(站)的快充策略给动力电池充电，不耽误车辆的运营。

6) 发动机发电模式。当野外无加氢站、无充电桩，远距离行驶时，在动力电池电量不足、氢气使用完后，切换成发动机发电模式，使用串联式系统使发动机带动发电机发电,将发出的电量分别输送给驱动电机或者动力电池[7]。

7) 制动能量回收模式。车辆制动时，可根据当前的SOC对制动能量进行回收，驱动电机转换成发电机，给动力电池充电。

8) 加热打气管理模式。车辆在寒冷天气启动或者行驶时，动力电池加热和燃料电池堆加热不再采用电加热策略，改用发动机水循环加热;同时,发动机打气不仅节约电量和成本,而且能在加热时给动力电池充电。

3 混合动力系统主要参数计算

3.1 增程器和驱动电机参数匹配

该系统能够在恶劣的环境下工作和消除频繁的运行工况切换,只使用电机驱动;从整车最高车速、加速时间和最大爬坡度3个指标来评定，我国典型城市工况对应最大驱动功率为143.7 kW，因此，经计算选定驱动电机为永磁同步电机，额定功率为100 kW,峰值功率为155 kW；增程器由发动机和发电机组成,输出功率满足车辆以恒定车速行驶时所需功率,富余部分给动力电池充电[8]：

式中：PAPU为增程器输出功率；m为最大质量；f为摩擦系数；CD为风阻系数；A为迎风面积；ηt为传动效率；ηa为发动机效率；va为平均速度。

发电机的功率PG≥PAPU，发动机的功率PH≥PAPU/ηG，ηG为发电机效率，取0.9。经匹配计算，得发动机峰值功率为80 kW，最大扭矩为285 N·m，最大转速为1 600～2 600 r/min；发电机峰值功率为72 kW，最大扭矩为320 N·m，最大转速为3 000 r/min。

3.2 动力电池和氢燃料电池选择

1) 车载动力电池既要根据路况来满足100 km耗电量，又要考虑可以瞬间大电流充放电，待氢燃料电池响应后放电电流就会大幅降低；一般动力电池的总能量需要根据纯电模式的续驶里程确定：

式中:Eb为动力电池的总能量；ηe为减速器效率；ηd为驱动桥效率；Sa为续驶里程；SOCh为初始SOC值；SOCl为终止SOC值。

动力电池选择锰酸锂电池容量为70 Ah，标称电压621.4 V，电池存储能量为43.5 kW·h,组合方式为168串2并。

2) 氢燃料电池功率的选择对本系统结构设计非常重要。功率偏大则成本高，偏小则大负荷行驶工况需要的辅助能量提供的动力增加，氢燃料电池功率在整个行驶过程中提供较好的城市工况，必须能够单独满足其行驶要求，所以按客车的最高车速下的平均行驶阻力功率计算为：

式中：ηt为传动效率；ηe为动力耦合器效率；ηZ为DC/DC转换器效率；vmax为最大速度;Pfc为平均行驶阻力功率。

燃料电池输出功率：Ppo=Pfc+Pff

式中：Ppo为客车氢燃料电池的输出功率;Pff为动力电池的充电功率需求。

在国家现行标准匀速40 km/h的路况下，耗电量为45.8 kW·h/100 km，续驶里程按照350 km计算，所需动力电池容量为：

Qbat=Q/(λaλcλd)=35 A·h/0.7/0.9/0.8=
69.5 A·h

式中：Q为理想状态的容量；λa为SOC可用范围数值；λc为一致性修正参数；λd为性能衰退参数。

经计算，最高车速为70 km/h,氢燃料电池选择额定功率为30 kW的氢燃料反应堆系统。

4 混合动力系统主要布置

电路系统采用耐高温双重绝缘高压线束，配备漏电检测装置，具有高压过压短路保护报警功能；外接充电口、加氢口打开、高压零部件系统连接都进行高压安全互锁设计处理；紧急情况下如遇着火、氢泄漏、电流过大时,系统自动切断高压及供氢系统，同时让仪表显示报警信息，提醒驾驶员处理[9]。

该混合动力系统主要布置如图2所示，在客车底架安装压缩储氢气瓶和氢燃料冷却系统，设有加氢口;采用后置的安装方式将驱动电机与减速机构连接,发动机与发电机相连；氢燃料系统安装在车身后部的左侧，其冷却系统安装在车身的中部，整车的底部采用密封处理，上部和外侧舱门开格栅，自然通风，避免氢泄漏聚集。在获得空间最大化利用的同时,去掉传统的氢燃料电池车顶部的保护罩盖和两侧的护板，既减小了整车的整备质量，又节约了成本，并使车身外型更加美观[10]。

图2 系统的关键部件布置示意图

车辆的后尾是高压舱，舱内安装三合一控制器、动力电池等高压部件，如图3所示；通过三合一控制器中DC/DC转换器的双向控制实现动力电池的充放电，延长电池的使用寿命，同时氢燃料的DC/DC转换器避免驱动电机输出功率降低，提高氢燃料电池系统工作效率和整车的经济性能及动力性能；外部空气通过空气压缩机和空滤器进入氢燃料系统，确保氢气供给系统、氢燃料冷却系统、热管理系统等协调工作可靠运行；整车动力系统和控制系统是本系统的核心[11]。

图3 系统后尾安装分布图

5 结束语

对于恶劣、复杂的路况，本系统性能优越，根据8.5 m科力远氢燃料纯电动客车项目设计理念，对本项目10.5 m氢燃料电池增程式混合动力系统进行开发研究。本系统设计理念主要适用于当下加氢站较少的长途客车、长途卡车、货车、轮船等交通运输工具。但是在产业化过程中还存在许多技术问题，未来集中解决寿命、成本、性能以及车载制取氢气等问题[12]。