影響燃料電池汽車回饋效率的因素分析

張俊林++彭再武++高亞云

摘 要：本文以上海燃氣電池汽車動力系統(tǒng)有限公司新一代燃料電池轎車為研究對象，結(jié)合車輛的整車指標與動力系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)，在對車輛實際運行數(shù)據(jù)詳細分析的基礎上，針對車輛回饋效率問題進行了計算與研究，得出車輛在不同運行工況下的回饋效率值。在上述分析與計算的基礎上，較全面的分析了影響燃料電池汽車回饋效率的關(guān)鍵因素。通過對相關(guān)影響因素的調(diào)整，定性地分析車輛回饋效率的變化趨勢，并得到相關(guān)結(jié)論，基本達到研究的目的。

關(guān)鍵詞：燃料電池汽車；動力系統(tǒng)；運行工況；回饋效率

中圖分類號：U469.72 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）18-0036-04

1 引言

1.1 燃料電池汽車簡介

新能源汽車是區(qū)別于傳統(tǒng)內(nèi)燃機車的節(jié)能環(huán)保車輛。按照燃料的來源可分為五類：（1）基于傳統(tǒng)石油燃料的節(jié)能環(huán)保汽車；（2）基于天然氣和石油伴生品的燃氣汽車；（3）基于石化燃料化工的替代燃料汽車，如煤制油等；（4）生物燃料汽車，包括燃料乙醇和生物柴油汽車；（5）燃料電池汽車和純電動汽車。在多樣化清潔能源發(fā)展中，燃料電池汽車可能成為汽車能源發(fā)展的最終方向。燃料電池汽車被認為是零排放、零污染的運輸工具。它以電機驅(qū)動及變速系統(tǒng)、燃料電池系統(tǒng)以及蓄電池系統(tǒng)構(gòu)成的動力與傳輸系統(tǒng)替代了內(nèi)燃機汽車的發(fā)動機和傳動裝置[1]。其結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

與傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車相比，燃料電池汽車不通過熱機過程，不受卡諾循環(huán)的限制，具有能量轉(zhuǎn)化效率高、環(huán)境友好等內(nèi)燃機汽車不可比擬的優(yōu)點。

1.2 燃料電池汽車能量回饋原理

燃料電池汽車是以燃料電池發(fā)動機為主要動力源的電動車輛。因燃料電池發(fā)動機輸出特性偏軟及動態(tài)響應較慢，故目前的燃料電池汽車大都采用高功率動力蓄電池組作為輔助動力源[2]。主要從兩方面考慮：第一，從動力性角度，采用輔助電源來彌補燃料電池動態(tài)響應不足的缺陷，并用來穩(wěn)定驅(qū)動電機的輸入電壓，提高動力系統(tǒng)運行穩(wěn)定性；第二，從經(jīng)濟性的角度，電動機回饋制動產(chǎn)生電能，通過動力蓄電池吸收該部分能量，可以顯著提高車輛的經(jīng)濟性。下面將闡述回饋制動的原理，討論回饋效率的定義以及計算方法，并著重分析影響回饋效率的因素。

理論上，當車輛減速時就可進行能量回饋，再生制動的基本原理如圖2所示。t0～t2為功率器件的一個PWM開關(guān)周期，功率管導通期間（t0～t1），回路中電流上升，繞組電感儲能；功率管關(guān)斷期間（t1～t2），繞組電感放電，向蓄電池充電，電流下降。

電機回饋制動時PWM斬波方式分為半橋斬波和全橋斬波，以下說明半橋斬波工作方式。半橋調(diào)制的回饋制動方式中，逆變器只有處于下橋臂的3個功率管（T2、T4、T6）有PWM開關(guān)動作，而上橋臂的3個功率管（T1、T3、T5）總是截止的，T2、T4、T6各導通120°。下面以HALL狀態(tài)為101時為例，具體說明一個周期內(nèi)電流的變化過程。此時T4接受PWM信號。當T4導通時，繞組電感儲能。這里根據(jù)第三相的反電勢又分為兩個不同狀態(tài)（ec>0和ec≤0），下面分別對其進行討論。

