燃料電池轎車動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

盧 冶，干 頻，劉 奮

(上海汽車集團股份有限公司新能源汽車事業(yè)部，上海204801)

燃料電池汽車可以做到整車功率密度接近傳統(tǒng)汽車并且效率高，清潔無污染。然而，目前國內(nèi)外燃料電池系統(tǒng)的應(yīng)用成本、可靠性和使用壽命仍處開發(fā)優(yōu)化期。設(shè)計燃料電池轎車動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，動力源如過度依賴燃料電池系統(tǒng)，則整車成本高、性能會受限，不利于大量應(yīng)用。

動力源采用動力蓄電池和燃料電池雙電源組合、以動力蓄電池為主，降低燃料電池系統(tǒng)的功率，將大幅降低燃料電池轎車動力系統(tǒng)開發(fā)成本，并且整車使用壽命和可靠性提高;增加動力系統(tǒng)Plug-in外電網(wǎng)充電能力、利用充電的能量增加續(xù)駛里程會進一步提高燃料電池轎車的性能。

1 燃料電池轎車動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 燃料電池轎車動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的雙電源系統(tǒng)功率分配

目前，燃料電池轎車動力系統(tǒng)的電源一般由燃料電池和動力蓄電池兩種電源構(gòu)成，以燃料電池系統(tǒng)為主要功率電源，其簡化結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 The powertrain structure

圖1(a)、(b)的區(qū)別在于電源變換器的放置位置不同。假設(shè)燃料電池系統(tǒng)FCS的功率為1，動力蓄電池Battery的功率為其1/n(n為自然數(shù))，DC/DC或雙向BDC電源變換器的效率為x。

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn):①圖1(a)比圖1(b)的電源系統(tǒng)效率高;②由于以燃料電池系統(tǒng)的功率為主，致使動力系統(tǒng)總成本提高;③蓄電池的容量和功率雖小，但車輛對蓄電池的充放電倍率要求反而相對變大。

1.1.1 DC/DC配置在小功率電源側(cè)的動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具有較高的電源效率

假設(shè)圖1中燃料電池系統(tǒng)的功率為Pa(t)，蓄電池的功率為Pb(t)。動力系統(tǒng)輸出驅(qū)動功率時，母線上圖1(a)、(b)的電源功率總和(負(fù)載輸入)為:

電源效率為:

一般情況，DC/DC變換器的效率x=90% ～98%，則效率差值大于0。顯然，圖1(a)(DC/DC配置在小功率電源側(cè)的動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu))的電源變換效率比圖1(b)高，隨結(jié)構(gòu)中兩種電源功率分配差別的增大更明顯。

設(shè)DC/DC的效率值分別為x=1(理想值)，x=0.9 和 x=0.7，n=1 ～9(整數(shù))，計算并繪出兩種結(jié)構(gòu)電源效率值的對比趨勢如圖2。

效率差:

圖2 兩種動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的電源效率值對比Fig.2 Comparison between the power efficiency of the two powertrain structures

由圖2不難看出:①圖1(a)結(jié)構(gòu)的效率高;②DC/DC效率越低，圖1(a)、(b)結(jié)構(gòu)的效率差別越明顯;③DC/DC效率不變，電源功率分配值越大，圖1(a)效率越高。

1.1.2 蓄電池功率小易導(dǎo)致充放電倍率高

圖1動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在實際應(yīng)用中，蓄電池的性能衰減較快，圖1(a)中因采用BDC，對蓄電池的充放電流保護，蓄電池性能衰減情況不明顯，但是對電源變換器的性能要求高，BDC成本也較高。分析圖1(b)的特點得知:受圖1結(jié)構(gòu)限制，蓄電池功率在電源中所占比例小，造成蓄電池的充放電倍率比相差很大。

根據(jù)能量守恒定律，整車由驅(qū)動行駛轉(zhuǎn)為制動行駛過程中，需要將汽車的動能轉(zhuǎn)化為電能存儲在蓄電池中或者聯(lián)合機械制動裝置共同消耗。

