氫燃料電池汽車動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)及性能仿真

王承祥，崔立堃，馮緒永，付 坤

（陜西理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 漢中 723001）

21世紀(jì)以來，傳統(tǒng)燃油能源日益減少、環(huán)境污染愈演愈烈，以及溫室效應(yīng)導(dǎo)致的全球變暖，給人類生存帶來巨大的威脅。針對(duì)這些問題，采取強(qiáng)有力的解決措施已迫在眉睫。大力發(fā)展新能源汽車就是這些措施中的重要組成部分[1]。其中，氫燃料電池汽車因其無污染、零排放成為電動(dòng)汽車研究的一個(gè)熱點(diǎn)，其彌補(bǔ)了純電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程短的缺陷，同時(shí)具有能量轉(zhuǎn)化效率高、良好的加速性能、高速度、長(zhǎng)距離行駛和安全、舒適等性能[2-3]。目前，在“雙碳”目標(biāo)驅(qū)動(dòng)下，氫能源及氫燃料汽車得到更多關(guān)注和重視[4-6]。多年來，國內(nèi)外對(duì)氫燃料電池汽車的研究發(fā)展迅速，國內(nèi)的“超越系列”[7]“清能系列”[8]氫燃料電池汽車開展了一系列開拓性的應(yīng)用研究。2016 年，美國通用汽車公司和軍方合作，以“雪佛蘭Colorado”為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)研發(fā)了“Colorado ZH2”燃料電池汽車[9]，該款車型突出的優(yōu)點(diǎn)為行駛時(shí)完全靜音。本田汽車公司推出的FCX Clarity燃料電池汽車從內(nèi)部設(shè)計(jì)上提高了燃料電池功率，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)零排放[10]。后又對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)升級(jí)，對(duì)電子渦輪空壓機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)[11]，有效降低了加速時(shí)的汽車噪音。韓國現(xiàn)代汽車公司于2018年推出“NEXO”氫燃料電池汽車[12]，在滿氫氣狀態(tài)下和歐洲的續(xù)航測(cè)試工況標(biāo)準(zhǔn)（New European Driving Cycle, NEDC）下，最多可以行駛805 km。德國奔馳汽車公司于2017年推出“GLC F-Cell”燃料電池汽車[13-14]，該車型使用氫燃料和鋰電池混合動(dòng)力系統(tǒng)，純電動(dòng)可續(xù)航50 km，燃料電池和鋰電池共同續(xù)航可達(dá)500 km。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，在汽車氫燃料動(dòng)力系統(tǒng)的研究中，依靠軟件建模仿真顯示出強(qiáng)大的作用[15-18]。本文根據(jù)某內(nèi)燃機(jī)汽車的整車結(jié)構(gòu)參數(shù)和性能指標(biāo)設(shè)計(jì)氫燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)，基于MATLAB平臺(tái)建立了氫燃料電池系統(tǒng)模型、電機(jī)控制器模型、動(dòng)力蓄電池模型以及整車模型，選用中國城市道路工況，利用Advisor仿真軟件對(duì)氫燃料電池動(dòng)力電池混合動(dòng)力汽車進(jìn)行仿真，并將仿真結(jié)果與原車動(dòng)力性能指標(biāo)以及設(shè)計(jì)指定的性能指標(biāo)進(jìn)行比較。

1 氫燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)

某汽油車的結(jié)構(gòu)參數(shù)和性能指標(biāo)如表1、表2所示，整車尺寸為4384 mm×1718 mm×1579 mm，現(xiàn)將其改為氫燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)，為最大程度地提高氫燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)的各項(xiàng)性能、增強(qiáng)其可靠性和可行性、降低其成本，采用氫燃料電池和動(dòng)力蓄電池混合動(dòng)力系統(tǒng)和功率跟隨式控制策略[19]為設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)中蓄電池可以對(duì)車輛制動(dòng)所產(chǎn)生的能量進(jìn)行回收利用，并給氫燃料電池系統(tǒng)的冷啟動(dòng)提供電量對(duì)氧氣、空氣、電堆加熱，大大提升動(dòng)力系統(tǒng)的能量利用率和冷啟動(dòng)性能。這樣的混合動(dòng)力模式降低了對(duì)氫燃料電池的控制難度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求以及制造維護(hù)成本，并能保證車輛在復(fù)雜工況下的正常行駛，增強(qiáng)車輛的動(dòng)力性能。功率跟隨式控制能有效地滿足車輛動(dòng)力性能對(duì)功率的需求，動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能相對(duì)較強(qiáng)；對(duì)能量的利用效率高；能夠有效地避免蓄電池過充電和虧電現(xiàn)象，從而延長(zhǎng)了蓄電池的使用時(shí)間以及系統(tǒng)的工作壽命，減少維護(hù)次數(shù)降低成本。

表1 整車結(jié)構(gòu)參數(shù)

表2 車輛性能指標(biāo)

