燃料電池物流車動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)匹配

曾昭煒，劉 陽，嚴(yán) 超，梁益銘，武小花

(西華大學(xué)汽車與交通學(xué)院， 四川 成都 610039)

減少對化石燃料的需求和減少排放對解決全球變暖問題至關(guān)重要[1-3]。由于氫燃料的可持續(xù)性，以氫為燃料的燃料電池汽車不可避免地比其他傳統(tǒng)車輛更具優(yōu)勢，同時(shí)燃料電池具有能量效率高等優(yōu)點(diǎn)，因此用燃料電池取代內(nèi)燃機(jī)有助于能源的可持續(xù)發(fā)展?；谝陨弦蛩兀煌ㄟ\(yùn)輸部門對燃料電池汽車的重視程度正在迅速增加[4-5]。

中國已經(jīng)具備了開展燃料電池汽車大規(guī)模示范運(yùn)行的基礎(chǔ)，而燃料電池物流車對加氫站的依賴度較低；因此，現(xiàn)階段研發(fā)燃料電池物流車不僅能夠順應(yīng)市場，而且能提高燃料電池汽車的研發(fā)水平。

一般來說，燃料電池系統(tǒng)通過化學(xué)反應(yīng)將輸入的氫氣轉(zhuǎn)化為電能，同時(shí)生成水[6-7]，具有高能效和低排放等優(yōu)點(diǎn)[8-9]。除此之外，燃料電池存在一些缺點(diǎn)，例如其功率密度較低及功率響應(yīng)較慢、無法對制動(dòng)能量實(shí)現(xiàn)回收[10]。為了減少以上缺點(diǎn)，超級電容器和電池等能量存儲系統(tǒng)可與燃料電池一起使用[11-12]，因此燃料電池汽車的動(dòng)力系統(tǒng)一般采用混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)。其結(jié)構(gòu)形式可分為“燃料電池+動(dòng)力電池、燃料電池+超級電容或燃料電池+動(dòng)力電池+超級電容”[13]。在理論計(jì)算和工程分析的基礎(chǔ)上，針對燃料電池與超級電容混合為動(dòng)力源的燃料電池城市客車，文獻(xiàn)[14]提出了其動(dòng)力系統(tǒng)的匹配設(shè)計(jì)方法。文獻(xiàn)[15]結(jié)合燃料電池大客車動(dòng)力總成的設(shè)計(jì)實(shí)例，提出了燃料電池汽車動(dòng)力總成結(jié)構(gòu)配置和參數(shù)優(yōu)化匹配的一般方法。由此可見，參數(shù)匹配是實(shí)現(xiàn)燃料電池物流車的優(yōu)點(diǎn)并且減輕其劣勢的最基本要素。 但是，對“燃料電池+動(dòng)力電池”型結(jié)構(gòu)的燃料電池物流車，少有對動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行匹配的研究。因此，本文針對某燃料電池物流車，結(jié)合動(dòng)力性能要求，完成了動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的參數(shù)匹配。

1 動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及主要參數(shù)

燃料電池物流車的結(jié)構(gòu)如圖1所示，控制機(jī)構(gòu)包括燃料電池控制器、電機(jī)控制器、整車控制器、電池管理系統(tǒng)、DC / DC轉(zhuǎn)換器等。

燃料電池物流車以燃料電池為主要能源，主DC/DC轉(zhuǎn)換器作為連接燃料電池與直流總線的中間部分，起到升壓與穩(wěn)壓的調(diào)節(jié)作用。當(dāng)燃料電池的功率不足時(shí)，動(dòng)力電池會提供額外功率。在汽車制動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)變成發(fā)電機(jī)，動(dòng)力電池將儲存回饋的能量。

圖1 動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

燃料電池物流車的整車主要參數(shù)如表1所示，整車設(shè)計(jì)性能指標(biāo)如表2所示。

2 參數(shù)匹配

2.1 電機(jī)參數(shù)選擇

首先對整車需求功率進(jìn)行分析，通過汽車的需求功率確定電機(jī)的主要參數(shù)。

表1 整車主要參數(shù)