不考慮機械制動和輔助功率消耗，當(dāng)汽車運行于最大設(shè)計功率點的瞬間，所需功率由電源提供，其值為Pb0，根據(jù)公式(2)有:蓄電池放電功率Pb=。

為方便說明，假設(shè)此時電壓值U恒定，則蓄電池最大放電電流為:

在由驅(qū)動轉(zhuǎn)為電機再生制動運行的瞬間，系統(tǒng)母線上的最大瞬時功率為Pb0，只有被蓄電池單獨吸收(燃料電池系統(tǒng)的功率只能單向流動)。

最大充電功率為:

很明顯，蓄電池的最大充電電流是最大放電電流的(nx+1)倍。

燃料電池系統(tǒng)配電源變換器DC/DC作為主要電源的動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)［圖1(b)］，其電源功率分配值變化所引起的蓄電池充電倍率改變規(guī)律如圖3。

蓄電池最大充電電流為:

圖3 不同動力系統(tǒng)電源分配值的蓄電池最大充電倍率規(guī)律Fig.3 Battery charging current trend-lines of the FCS with DC/DC powertrain varying with the powers’ratio

總之，燃料電池系統(tǒng)和DC/DC作為主要電源的動力系統(tǒng)，從結(jié)構(gòu)分析結(jié)果看，不利于燃料電池轎車動力系統(tǒng)降低設(shè)計成本、延長使用壽命和提高運行安全。

1.2 燃料電池轎車動力系統(tǒng)設(shè)計原則

燃料電池轎車具有新能源、零排放的特征。然而，燃料電池系統(tǒng)目前的結(jié)構(gòu)還比較復(fù)雜、成本很高，可靠性和壽命還有待繼續(xù)做深入的試驗和開發(fā)研究;蓄電池的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化開發(fā)也在發(fā)展過程當(dāng)中。在實際應(yīng)用時，必須根據(jù)具體情況，綜合考慮其性能、功率和體積密度、應(yīng)用安全性、產(chǎn)品價格等因素以便擇優(yōu)選用;驅(qū)動和輔助部分產(chǎn)品和方案種類較多，在確定零部件選用方案時，更應(yīng)當(dāng)在符合系統(tǒng)整體要求的前提下加以選擇以發(fā)揮其最優(yōu)性能。所以，燃料電池轎車動力系統(tǒng)設(shè)計，應(yīng)當(dāng)遵循高效、經(jīng)濟、高性能的設(shè)計原則。

良好的整車和動力系統(tǒng)性能，與零部件的高性能、動力系統(tǒng)優(yōu)化匹配設(shè)計緊密相關(guān)。動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)當(dāng)結(jié)合高效率、經(jīng)濟性原則，發(fā)揮零部件的高性能，目標(biāo)是通過所設(shè)計的動力系統(tǒng)使整車體現(xiàn)新能源汽車的所有優(yōu)點。

1.3 Plug-in燃料電池轎車動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

如果選擇圖4的結(jié)構(gòu)設(shè)計燃料電池轎車動力系統(tǒng)，能夠充分體現(xiàn)前述動力系統(tǒng)基本設(shè)計原則，該結(jié)構(gòu)即為Plug-in燃料電池轎車動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

圖4 PFCV動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖Fig.4 Simplified diagram of the PFCV powertrain structure

圖4的燃料電池轎車動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與圖1(a)十分相似，只是其燃料電池系統(tǒng)和蓄電池電源的位置互相交換，即:

由前面動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分析可見，該結(jié)構(gòu):①動力系統(tǒng)效率高;②蓄電池功率占比大，蓄電池最大充放電電流之比小(詳見2.2.2節(jié)，實際系統(tǒng)一般為機電聯(lián)合制動，限定最大制動功率值，蓄電池運行條件相對好);③DC/DC比BDC的成本低。另外，Plug-in燃料電池轎車的蓄電池可由外網(wǎng)和燃料電池系統(tǒng)充電，比傳統(tǒng)燃料電池轎車純電動行駛里程長，使用靈活，只要車載儲氫裝置存儲足夠的燃料，通過燃料電池系統(tǒng)，就能夠保證整車設(shè)計的續(xù)駛里程等。

