面向低油耗的燃料電池乘用車動力系統(tǒng)匹配設計

惠博靜

（長安大學 汽車學院，陜西 西安 710064）

就汽車行業(yè)未來的發(fā)展而言，重點是清潔燃料的開發(fā)利用和能量轉化。通過研究清潔能源和新型動力技術，新能源汽車是目前的研究熱點。技術較為成熟的主要有純電動式、增程式、混合動力驅動式和燃料電池驅動式等[1]。燃料電池汽車（Fuel Cell Vehicle, FCV）與傳統(tǒng)內燃機汽車不同，具有零排放、效率高、能源可再生、多元化等優(yōu)點，成為全球各大汽車公司的研究熱點[2-3]。燃料電池汽車中的氫氣罐相當于由傳統(tǒng)汽車中的汽油箱轉變而來，燃料電池相當于由傳統(tǒng)汽車的發(fā)動機轉變而來，減少了污染，降低了尾氣的排放，提高了整車的經(jīng)濟性，穩(wěn)定性更好[4]。

自 20 世紀 80 年代起，奔馳、豐田、本田、通用等汽車公司對燃料電池電動汽車進行了近40年的研究，其整車性能和可靠性已與傳統(tǒng)汽車相當，正處于產(chǎn)業(yè)化前期。但相關的匹配設計技術尚不完善，存在較多問題，如燃料電池（Fuel Cell, FC）電堆和系統(tǒng)技術較低、關鍵材料以及核心技術還有待突破、國內燃料電池發(fā)動機的功率等級、功率密度等性能也顯著低于發(fā)達國家、在環(huán)境適應性特別是冷啟動性能方面的研究還限于初期階段、燃料電池系統(tǒng)部件的壽命不長，不能達到整車壽命水平。燃料電池發(fā)動機和氫氣的存儲成本較高，國內整車制造成本一直保持較高水平、氫能供應體系尚不完善等[5]。由于燃料電池和動力蓄電池的自身特性，目前燃料電池/蓄電池混合驅動是燃料電池汽車的重點。

從現(xiàn)有的技術現(xiàn)狀出發(fā)，隨著國際不斷成熟的FCV技術，我們主要的方向：1）提高FC技術水平，延長其使用壽命，提高它的功率密度和提升FC低溫啟動性能等；2）降低FC系統(tǒng)成本，優(yōu)化并精簡FC系統(tǒng)零部件構成，開發(fā)廉價的催化劑，降低質子交換膜成本等[6]；3）完善基礎設施配套加大投入，降低制氫、儲氫、運氫成本，大規(guī)模建設加氫站等將是未來發(fā)展的大趨勢。

本文基于傳統(tǒng)汽車，在性能參數(shù)、行駛工況標準不變的前提下，確定整車架構、動力系統(tǒng)結構、關鍵部件參數(shù)，將其設計成一款混合動力型的燃料電池汽車。對其動力系統(tǒng)關鍵部件進行匹配設計、基于混合度的關鍵參數(shù)優(yōu)化、采用Advisor軟件建立仿真模型；根據(jù)計算出的混合度范圍得到相應的燃料電池系統(tǒng)和蓄電池系統(tǒng)的功率范圍，工況模擬實驗，并分析其結果。設計出考慮混合驅動系統(tǒng)的功率分配方案和綜合性能最佳的燃料電池汽車。

1 整車及性能參數(shù)設計標準

1.1 基本構成

FCV的動力源為電機，與傳統(tǒng)汽車相同，整車控制器按照駕駛者的需求對驅動電機轉矩的大小進行控制，進而使汽車行駛。與常見的電動汽車的差異體現(xiàn)在，其中大多數(shù)的動力來源為動力電池，而FCV一般為FC或“FC+B”[7]，即燃料電池與鋰電池的電-電耦合動力系統(tǒng)架構。

圖1 燃料電池汽車基本組成

1.2 整車參數(shù)及性能指標

本文針對某1800 kg乘用車，進行關鍵部件選型、匹配設計及整車動力系統(tǒng)功率分配優(yōu)化仿真，其基本性能參數(shù)如表1所示。

表1 整車基本參數(shù)（北京現(xiàn)代ix35）

其設計要求是滿足原車各性能時，最大能力提高整車經(jīng)濟性，降低油耗，從而降低成本。故設計目標主要考慮國家標準、燃料電池汽車動力系統(tǒng)技術指標[8]。