表2 整車設(shè)計(jì)性能指標(biāo)

2.1.1 整車需求功率分析

根據(jù)文獻(xiàn)[16]，汽車功率平衡關(guān)系為

(1)

式中：P為車輛需求功率；i為道路坡度；δ為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；du/dt為加速度；ua為車速。

最高車速umax對應(yīng)的車輛需求功率P1為

PCCP管在長距離輸水工程中的施工要點(diǎn)與質(zhì)量控制……………………………………………………… 辛海生（5-139）

(2)

假定爬坡時(shí)最低車速ua為20 km/h，最大爬坡度αm對應(yīng)的車輛需求功率P2為

(3)

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式[17]，汽車從車速0加速到目標(biāo)車速um的需求功率P3為

(4)

將整車參數(shù)分別代入式(2)—(4)，求得結(jié)果如表3所示。

新常態(tài)的背景下，電商沖擊下的連鎖零售企業(yè)，在進(jìn)入寒冬之后，就可以提供貼近百姓生活的便利店。例如：上海聯(lián)合會就在差別化競爭的過程中，發(fā)展便利店，貼近消費(fèi)者的消費(fèi)形態(tài)，并在此作用下，調(diào)整商品的結(jié)構(gòu)，增加服務(wù)價(jià)值。從目前的形勢上看，不少地區(qū)已經(jīng)在便利店有效誕生的前后，實(shí)現(xiàn)了有效的延伸與拓展。與此同時(shí)，還有不少連鎖零售企業(yè)開始從服務(wù)的基礎(chǔ)上，為客戶提供更多的車位，提供更加安全與優(yōu)化的考量。

2．選中棋子進(jìn)行走子操作，如果已有選中的棋子，則不能選中其他棋子。如果想選擇其他棋子，則需點(diǎn)擊已選中的棋子，進(jìn)行取消。

表3 不同整車動(dòng)力性指標(biāo)對應(yīng)的車輛功率需求

基于多層電價(jià)響應(yīng)機(jī)制的主動(dòng)配電網(wǎng)源-網(wǎng)-荷協(xié)調(diào)方法//徐熙林,宋依群,姚良忠,索瑞鴻,嚴(yán)正//(5):9

驅(qū)動(dòng)電機(jī)額定功率Pe必須滿足

Pe≥P1

(5)

即Pe≥56.25 kW。

(3) 鋼管塔地線掛點(diǎn)位移隨地震烈度增大而增大,且從Ⅰ類場地到Ⅳ類場依次增大.鋼管塔內(nèi)最大應(yīng)力隨地震烈度增大而增大,且從Ⅰ類場地到Ⅳ類場依次增大.Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ類場地輸電塔內(nèi)應(yīng)力最大的單元為塔頭處斜材,Ⅳ類場地輸電塔內(nèi)應(yīng)力最大的單元為中橫擔(dān)上第2節(jié)間主材.

2.1.3 電機(jī)最大功率

2.1.2 電機(jī)額定功率

驅(qū)動(dòng)電機(jī)最大功率Pemax必須同時(shí)滿足整車動(dòng)力性指標(biāo)要求，即

Pemax≥max(P1,P2,P3)

(6)

在允許的范圍內(nèi)適當(dāng)調(diào)整各擋的傳動(dòng)比有利于變速器的設(shè)計(jì)與制造，因此選用一擋傳動(dòng)比ig1=2.59，二擋傳動(dòng)比ig2=1.55，滿足式(9)—(10)要求，此時(shí)q=1.67，低于最大值，符合標(biāo)準(zhǔn)。

2.1.4 電機(jī)最高轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)速

電機(jī)以及逆變器的效率取94%，汽車附屬設(shè)備的功率取 2 kW，變換器的效率取90%。此時(shí)燃料電池系統(tǒng)的輸出功率值為Pf=68.71 kW。