2 動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)用——Plug-in燃料電池轎車動力系統(tǒng)設(shè)計

Plug-in燃料電池轎車的動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)于以往結(jié)構(gòu)，因此工程化開發(fā)燃料電池轎車，其Plug-in動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)則是必然之選。根據(jù)燃料電池轎主要應(yīng)用于城市主干道，采取有針對性的設(shè)計［1］，一方面能夠發(fā)揮電動汽車低速性能好的特點，解決擁堵造成的車輛起停和排放問題;另一方面，適當(dāng)匹配動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，很好地解決燃料電池轎車性能、應(yīng)用和成本之間的矛盾。

具體的Plug-in燃料電池轎車動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5。系統(tǒng)主要包括(儲氫系統(tǒng)未在圖中示出):①電源。燃料電池系統(tǒng)、DC/DC電源變換器、蓄電池和充電器;②驅(qū)動系統(tǒng)。電機和控制器、減速器(Reducer);③輔助系統(tǒng)。包括未在圖中示出的空調(diào)、各子系統(tǒng)輔助消耗和低壓系統(tǒng)等內(nèi)容。

動力系統(tǒng)設(shè)計分析中，必須考慮Plug-in燃料電池電動轎車的輔助消耗。

圖5 PFCV動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.5 Powertrain structure of the given PFCV

2.1 動力系統(tǒng)設(shè)計分析原理

首先將圖5的PFCV動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在直流母線上簡化為圖6所示結(jié)構(gòu)［2－9］(可對比參考圖4)。

圖6 PFCV動力系統(tǒng)簡化母線功率平衡示意Fig.6 Diagram of the PFCV power flow balancing in BUS

由圖6和能量守恒定律可知，任意時刻動力系統(tǒng)直流母線處:

假設(shè)燃料電池系統(tǒng)、蓄電池向負(fù)載輸出功率時，數(shù)值為正，輸入功率時，數(shù)值為負(fù)。

穩(wěn)態(tài)時，動力系統(tǒng)母線上的功率平衡關(guān)系為:

公式(10)可在應(yīng)用中分別按照驅(qū)動、制動模式連續(xù)和最大功率平衡要求，設(shè)計有關(guān)參數(shù)。

2.2 Plug-in燃料電池轎車動力系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計

按照top-down設(shè)計原則，動力系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計首先根據(jù)整車動力性能指標(biāo)要求，選取動力系統(tǒng)和主要零部件參數(shù)［10］。但在工程化開發(fā)過程中，還必須根據(jù)仿真和試驗測試結(jié)果反復(fù)驗證，逐步改進優(yōu)化。

圖7表示滿足整車指標(biāo)要求的動力系統(tǒng)連續(xù)和最大的轉(zhuǎn)矩、功率、車速值。一般情況，整車動力性指標(biāo)要求與圖7所示動力系統(tǒng)性能曲線相對應(yīng)。

圖7 PFCV動力系統(tǒng)性能要求Fig.7 Dynamic performance requirements for PFCV powertrain

表1為Plug-in燃料電池轎車根據(jù)應(yīng)用要求設(shè)計的整車動力性能指標(biāo)。

表1 Plug-in燃料電池轎車動力性能參數(shù)Table 1 Performance data of the Plug-in Fuel Cell Vehicle

Plug-in燃料電池轎車動力系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計的內(nèi)容主要是動力系統(tǒng)及主要零部件參數(shù)設(shè)計和動力系統(tǒng)電源能量及功率分配設(shè)計兩個部分。

2.2.1 動力系統(tǒng)主要參數(shù)設(shè)計

Plug-in燃料電池轎車主要在城市主干道應(yīng)用。首先要根據(jù)該城市的工況仿真結(jié)果及功能樣車輪轂試驗測試的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，得到車輪上所需連續(xù)、最大驅(qū)動功率和制動功率值P3'。經(jīng)實測和仿真分析校核，滿足要求的連續(xù)驅(qū)動和制動功率以及最大驅(qū)動和制動功率分別為11，－11，53，－38 kW。