2 動力系統(tǒng)匹配設計

2.1 驅動電機參數(shù)匹配

本文研究的“電-電”混合驅動汽車，由電機輸出汽車行駛需要的全部功率。受空間限制、環(huán)境及運行工況頻繁切換的影響，燃料電池汽車用電機必須具有以下特性：高功率密度、寬調速區(qū)間、轉矩動態(tài)響應迅速、狀態(tài)切換順滑、高可靠性、成本合理。故本文選用異步交流感應電機。其參數(shù)設計為

1）最大功率、額定功率。

驅動電機最大輸出功率即動力源總功率[9]。

電機額定功率對應汽車滿載（以車速V=80 km/h行駛時的需求功率），故電機的額定功率為

式中，ηT為傳動系效率；CD為空氣阻力系數(shù)；f為滾動阻力系數(shù)；MV為汽車總質量。

代入數(shù)據(jù)，得電機額定功率為24.11 kW。取整為25 kW。

2）最高轉速、額定轉速。

電機轉速的最高值由最高車速和傳動系的傳動比確定。由于乘用車實例的主減速比i0=6，而汽車的最高車速Vmax=160 km/h，則電機的最高轉速應該滿足

代入數(shù)據(jù)得，電機最高轉速nmax≥3628 r/min。

電機最高轉速的增大對減小電機尺寸及質量有利。因而，電機轉速的峰值確定為4000 r/min。同時，因為電機擴大恒功率區(qū)系數(shù)β（電動機轉速的最高值/額定值）值越大，額定轉速越低，對應轉矩越高，有利于提高車輛的加速能力和爬坡性能，穩(wěn)定運行性能好。但β值太大，會增大電機的工作電流，同時功率變換器件的功率損失和尺寸也會增大。因此，β值不宜過高，通常取值為2～3[10]，所以電機的額定轉速為2000 r/min。

3）最大轉矩、額定轉矩。

電機的最大轉矩Tmax由最大爬坡度確定，忽略空氣阻力，低車速情況下則有

代入數(shù)據(jù)，得Tmax≥ 567.34 Nm。因此，電機的最大轉矩初步定為600 Nm。 電機的額定轉矩為

代入數(shù)據(jù)，得電機額定轉矩為119.375 Nm，取整為120 Nm。

4）工作電壓。

工作電壓太低，致使電流過大，進而導致系統(tǒng)電阻的消耗增大。反之，會對逆變器的安全產(chǎn)生很大的影響[11]。FCV的工作電壓通常在280～400 V之間。就現(xiàn)階段的趨勢而言，電壓值在升高。綜上所述，電機類型為異步，交流感應電機，控制特性為矢量控制時，電機參數(shù)選擇如表3所示。

表3 電機基本參數(shù)

2.2 燃料電池系統(tǒng)參數(shù)匹配

燃料電池優(yōu)勢在于反應時無燃燒現(xiàn)象，無熱機做功，能量的轉換效率高[12]。本文選定質子交換膜燃料電池作為主要動力源。燃料電池在滿足平均行駛阻力功率的同時，也應滿足爬坡性能。在實際計算時，燃料電池系統(tǒng)可獨自供給最大速度行駛的需求功率，且剩余一定后備功率對動力蓄電池組充電。

計算燃料電池系統(tǒng)功率Pfc可簡化為

式中，Pm為驅動電機功率；ηinv為逆變器效率，值為0.96；ηdc為直流轉直流（Direct Current/Direct Current, DC/DC）轉變器效率，值為0.95；Pacc為附屬部件功率，設計計算時，記為5 kW。

代入數(shù)據(jù)，得燃料電池系統(tǒng)的需求功率為32.68 kW，取整為33 kW。其電機功率能夠達到該車在光滑道路上以160 km/h車速運行且一定坡度下車輛行駛的需求功率[8]，故將其系統(tǒng)功率設為33 kW，即可滿足遠距離行駛的需求。