1.1 動(dòng)力系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

圖1為所設(shè)計(jì)的氫燃料電池汽車動(dòng)力系統(tǒng)，主要包括質(zhì)子交換膜燃料電池、動(dòng)力蓄電池、電機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)、直流/直流（Direct Current, DC/DC）變換器、其他用電設(shè)備以及車輛各部件控制器和控制總成組成。車輛控制總成監(jiān)測(cè)整車的實(shí)時(shí)工況，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并對(duì)其進(jìn)行分析計(jì)算，向電池控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制系統(tǒng)輸出動(dòng)作信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)的協(xié)同控制。根據(jù)不同工況的需要，驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器，控制電機(jī)給予適當(dāng)?shù)墓β屎团ぞ剌敵?；氫燃料電池和?dòng)力蓄電池的工作狀態(tài)以及驅(qū)動(dòng)電機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng)之間能量的流動(dòng)方向都由控制總成和電池管理系統(tǒng)逐級(jí)控制。電池管理系統(tǒng)會(huì)根據(jù)實(shí)際工況為電機(jī)提供電能，以保證電機(jī)正常的功率需求，同時(shí)將過剩的輸出功率用于蓄電池充電。

圖1 動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 主要部件的選型計(jì)算

本設(shè)計(jì)將選擇籠型轉(zhuǎn)子式異步電機(jī)作為氫燃料電池汽車動(dòng)力系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，其轉(zhuǎn)速、功率、轉(zhuǎn)矩[20]計(jì)算公式分別為

式中，V為最高車速；n為電機(jī)轉(zhuǎn)速；r為車輪半徑；i0為主減速比；ig為傳動(dòng)速比；P為功率；η為機(jī)械效率；G為重力；f為滾動(dòng)阻力系數(shù)；ua為車速；CD為空氣阻力系數(shù)；δ為汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量轉(zhuǎn)換系數(shù)；Gi為驅(qū)動(dòng)力；T為轉(zhuǎn)矩。

由于本設(shè)計(jì)中的動(dòng)力系統(tǒng)是由氫燃料電池和動(dòng)力蓄電池共同組成，其中動(dòng)力蓄電池作為輔助動(dòng)力源只提供車輛在極端工況下，有大功率需求時(shí)的部分功率。因此，氫燃料電池所提供的功率必須滿足車輛在最高速度行駛時(shí)的要求，即

動(dòng)力系統(tǒng)中動(dòng)力蓄電池作為輔助動(dòng)力源，其最大功率應(yīng)大于等于驅(qū)動(dòng)電機(jī)最大功率和氫燃料電池最大功率之差為

行駛里程所需能量為

式中，S為行駛里程；Wd為行駛里程所需能量；Pd為蓄電池功率。

蓄電池的放電量為

式中，Uc為蓄電池電壓；ηDOD為放電深度；Wb為蓄電池放電量。

綜上，各部件最終參數(shù)如表3所示。

表3 動(dòng)力系統(tǒng)部件參數(shù)

2 動(dòng)力系統(tǒng)的建模

基于Advisor軟件平臺(tái)，利用前文得到的設(shè)計(jì)參數(shù)，分別建立氫燃料電池模型、驅(qū)動(dòng)電機(jī)模型、鋰離子動(dòng)力蓄電池模型和車輛整車模型。

圖2為氫燃料電池模型，其輸入量為動(dòng)力系統(tǒng)的實(shí)際功率需求（變量名為fc_pwr_out_r）；其輸出量為氫燃料電池的輸出功率（變量名為fc_pwr_out_a）和氫燃料的消耗以及排放物。在該模型中還需要燃料電池子模塊才能使其成功參與到仿真當(dāng)中，燃料電池的實(shí)際輸出功率均由該模塊依據(jù)動(dòng)力系統(tǒng)實(shí)際功率需求和燃料電池實(shí)時(shí)工況下可以輸出的最大功率計(jì)算得來。

圖2 氫燃料電池模型圖

根據(jù)仿真軟件處理數(shù)據(jù)的特點(diǎn)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出輸入的數(shù)量和關(guān)系，以及前文所計(jì)算并確定的驅(qū)動(dòng)電機(jī)的相關(guān)參數(shù)值，建立驅(qū)動(dòng)電機(jī)模型如圖3所示。

圖3 驅(qū)動(dòng)電機(jī)模型圖

圖4 為鋰離子蓄電池模型，1號(hào)子系統(tǒng)是電池內(nèi)阻和開路電壓模塊，其功能是根據(jù)實(shí)時(shí)的荷電狀態(tài)值計(jì)算出開路電壓、蓄電池功率需求以及其內(nèi)阻。2號(hào)子系統(tǒng)是電流計(jì)算模塊，其功能是根據(jù)電學(xué)規(guī)律（等效電路、基爾霍夫定律）推理的數(shù)學(xué)方程（模塊內(nèi)部已經(jīng)寫出）來計(jì)算出電池的電流值。3號(hào)子系統(tǒng)是荷電狀態(tài)值算法模塊，電池能放出電量以及該放出電量均由該模塊計(jì)算得出。4號(hào)子系統(tǒng)是功率限制模塊，其功能是依據(jù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)允許的最小電壓、等效電路參數(shù)、荷電狀態(tài)值這三個(gè)參數(shù)來限制蓄電池的工作功率以防超過限值。5號(hào)子系統(tǒng)是熱力學(xué)模塊，其功能是計(jì)算和反映電池內(nèi)部和表面的實(shí)時(shí)溫度，決定是否對(duì)蓄電池采取冷卻保護(hù)動(dòng)作。

