插电式燃料电池混合动力客车设计

冉 昊 陈嘉辉 唐 科 杨金龙

（重庆交通大学 机电与车辆工程学院，重庆400074）

面临世界能源危机与大气环境污染问题，电动汽车是汽车未来发展的重要方向。为达到无污染、零排放的目标，燃料电池混合动力汽车已成为城市公交车的一个重要发展方向。由城市公交车运行工况的特点可知，车辆需要频繁地进行起停、加减速，导致车辆的功率动态变化较快。受限于燃料电池的动态响应性和耐久性，以燃料电池为唯一能源的电动汽车的性能会受到明显影响[4]。

基于上述原因，本文提出了一种采用燃料电池与蓄电池和超级电容混合驱动（FC+B+C）的插电式电动汽车结构，并以某型城市公交车的性能要求进行构型与参数设计，并建立模型进行仿真，验证了设计方案的可行性。

1 动力系统基本结构

插电式燃料电池混合动力客车设计方案的动力系统基本结构，如图1 所示。燃料电池具有高效率、高能量密度的特点，主要提供客车巡航时所需的平均功率。蓄电池具有高比功率、高负载的优点，与超级电容作为峰值电源满足峰值功率需求，并且蓄电池能驱动客车一定续驶里程，储存回收制动能量所产生的电能。超级电容具有快速大电流充放电的特性，为客车起步时提供大电流，完善了蓄电池的不足并延长其寿命[1]。

图1 动力系统基本结构

整车动力系统结构属于串联式混合动力结构，整车能源由燃料电池和辅助电源共同或单独提供，故需要电耦合装置进行调节，保证车辆在行驶工况下的功率需求。

因此电压总线需要通过DC/DC 转换器控制电流的流动进行功率分配。出于对系统的效率、控制的难易程度等考虑，本文采取的电电耦合方案，如图2 所示。

图2 电耦合方案

该结构使辅助电源电压与总线电压相同，且DC/DC 转换器可控制燃料电池的放电电流，使燃料电池和辅助电源都能正常工作。辅助电源直接与电压总线连接，没有其他元器件的能量损耗，提高了能量利用率。因为燃料电池的能量单向流动，且能明确在整车动力系统中承担的最大输出功率，故单向DC/DC 转换器满足燃料电池的额定功率即可[3]。

2 能量控制策略及整车控制系统

为使燃料电池工作在最佳工作区间，以及辅助电源能满足整车的峰值功率的需求，需要对能量进行控制分配。基于电流控制的能量管理策略是给DC/DC 转换器设置目标电流指令来控制燃料电池的输出功率。由峰值电源提供功率需求的高频部分，在满足功率需求的同时，改善了燃料电池的效率及安全性，且燃料电池能及时补充峰值电源消耗的能量[4]。

3 整车参数设计

3.1 驱动电机的选型匹配。考虑到车内空间、多种工作模式切换等因素，综合考虑选择异步电动机作为整车驱动系统。

根据汽车理论，通过功率平衡来计算峰值功率。

带入整车参数，可得：

根据额定功率与峰值功率的关系得出电动机的额定功率。

驱动电动机的额定功率必须达到最高车速时的牵引功率，所以λ=3，pe=68kw。

电机的最大转矩：

电机的额定转矩：

电机的最高转速：

由于过高的电动机转速会导致传动比增大，传动系的体积、质量、传动损耗增大，故电动机的最高转速为2700r/min。扩大恒功率区系数β 取3，电动机的额定转速ne=900r/min。

3.2 燃料电池。本文选择质子交换膜燃料电池。燃料电池单独提供汽车最大速度稳定行驶的功率时，还需留有一定的富余功率对蓄电池进行充电。

最高车速行驶时，电机的功率为40kw，考虑到车辆电气设备的功率消耗，并且燃料电池需留有一定的后备功率。故燃料电池的功率选取50kw。

3.3 辅助动力源。（1）蓄电池的选型与参数确定。考虑到车辆实际运行情况，保证城市公交车的安全性等，本文选择金属氢化物镍电池作为蓄电池。蓄电池的放电功率应能满足起步、加速等峰值功率需求；其最大充电功率能满足制动能量的回收。按中国城市客车典型工况纯电续驶里程和等速工况纯电续驶里程计算，选择电池容量为120Ah/530V，总电量63.6kWh；电池系统具备峰值功率3C充放电能力。（2）超级电容数量的确定。在确定的车型结构布置和系统电压下，影响超级电容数量的因素主要为：超级电容输出功率、充放电时间、车辆的加速与制动时间的限制。通过设计目标计算，选择单体电容量为300F 超级电容197 个，单体工作电压2.7V，单体电容工作电流17A，单体电容电量1.4Ah，单体电容内阻0.028Ω。

3.4 储氢系统。在满足续驶里程的要求下，采用商用车常用的35MPa 高压储氢技术，由8 只145L 的高压储氢瓶储存氢气，有效储氢量24.8kg，等效发电量在335kWh 左右，可满足整车300km 工况续驶里程要求[2]。

4 整车仿真

4.1 仿真模型。本文采用CRUISE 仿真软件，基于中国典型城市道路循环工况进行动力系统建模仿真。建立燃料电池混合动力客车动力系统模型如图3 所示。

图3 动力系统仿真模型

4.2 动力系统仿真结果。结果表明：超级电容的高效充放电特点，使车辆具有较好的经济性。蓄电池作为辅助电源，使汽车能达到所需的动力性，并且燃料电池不会明显受到其动态变化的影响。总体性能满足城市公交车的运行要求。

5 结论

燃料电池电动汽车具有高效、零排放、续驶里程长等特点，是未来电动车发展与研究的重要方向。本文提出了一种燃料电池混合动力客车的系统构型，并通过CRUISE 进行建模仿真，验证了其动力系统的合理性。