《數(shù)學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》中指出：讓學(xué)生在觀察操作中獲得直觀的經(jīng)驗(yàn)，在豐富多彩的探索活動(dòng)中經(jīng)歷過程與體驗(yàn)。因此，在小數(shù)教學(xué)中，教師要根據(jù)學(xué)生所學(xué)內(nèi)容的實(shí)際情況，選擇適宜學(xué)生操作的內(nèi)容，讓學(xué)生親自去經(jīng)歷，去體驗(yàn)，去建構(gòu)，使學(xué)生真正明白數(shù)學(xué)知識的來龍去脈，提升數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)效果。

根據(jù)選用的電機(jī)類型，初步確定電機(jī)最高轉(zhuǎn)速nmax=7 000 r/min。同時(shí)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速ne和最高轉(zhuǎn)速nmax應(yīng)與電機(jī)擴(kuò)大恒功率區(qū)系數(shù)β(即弱磁擴(kuò)速能力)有關(guān)，一般要求β在3～5之間，才能滿足最高行駛車速的要求[18]，具體公式如下：

ne=nmax/β

(7)

考慮到國內(nèi)車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)的工藝水平和技術(shù)狀況，選定ne=2 200 r/min。經(jīng)校驗(yàn)β=3.18，滿足β的范圍要求。由此選定電機(jī)數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 驅(qū)動(dòng)電機(jī)主要性能參數(shù)

2.2 傳動(dòng)系參數(shù)確定

最大傳動(dòng)比imax主要考慮最大坡道上車輛的行駛阻力和驅(qū)動(dòng)電機(jī)的最大輸出轉(zhuǎn)矩Tmax，其范圍表達(dá)式為

i=igi0

(8)

式中：ig為變速器傳動(dòng)比；i0為主減速器傳動(dòng)比。

車輛在最高車速時(shí)，電機(jī)功率為其額定功率Pe，此時(shí)燃料電池應(yīng)具備獨(dú)自提供車輛所需功率的能力，并且維持其附屬設(shè)備的運(yùn)行，在特定情況下，能為動(dòng)力電池充電?？紤]到系統(tǒng)效率，公式如下：

(9)

與固定速比傳動(dòng)系統(tǒng)相比，電動(dòng)汽車采用兩擋變速后，整車的爬坡能力、加速性能以及運(yùn)行效率都有明顯的改善，同時(shí)緊湊的傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使換擋過程中電機(jī)控制簡單、擋位切換平順[19]，因此本文選擇兩擋變速器。傳動(dòng)系包括變速器與主減速器，其中主減速器采用現(xiàn)有結(jié)構(gòu)，即i0=6.143。而車輛變速功能需要變速器與主減速器共同配合才能實(shí)現(xiàn)，因此傳動(dòng)系總速比i為二者之積：

(10)

式中，F(xiàn)tmax為汽車的最大驅(qū)動(dòng)力，在坡道上車速通常比較低，空氣阻力可以忽略不計(jì)，即：

其實(shí)，這位學(xué)生提出的問題很好，說明他是一個(gè)愛動(dòng)腦筋的好孩子。對此，教師要在鼓勵(lì)和贊美的同時(shí)，通過生活實(shí)踐，讓學(xué)生親身感受三角形的穩(wěn)定性。如教師可以在課堂上，用一次性筷子給學(xué)生做成兩個(gè)形狀，一個(gè)是三角形，一個(gè)是四邊形，然后在每個(gè)形狀上各綁一個(gè)橡皮筋，把兩個(gè)形狀掛在黑板上，讓學(xué)生在橡皮筋上掛東西，學(xué)生把橡皮，鉛筆，鉛筆盒，書本等物品掛上去之后，發(fā)現(xiàn)四邊形很快就變了形，而三角形依然非常穩(wěn)固，通過這樣的實(shí)踐教學(xué)，學(xué)生不但興趣盎然，而且感悟也非常深刻。

Ftmax=Ff+Fimax

(11)

(12)