按高效率、經(jīng)濟性和高性能相結(jié)合的原則，設(shè)計傳動系統(tǒng)電機、減速器等零部件的結(jié)構(gòu)，確定性能參數(shù)，然后，將P3'換算至動力系統(tǒng)直流母線上變成P3。

2.2.2 電源能量分配設(shè)計

同樣根據(jù)動力系統(tǒng)設(shè)計原則，設(shè)計電源能量分配。參考式(8)，對應(yīng)于最大驅(qū)動和制動功率，電源總功率應(yīng)滿足:

綜合分析產(chǎn)品的性能和成本，設(shè)計n=2.4并分配蓄電池和燃料電池系統(tǒng)的電源功率，并根據(jù)整車動力系統(tǒng)性能要求，確定適當(dāng)?shù)男铍姵厝萘俊?/p>

以動力系統(tǒng)驅(qū)動運行模式為例(制動模式同理)，設(shè)計蓄電池的最大輸出功率60 kW，保證整車具有32 km的EV續(xù)駛里程;燃料電池系統(tǒng)的最大輸出功率為25 kW，與蓄電池配合，實現(xiàn)HEV運行模式，達到整車?yán)m(xù)駛里程240 km。百公里最小加速時間小于15 s的要求。

另外，假設(shè)只利用再生制動回收汽車的能量，DC/DC的效率為0.96，忽略蓄電池電壓變化，蓄電池最大充電與放電電流的比例僅為1.37。

2.3 Plug-in燃料電池轎車動力系統(tǒng)及整車動力性能仿真和測試

對于所設(shè)計Plug-in燃料電池轎車動力系統(tǒng)，利用ADVISOR軟件，按某城市循環(huán)工況、NEDC工況，進行動力性能仿真;改變?nèi)剂想姵叵到y(tǒng)和蓄電池的功率和能量比例，仿真校核動力系統(tǒng)的能量分配結(jié)果。

Plug-in燃料電池轎車功能和工程化開發(fā)期間，還在動力系統(tǒng)測試平臺進行動力系統(tǒng)和整車動力性能測試，以驗證所設(shè)計的燃料電池轎車動力系統(tǒng)的功能和控制性能。測試結(jié)果表明:動力系統(tǒng)滿足設(shè)計要求，燃料電池轎車動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析設(shè)計方法正確。

Plug-in燃料電池轎車整車經(jīng)由第3方按照國際和國家標(biāo)準(zhǔn)，進行包括Plug-in燃料電池轎車動力性試驗、燃料經(jīng)濟性試驗、制動性試驗和整車道路試驗在內(nèi)的一系列嚴(yán)格檢測，順利通過公告認(rèn)證。

3 結(jié)論

燃料電池轎車動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計，應(yīng)著重考慮燃料電池系統(tǒng)、蓄電池的技術(shù)成熟度、產(chǎn)品的成本和可靠性等要素，在動力系統(tǒng)匹配設(shè)計時按照效率、成本和性能優(yōu)先的原則，綜合考慮以確定架構(gòu)。對比以往燃料電池轎車動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，實際DC/DC產(chǎn)品在動力系統(tǒng)中所處位置不同，會導(dǎo)致動力系統(tǒng)效率、蓄電池使用要求變化。在Plug-in燃料電池轎車動力系統(tǒng)工程化開發(fā)實例中，應(yīng)用具有效率較高、蓄電池控制簡便、成本適宜的燃料電池動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)并發(fā)揮PFCV的其它優(yōu)點，貫徹動力系統(tǒng)設(shè)計原則，實踐動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計和參數(shù)設(shè)計方法以及燃料電池系統(tǒng)和蓄電池的能量分配設(shè)計方法。仿真結(jié)果和整車檢驗證明Plug-in燃料電池轎車動力性能較好、可靠性較高，整車和動力系統(tǒng)價格合理，設(shè)計分析方法實用、正確。

該系統(tǒng)設(shè)計分析方法也可用于串聯(lián)混合動力、多動力源新能源汽車動力系統(tǒng)的設(shè)計和分析。

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