2.3 動力蓄電池系統(tǒng)參數(shù)匹配

動力電池組作為輔助動力源，用來提高車輛的續(xù)駛里程。起步時，供應總驅動力。加速、爬坡時，燃料電池發(fā)動機不能滿足車輛行駛的要求功率，為此需要補充動力電池組為主動力源提供功率。同時，驅動功率低于燃料電池發(fā)動機功率情況下，動力電池組可儲蓄系統(tǒng)剩余的能量。制動時，回收此時的能量，使汽車動力系統(tǒng)的能量效率有所提高[13]。本文選用鋰離子電池作為動力電池。主要對以下參數(shù)進行設計。

1）額定電壓和單體節(jié)數(shù)。

就目前鋰離子電池的發(fā)展而言，可供利用的電壓基本在2.7～4.3 V，大于4.3 V過充，小于2.7 V過放。以電機的功率和扭矩特性為依據(jù)，動力總線的電壓決定動力電池組的額定電壓，并結合單體電池準許的電壓區(qū)間，計算出需要的電池數(shù)。

動力總線允許波動范圍為280～400 V，則電池單體節(jié)數(shù)為400/4.3=93.02。取電壓上限4.3 V，保證電池不會過充；280/2.7=103.70；取電壓下限2.7 V，保證電池不會過放。

經(jīng)比較，保留通過最大邊界電壓計算結果并取整，取N=94。對節(jié)數(shù)進行校對，280/94=2.98 V，最小邊界電壓滿足要求。故最終單體電池的允許電壓工作范圍確定為3.0～4.3 V，電池節(jié)數(shù)N=94。

2）功率和能量需求。

動力電池的需求功率指最大的充、放電需求功率。用需求功率比機械效率，從而得出動力源需求功率的最大值。其由兩動力源電池聯(lián)合供給。

由表4可知，對電池最大放電需求功率為 30 kW。如果機械傳動效率ηdis=0.85，則對單個電池的放電功率需求為

表4 各工況下動力蓄電池組的需求功率

如果其充電效率ηcha=0.96，則對單個電池的充電功率需求為

3）考慮SOC影響下的電池能量需求。

通常，荷電狀態(tài)（State Of Charge, SOC）值在30%～70%之間變化，動力電池組的能量也隨SOC值的變化而發(fā)生相應的變化。由鋰離子電池的特性知，在電池的荷電狀態(tài)SOC值較大時，允許的放電功率較大、充電功率較??；反之，電池的荷電狀態(tài)SOC值較小時，允許充電功率較大、放電功率較小。在保證工作狀態(tài)下，SOC取值50%，則單個電池放電能量的需求為

對單體電池的充電能量需求為

本文所選動力蓄電池組參數(shù)結果如表5所示。

表5 動力蓄電池參數(shù)

3 基于混合度的動力學模型建立

3.1 動力源總功率的確定

在“電-電”混合的FCV中，動力源總功率指驅動電機的峰值功率，憑借動力性指標來確定。主要計算為

1）根據(jù)最高車速Vmax=160 km/h確定的最大功率Pmax1為

2）根據(jù)爬坡性能確定的最大功率Pmax2，考慮在車速Vi=15 km/h時，車輛滿載狀態(tài)下最大爬坡度不低于20%[8]。則有

3）根據(jù)加速性能確定的最大功率Pmax3為

代入數(shù)據(jù)，得Pmax1=76.02 kW，

Pmax2=27.98 kW，Pmax3=62.15 kW。

綜上所述，對于動力性指標算出各自最大功率，動力源總功率Ptotal必須滿足式（14），即

計算可知，汽車滿載，加速時的需求功率最大，完全滿足動力性要求。同時，在動力系統(tǒng)進行裝配時，兩動力源的輸出功率應滿足電機總功率的要求，電機效率取ηmot=0.95，即

該功率對應電機峰值功率，取整為80 kW。

3.2 動力系統(tǒng)參數(shù)匹配的混合度計算

混合度表示為混合動力系統(tǒng)兩能量源的功率分配情況。電機提供車輛行駛的全部動力。其功率由動力源的需求功率確定，即燃料電池發(fā)動機輸出功率和蓄電池組輸出功率混合，向驅動電機提供總功率，故混合度定義為[14]