圖4 鋰離子動(dòng)力蓄電池模型圖

圖5 為本設(shè)計(jì)的整車模型，該模型由減速器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)及控制器、車輛附件、電源總成、鋰電池、車輪和半軸、排放系統(tǒng)、氫燃料電池以及功率跟隨式控制策略等多個(gè)子模型共同組成，最前端的循環(huán)工況模塊是用于在仿真中選擇特定循環(huán)工況。

圖5 車輛整車模型圖

3 仿真結(jié)果及分析

為研究所設(shè)計(jì)的氫燃料電池汽車動(dòng)力系統(tǒng)和整車對(duì)各種道路工況的適應(yīng)能力，在Advisor環(huán)境下選擇國內(nèi)極具代表性的權(quán)威循環(huán)工況（中國城市工況）進(jìn)行仿真測(cè)試，并同原車型性能指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比。圖6為中國城市工況的特性曲線[21]，表4為中國城市工況的基本參數(shù)匯總。

表4 CYC_CHINA_CITY基本參數(shù)匯總

圖6 CYC_CHINA_CITY曲線圖

通過整車仿真參數(shù)的輸入、工況設(shè)置、性能測(cè)試仿真參數(shù)的設(shè)置等環(huán)節(jié)，得到該工況下的仿 真結(jié)果，如圖7所示。

由圖7可知，在中國城市工況下行駛5.9 km的循環(huán)中，此氫燃料電池汽車每行駛100 km消耗氫燃料為97.9 L，這個(gè)參數(shù)值相當(dāng)于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車6.6 L燃油消耗量，比原車型的百公里燃油消耗量8.0 L節(jié)約了1.4 L，氫燃料的燃油消耗當(dāng)量計(jì)算見文獻(xiàn)[22]。各類污染物的排放量均為零，完全符合設(shè)計(jì)指標(biāo)，并驗(yàn)證了氫燃料電池汽車無污染的基礎(chǔ)理論。加速及爬坡性能數(shù)據(jù)如表5所示，百公里加速時(shí)間為15 s，提高了11.7%；最大行駛速度為156.5 km/h，提高了4.3%；最大爬坡度為31.3%，提高了1.3%。

表5 CYC_CHINA_CITY下加速及爬坡性能數(shù)據(jù)

圖7 CYC_CHINA_CITY仿真結(jié)果圖

圖8 為鋰電池荷電狀態(tài)值曲線，鋰電池荷電狀態(tài)初始值為0.7，車輛剛啟動(dòng)時(shí)，燃料電池還沒有對(duì)外輸出功率，此時(shí)鋰電池需要向電機(jī)輸出功率，并啟動(dòng)氫燃料電池汽車，因此，其荷電狀態(tài)值會(huì)略有下降。在1000 s時(shí)荷電狀態(tài)值也有一個(gè)明顯的下降，因?yàn)榇藭r(shí)的電機(jī)功率小，氫燃料電池系統(tǒng)再次關(guān)閉，由鋰電池單獨(dú)給車輛供能。電機(jī)的功率輸出變化情況和循環(huán)工況的速度時(shí)間變化曲線在一定程度上保持一致，如圖9所示，曲線中的負(fù)值體現(xiàn)的是氫燃料電池汽車在制動(dòng)時(shí)回收再生能量的過程。氫燃料電池啟動(dòng)后的輸出功率根據(jù)電機(jī)的功率以及鋰電池的荷電狀態(tài)值動(dòng)態(tài)變化，在保證電機(jī)功率的需求的同時(shí)，也要根據(jù)功率跟隨式控制策略對(duì)鋰電池進(jìn)行充電操作，例如在1300 s時(shí)氫燃料電池功率輸出明顯增大，電機(jī)功率輸出也明顯增大，鋰電池的荷電狀態(tài)值也開始回升，如圖10所示。

圖8 CYC_CHINA_CITY下蓄電池SOC變化圖

圖9 CYC_CHINA_CITY下電機(jī)輸出功率圖

圖10 CYC_CHINA_CITY下氫燃料電池輸出功率圖

4 總結(jié)

本文根據(jù)某汽油發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)車型及其動(dòng)力性能，設(shè)計(jì)氫燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)，其采用氫燃料電池和動(dòng)力蓄電池混合形式，控制策略采用功率跟隨模式，在建立氫燃料電池系統(tǒng)模型、電機(jī)控制器模型、動(dòng)力蓄電池模型以及整車模型的基礎(chǔ)上，基于Advisor平臺(tái)就中國城市道路工況進(jìn)行仿真測(cè)試，并與原車型的性能參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的氫燃料電池汽車的動(dòng)力性能完全符合實(shí)際工況要求；在中國城市道路工況下，燃油經(jīng)濟(jì)性提高了17.5%，加速時(shí)間提高了11.7%，最大爬坡度提高了1.3%。