圖3為ec>0時的系統(tǒng)狀態(tài)。由于反電勢的存在，電機的A、B相通過T4、D6形成續(xù)流回路，故電機中點電勢v0=0，此時因為00，電機的A、B、C三相形成續(xù)流回路，電感儲能。由于反電勢的存在，無論在儲能時的哪個時段，三相電流幅值均會逐漸增大，外界的動能一部分以磁場能的形式儲存在繞組電感中，另一部分以熱能的形式消耗在電阻上。

當T4關(guān)斷時，繞組電感放電、蓄電池充電。系統(tǒng)狀態(tài)如圖5所示。由于電感中電流的續(xù)流作用，使得電感的感應電勢與反電勢之和大于蓄電池電壓，從而為蓄電池充電。此時ec>eB，二極管D2被反向偏置，所以iC=0。

2 燃料電池汽車回饋效率的計算方法研究

2.1 燃料電池汽車回饋效率定義

在進行車輛回饋效率的分析與計算之前，必須明確回饋效率的具體定義。對于一段確定的運行工況，雖然實際回饋的電能確定、可回收的機械能也確定，但是由于不同的理解方式，得到的結(jié)果差別較大。因此，必須首先明確回饋效率計算的幾個條件[3]：實際回饋的能量、理論上可回收能量、克服阻力消耗的能量。在此基礎上，本文分兩種情況進行了分析：

（1）

（2）

其中：EA指實際回饋的能量；ET指理論可回收的能量；EF指克服阻力消耗的能量。

在公式（1）和（2）中，實際回饋的能量是指在實際情況下所能回饋的能量，即當電機電流為負值時產(chǎn)生的能量。

其值可表示為（當I<0時）。其中：I表示電機的電流（A）；U表示電機的電壓（V）；表示電機的電流電壓對時間的積分，即實際情況下回饋能量值。

在公式（1-2）中，理論上可回收的總能量是車在減速時，即Vn+1

可回收的總能量，其值為。

其中：m表示車重，即質(zhì)量（kg）；V表示車速（m/s）。

在公式（2）中，克服阻力消耗的能量是指車在克服風阻、滾阻的情況下消耗的能量。其值可表示為。

，表示汽車行駛時的滾動阻力（f表示滾動阻力系數(shù)）；

，表示汽車行駛時的空氣阻力（Cd表示空氣阻力系數(shù)；A表示為迎風面積（m2）；V表示車速（m/s））。

2.2 回饋效率算法

由上節(jié)闡述內(nèi)容可知，燃料電池汽車回饋效率可表示為：、。

下面分別介紹上述三種能量的計算方法。利用公式可計算出實際回饋的能量。首先，判斷電機的電流I是否小于0，當I小于0時，車輛處于回饋制動狀態(tài)，此時利用公式算出的能量為實際回饋能量。然后，利用for循環(huán)可依次求出各點的回饋能量值。最后，可使用sum命令對各點的回饋能量值進行疊加，最終求出總和。

利用公式可計算出理論上可回收的總能量。首先，判斷車輛是否在減速即Vn+1

3 不同運行工況下的回饋效率比較

為了研究燃料電池汽車回饋效率的影響因素，我們以上燃動力新一代燃料電池轎車為研究對象，進行了各種城市工況循環(huán)試驗并積累了大量實驗數(shù)據(jù)。而且，在2.2節(jié)所述回饋效率算法的基礎上進行各種工況下車輛回饋效率分析。上燃動力國家863項目燃料電池汽車passat6的性能參數(shù)如表1所示。