式中，PFC為燃料電池發(fā)動機功率，kW；PBA為蓄電池組功率，kW。

持續(xù)時間不同，峰值功率的數(shù)值跨度太大，不利于研究，而額定功率反映能量源連續(xù)輸出效能的最大值。故本文通過額定功率定義混合度，對其邊界值進行計算。

3.2.1 混合度最大邊界值的確定

即在確保動力源總功率的基礎上，采用燃料電池系統(tǒng)輸出功率的最小值[15]。首先，確定在以下兩種模式時，燃料電池系統(tǒng)獨自驅動車輛所需最小輸出功率：

1）汽車以穩(wěn)定車速V=80 km/h在平滑路面行駛的需求功率PV為

代入數(shù)據(jù)，得PV=23.15 kW。

2）汽車以Vi=60 km/h的速度，在i=4%的坡上行駛的需求功率Pi為

代入數(shù)據(jù)，得Pi=28.88 kW。

故動力源總功率一定時，燃料電池系統(tǒng)為滿足穩(wěn)態(tài)功率的最小輸出功率為

式中，ηmot=0.95，最小輸出功率取整30 kW；所以，混合度的最大邊界值條件Hmax為

代入數(shù)據(jù)，得Hmax=62.5%。

3.2.2 混合度最小邊界值的確定

即動力蓄電池組為滿足汽車平均車速且充分吸收能量時需求的最小輸出功率，即

代入數(shù)據(jù)，得PBA－min=13.10 kW

式中，平均車速Vaver=50 km/h，對其取整，得PBA－min=14 kW。

所以，混合度的最小邊界值條件Hmin為

綜上所述，動力源總功率一定時，混合度的取值范圍為17.5% ≤H≤ 62.5%。

4 仿真建模與結果分析

4.1 燃料電池汽車仿真模型

本文主要是在Advisor中的燃料電池汽車模型的基礎上進行研究[16]，結構如圖2所示。在Advisor中，燃料電池汽車模型中默認的變速器是單速的，控制策略是恒溫器型控制策略。當蓄電池組的SOC值低于最低期望值（cs-lo-soc）時，燃料電池發(fā)動機啟動；當其達到最高期望值（cs-hi- soc）時關閉[17]。本文選用CYC-NEDC和CYC- HWFET兩個路面工況進行性能仿真，采用功率跟隨模式能量控制策略。

圖2 燃料電池汽車模型結構

為使驅動電機有充足的功率輸出，必須使驅動電機需求的最大功率等于兩動力源輸出功率的總和。確定混合度的取值范圍為17.5%≤H≤ 62.5%，電池組功率范圍為14 kW≤P≤50 kW。對此，本節(jié)主要進行混合度的優(yōu)化方案設計?；谥暗慕榻B，本文選用鋰離子電池作動力電池、質子交換膜燃料電池作燃料電池。由于兩者的功率分配不同，從而導致整車各性能產(chǎn)生變化。

綜上所述，結合理論知識，燃料轉換器分配到的功率小于蓄電池組功率時，效率高。因此，在電機需求總功率一定的情況下，設計出燃料電池/動力電池11種功率分配方案，如表6所示。對其進行仿真模擬，從而選定兩動力源功率最優(yōu)的方案。

表6 功率分配方案

4.2 仿真優(yōu)化

基于仿真結果的真實性，車輛的總質量保持不變（恒為1800 kg），但由于燃料電池和動力蓄電池組的功率分布變化，整車質量也在發(fā)生變化，通過改變負載進而控制燃料電池汽車的總質量。同時，確保動力蓄電池組的荷電狀態(tài)SOC值在仿真過程中保持不變，避免動力蓄電池中含有的能量對經(jīng)濟行造成的影響。所有方案中動力蓄電池組的初始荷電狀態(tài)SOC值設為定值（0.5），最高不超過0.7，最低不低于0.3。

本文的仿真實驗主要內容為：1）在CYC- NEDC循環(huán)工況下，11種方案的性能仿真；2）CYC- HWFET循環(huán)工況下，11種方案的性能仿真。全面地分析所有結果。圖3為對應一種循環(huán)工況（CYC-NEDC）下的一種功率分配方案（燃料電池功率30 kW，蓄電池功率50 kW）的仿真過程。重復多組實驗。