由式(10)—(12)以及所選電機(jī)主要參數(shù)可確定變速器速比最大和最小值的范圍，在此基礎(chǔ)上，還需進(jìn)一步驗(yàn)證變速器擋位數(shù)。擋位數(shù)多少影響到擋與擋之間的傳動(dòng)比值，比值過大會造成換擋困難，一般認(rèn)為比值q不宜大于1.7～1.8。因此，如最大傳動(dòng)比與最小傳動(dòng)比之比值越大，擋位數(shù)也應(yīng)越多。

可得Pemax≥76.64 kW。

2.3 動(dòng)力源匹配

2.3.1 燃料電池的輸出功率

這件事上報(bào)后，上級克扣了丁主任和甲洛洛兩個(gè)月的工資。這個(gè)懲罰很輕，甲洛洛知道自己罩在丁主任的光里。懲罰歸懲罰，更重要的是名聲，那可不能就此不了了之啊，小偷這名號，甲洛洛是無論如何都消受不起的，如果落這一惡名，那他大半輩子人生所樹起來的光輝形象就會一下全毀了。甲洛洛想到這些，一陣陣寒意從后背襲來，在心口一層層摺疊，他不由走出屋子，坐在門口的木樁上，長長地吐氣。

汽車最高車速行駛時(shí)，需要以最小傳動(dòng)比imin調(diào)節(jié)才可實(shí)現(xiàn)，該傳動(dòng)比對應(yīng)變速器的最高擋位，利用相應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速和車速即可求得

(13)

式中：ηDC為DC/DC變換器的效率；ηinv為電機(jī)及逆變器的效率；Pacc為附屬設(shè)備的功率。

電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速需要合理考慮電機(jī)的成本、制造工藝和傳動(dòng)系尺寸。增大電機(jī)最高轉(zhuǎn)速，有利于降低其體積、減小質(zhì)量，但會加大傳動(dòng)系統(tǒng)的體積、質(zhì)量和傳動(dòng)損耗；因此應(yīng)該綜合考慮多方因素。

1.4.3 提取時(shí)間對樹舌靈芝多糖提取率的影響。準(zhǔn)確稱取6份質(zhì)量相同的5 g靈芝干粉末，按液料比45∶1加入蒸餾水，設(shè)置提取時(shí)間分別為30、60、90、120、150、180 min，在70 ℃條件下提取3次，根據(jù)所測吸光度考察提取時(shí)間對樹舌靈芝粗多糖得率的影響。

風(fēng)味的研發(fā)帶來的是對于消費(fèi)者味蕾的刺激，而許多食品企業(yè)對于其核心技術(shù)的升級往往帶來品牌競爭力的大幅提升。

考慮到燃料電池的效率，以及動(dòng)力電池需要有一定的充電功率，選定燃料電池系統(tǒng)額定功率為70 kW。

2.3.2 動(dòng)力電池組參數(shù)的確定

車輛在加速、爬坡和高速行駛等大負(fù)荷工況下，車輛需求功率大于燃料電池最大功率時(shí)，蓄電池作為輔助動(dòng)力源，能提供的最大功率由下式可得[20-21]：

(14)

式中，ηq為電池效率，取0.95，由此可得Pb=28.42 kW。

考慮到系統(tǒng)效率以及附屬設(shè)備的損耗，選定蓄電池最大功率Pb=35 kW。

3 動(dòng)力性能指標(biāo)的驗(yàn)證

在假設(shè)燃料電池系統(tǒng)和動(dòng)力電池能夠滿足整車動(dòng)力性需求的基礎(chǔ)上，充分考慮車輛兩擋的動(dòng)力性差異，對動(dòng)力性能指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)證，包括最高車速、加速時(shí)間和爬坡能力。