3.1 中國城市工況回饋效率

中國城市工況下的V-t曲線如圖6所示。

在中國城市工況下，電機設定的最大回饋轉(zhuǎn)矩為，通過轉(zhuǎn)轂實驗數(shù)據(jù)進行分析得出中國城市工況回饋效率為：；。

3.2 日本城市工況回饋效率

日本城市工況下的V-t曲線如圖7所示。

在日本城市工況下，電機設定的最大回饋轉(zhuǎn)矩為，通過轉(zhuǎn)轂實驗數(shù)據(jù)進行分析得出日本城市工況回饋效率：；。

3.3 歐洲城市工況回饋效率

歐洲城市工況下的V-t曲線如圖8所示。

在歐洲城市工況下，電機設定的最大回饋轉(zhuǎn)矩為，通過轉(zhuǎn)轂實驗數(shù)據(jù)進行分析得出歐洲城市工況回饋效率：；。

4 影響回饋效率的因素分析

綜合上述理論分析以及實驗數(shù)據(jù)結(jié)果不難得出：燃料電池汽車回饋效率受到幾方面因素的影響。其中，主要包含下述三個因素：車輛行駛路面、車輛回饋控制策略、駕駛員的駕駛習慣[5]。下面逐一進行介紹：

4.1 行駛路面對回饋效率的影響

在不同路面上，滾動阻力系數(shù)變化時，會影響克服阻力消耗的能量，從而對燃料電池轎車的回饋效率產(chǎn)生影響。不同路面的滾動阻力系數(shù)f的經(jīng)驗值如表2所示。

因為，車輛克服地面阻力所消耗的能量可表示為，其中，，因此，隨著f增大，導致增大，從而增大，車輛回饋效率提高。

4.2 不同控制策略對回饋效率的影響

理論上，假設機械能-電能的轉(zhuǎn)換效率為100%，動力蓄電池的充電效率為100%，即燃料電池汽車電動機主動回饋的機械能全部轉(zhuǎn)換為電能，那么車輛的實際回饋能量EA可用公式（3）表示為： （3）

則由式（3）可知：不同回饋轉(zhuǎn)矩設定值、以及回饋時的車輛速度值直接影響回饋能量。因此，回饋控制策略對回饋效率影響深遠。不考慮電機驅(qū)動器可承受的反電動勢的影響，從（3）直接判斷：隨著回饋轉(zhuǎn)矩設定值的增大，EA增大，從而使回饋效率增大；隨著允許回饋點轉(zhuǎn)速的增大，EA增大，從而使回饋效率增大。

4.3 駕駛習慣對回饋效率的影響

由上述章節(jié)可知，不同的駕駛習慣對回饋效率有較大影響。理論上，一旦車輛處在減速的情況下，都可以進行能量回饋。然而，實際情況是：只有當轉(zhuǎn)矩值Tq<0時，車輛處于制動回饋狀態(tài)，機械能可以轉(zhuǎn)化為電能被動力蓄電池吸收。因此，轉(zhuǎn)矩值的設定影響回饋效率的大小。

以上燃動力研制的燃料電池轎車為例，正常情況下，電動機轉(zhuǎn)矩的大小主要由兩個因素決定：加速踏板值、電機轉(zhuǎn)速。具體如圖9所示。

因此，在允許回饋的速度范圍內(nèi)，無論在哪一速度點，當加速踏板值為零時，加速轉(zhuǎn)矩Tq設定為最小值，意味著回饋力矩為最大值，在其它影響因素一定的情況下，此時回饋效率也為最大值。因為駕駛習慣的差異，在車輛減速時，不同駕駛員加速踏板處于不同的位置，導致回饋轉(zhuǎn)矩設定值Tq不盡相同。因此，不同的駕駛習慣帶來車輛回饋效率各不相同。

5 結(jié)語

通過上述計算分析可知，關(guān)于車輛的回饋效率問題，仁者見仁、智者見智，不同的計算方法得到的效率值不同，但是，影響燃料電池汽車回饋效率的諸多因素一致，其中的關(guān)鍵因素包括以下幾點：電機的轉(zhuǎn)換效率、動力蓄電池的充電效率、整車的滾阻系數(shù)、風阻系數(shù)、回饋控制策略以及駕駛員的駕駛習慣。因此，要提高燃料電池汽車的回饋效率，可以針對以上幾點進行改進。比如：提高電機轉(zhuǎn)換效率，動力蓄電池的充電效率，同時盡可能完善回饋控制策略，盡可能規(guī)范駕駛員的駕駛習慣。

參考文獻

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