圖3(a)描述車速跟隨工況運行的曲線。從中能夠得到：以實驗要求為標準，循環(huán)工況路途總長9.8 km，用時810 s，其中，車輛的最高車速為148 km/h。仿真表明，該燃料電池汽車完全達到實驗要求。

圖3 各部件的變量的仿真結果與仿真時間關系曲線

圖3 (b)描述了能量存儲系統(tǒng)的SOC的變化曲線。

圖3(c)描述的是可輸入電機/控制器的功率的變化曲線，負值表示電動機在進行再生制動給蓄電池充電。

圖3(d)描述的是燃料電池輸出的電功率變化曲線。從圖中能夠看出動力電池SOC的初始值為0.5，在車輛起步時，SOC值下降，以供給車輛起步和燃料電池發(fā)動機運行的需求功率。依據(jù)功率跟隨模式的能量管理策略，燃料電池系統(tǒng)的殘余功率給動力電池充電，以維持動力電池SOC值在某一區(qū)間內，以延續(xù)動力電池的壽命；燃料電池系統(tǒng)的功率不可以使車輛保持高功率需求，則動力電池在750 s左右開始放電。

4.3 結果分析

綜合分析所有仿真結果，研究其變化規(guī)律，分析依據(jù)主要包括0～50 km/h、50～80 km/h的加速時間、30 min最高車速和最大爬坡度。參照表2中GB/T 18385動力性能的要求，分析對所得數(shù)據(jù)[12]，結果如圖4所示。

表2 性能設計指標

圖4 CYC-NEDC循環(huán)工況動力性仿真結果

通過多次仿真實驗，在CYC-NEDC和CYC- HWFET兩工況下，由于汽車總重和功率恒定，所以同方案的動力性在兩循環(huán)工況下的影響不大。從圖5能夠看出，隨著燃料電池發(fā)動機功率越大，兩種加速時間曲線均上升，0～50 km/h的最短加速時間是3.4 s；50～80 km/h的最短加速時間是5.2 s，同種速度下，最大爬坡度是18.4%。全面分析后考慮方案三，其動力性最優(yōu)。

圖5 CYC-HWFET循環(huán)工況動力性仿真結果

仿真實驗得到的各個方案的經(jīng)濟性都是憑借英里每加侖汽油當量（Miles Per Gallon of Gasoline Equivalent, MPGGE）來作為標準衡量的，其值是通過汽油的熱值、密度及儲能系統(tǒng)下的耗能來確定的，所有方案數(shù)據(jù)如表7所示。圖6為兩種工況下各方案的經(jīng)濟性。

表7 各方案的燃油經(jīng)濟性對比（MPGGE）

圖6 燃油經(jīng)濟性對比

由圖6中知，NEDC循環(huán)工況經(jīng)濟性整體要比HWFET循環(huán)工況要好，這主要由于NEDC制動次數(shù)少。在兩種工況下，隨燃料電池系統(tǒng)功率增加，整車經(jīng)濟性下降[18]，這主要是由于隨著動力電池組容量的減少，在制動時吸收的能量也相應地減少，進而對經(jīng)濟性產(chǎn)生影響。綜上所述，選擇方案三，即燃料電池功率34 kW，動力蓄電池組功率46 kW，在這樣的功率分配方式下，既確保汽車的動力性、經(jīng)濟性，同時也確保車輛恒定速度下運行時，燃料電池系統(tǒng)可單獨供應動力。

5 結論

本文選取燃料電池汽車的主動力源燃料電池組加輔助動力源蓄電池組的混合動力系統(tǒng)結構形式，通過對FCV動力系統(tǒng)核心部件電機、燃料電池發(fā)動機、動力電池組進行匹配設計，得到了基于混合度的功率分配方案。以MATLAB/Simulink環(huán)境下的Advisor為仿真平臺，在選定的循環(huán)工況下，進行了仿真模擬，得到了各方案不同工況下的加速時間、最高速度和最大爬坡度的變化情況。通過分析，比較動力性和經(jīng)濟性來確定兩動力源最好的功率匹配方案。仿真結果表明，兩動力源之間合理的功率配合能夠有效提高整車動力性，確保經(jīng)濟性，從而降低車輛的平均運行成本，有關動力源的匹配設計過程可為燃料電池乘用車相關設計提供參考。