不同擋位時(shí)車輛的驅(qū)動(dòng)力-阻力曲線如圖2所示。當(dāng)車速處于0～20 km/h時(shí)，電機(jī)處于恒轉(zhuǎn)矩區(qū)，此階段車輛輸出的驅(qū)動(dòng)力最大且保持不變。當(dāng)車速超過20 km/h后，電機(jī)處于恒功率區(qū)，此時(shí)隨著車速逐漸上升，車輛能輸出的驅(qū)動(dòng)力將逐漸減小。比較不同擋位的驅(qū)動(dòng)力曲線，可知當(dāng)電機(jī)處于恒轉(zhuǎn)矩區(qū)，低擋位比高擋位能輸出更大的驅(qū)動(dòng)力；處于恒功率區(qū)，兩擋具有相同變化趨勢的驅(qū)動(dòng)力曲線，但高擋位驅(qū)動(dòng)力曲線具有更廣的速度區(qū)間。因此，起步時(shí)低擋位車輛能輸出更大驅(qū)動(dòng)力，使其具有更好的加速與爬坡性能，高擋位使汽車具有高速行駛的能力。當(dāng)車速達(dá)到96 km/h時(shí)，驅(qū)動(dòng)力與阻力相交，此時(shí)即為車輛能達(dá)到的最高車速。

經(jīng)過護(hù)理后,觀察組患者的骨折愈合時(shí)間顯著短于對照組(P<0.05);觀察組患者的關(guān)節(jié)功能恢復(fù)的優(yōu)良率為95.6%,對照組的優(yōu)良率為82.2%,組間差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05),數(shù)據(jù)詳見表1.

氧彈燃燒液閃測量法是目前比較普遍使用的生物樣品14C分析方法，尤其是針對環(huán)境生物樣品。本方法通過氧彈燃燒將干燥的生物樣品轉(zhuǎn)化為二氧化碳和水，利用堿性有機(jī)試劑吸收生成的二氧化碳，與有機(jī)閃爍液混合制備成待測樣品，放入液閃譜儀中測量。[1-3]此方法在國際上也有較為普遍的使用，例如加拿大、法國、日本等國。在國內(nèi)實(shí)踐應(yīng)用的基礎(chǔ)上，有必要推出關(guān)于生物樣品14C分析方法的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。我單位承擔(dān)了此項(xiàng)分析方法國家標(biāo)準(zhǔn)的編寫工作。在此之前，已經(jīng)完成了該方法的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)編寫并獲得發(fā)布[4]。

圖2 驅(qū)動(dòng)力與阻力曲線

車輛的加速能力如圖3所示。車輛0～50 km/h的加速時(shí)間為15 s，符合預(yù)先設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)。隨著車輛速度逐漸提升，加速性能逐漸下降，表明車輛若要提升至最高速度，過程會相對緩慢?？紤]到所研究車輛為物流車，其作業(yè)范圍為定點(diǎn)傳輸，更多屬于城市道路工況，因此加速能力能夠滿足車輛正常作業(yè)要求。

圖4為車輛爬坡的性能圖。當(dāng)車速小于20 km/h時(shí)，車輛能夠達(dá)到20%的爬坡高度，隨后由于電機(jī)進(jìn)入恒功率區(qū)，爬坡能力逐漸減弱，但在較高速度時(shí)車輛仍具有一定爬坡能力，因此爬坡能力符合預(yù)先設(shè)定要求。

圖3 車輛加速能力

圖4 車輛爬坡能力

4 結(jié) 論

本文以燃料電池物流車的動(dòng)力系統(tǒng)為研究對象，以車輛整車動(dòng)力需求出發(fā)，在設(shè)計(jì)了燃料電池物流車動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的前提下，分別對電機(jī)、變速器、動(dòng)力源(燃料電池和動(dòng)力電池系統(tǒng))的參數(shù)匹配方法進(jìn)行了分析，通過驗(yàn)證得到以下結(jié)論：使用文中所用動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)匹配方法，車輛動(dòng)力性主要指標(biāo)(爬坡性、加速性、最高車速)滿足設(shè)計(jì)要求。下一階段可以通過建立整車和各部件的仿真模型，應(yīng)用系統(tǒng)仿真的方法來細(xì)致、精確地評價(jià)動(dòng)力系統(tǒng)的參數(shù)匹配效果[22]，使車輛具有更佳的動(dòng)力性。