基于NEDC的氫-鋰電池混合動力系統(tǒng)性能仿真

魏寧　黃鳳云　杜樹村　陳浩　王連修　李新海

摘要：設(shè)計氫燃料電池-鋰電池混合動力系統(tǒng)，利用AVL-CRUISE軟件構(gòu)建整車動力系統(tǒng)模型，基于新歐洲行駛測試循環(huán)（new European driving cycle，NEDC）對氫燃料電池各主要部件功耗、氫燃料電池性能、鋰電池性能、氫燃料電池進(jìn)氣流量進(jìn)行仿真驗證系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和合理性。結(jié)果表明：NEDC全工況下，各部件中空壓機的功耗最大，且與車速正相關(guān)；全工況耗氫量為0.089 kg，總行駛里程為10.926 km，耗氫量較低，經(jīng)濟(jì)性較好；氫燃料電池堆內(nèi)工作溫度為66～77 ℃，符合60～80 ℃的溫度要求；鋰電池在城市工況輸出功率占比大于郊區(qū)工況輸出功率占比；氫氣過量系數(shù)為1.1～1.5，滿足動力系統(tǒng)不同功率輸出要求；實際空氣流量與設(shè)定目標(biāo)接近，控制效果較好。

關(guān)鍵詞：混合動力系統(tǒng)；氫燃料電池；鋰電池；空壓機

中圖分類號：TM911.4文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1673-6397（2023）05-0020-07

引用格式：魏寧，黃鳳云，杜樹村，等. 基于NEDC的氫-鋰電池混合動力系統(tǒng)性能仿真［J］.內(nèi)燃機與動力裝置，2023，40（5）：20-26.

WEI Ning， HUANG Fengyun， DU Shucun， et al. Performance simulation of a hydrogen-lithium battery hybrid power system based on NEDC［J］.Internal Combustion Engine & Powerplant， 2023，40（5）：20-26.

0 引言

隨著能源消耗、碳排放及全球環(huán)境污染問題日益凸顯，新能源汽車成為汽車行業(yè)發(fā)展的熱點[1-4]。純電動汽車具有零排放、能源利用效率高、加速響應(yīng)快、靜音、舒適等優(yōu)點，是新能源汽車的主流[5]。充電基礎(chǔ)設(shè)施不完善、充電時間長、續(xù)航里程短和火力發(fā)電碳排放多等問題限制了純電動汽車發(fā)展[6]，目前混合動力汽車是很好的解決方案。氫能質(zhì)量能量密度大，能量轉(zhuǎn)化效率高，被譽為21世紀(jì)的理想能源[7]。與鋰電池相比，氫燃料電池的反應(yīng)產(chǎn)物為水，同樣綠色清潔；儲氫罐加氫時間可縮短至5 min以內(nèi)，極大減少了用戶等待時間，克服了純電動汽車充電時間長、續(xù)航里程短的缺陷。氫燃料電池與鋰電池相結(jié)合可以實現(xiàn)動力系統(tǒng)的快速響應(yīng)及多能源互補[8]。

為提高測試和開發(fā)的效率，降低開發(fā)成本和風(fēng)險，通常采用軟件建模仿真對汽車整車及燃料電池動力系統(tǒng)進(jìn)行分析研究。郭曉凱等[9]基于Simulink軟件建立控制器的仿真模型，得出氫燃料電池混合動力系統(tǒng)能量最優(yōu)控制參數(shù)；時佳威等[10]利用AVL-CRUISE、Simulink軟件聯(lián)合仿真，對車用燃料電池耐久性控制策略進(jìn)行研究；郭朋彥等[11]利用Simulink建立了能量管理系統(tǒng)模型，提高了燃料電池混合動力車的經(jīng)濟(jì)性和安全性；楊彩虹等[12]通過ADAMS虛擬仿真軟件對某混合動力汽車發(fā)動機與電動機進(jìn)行動力學(xué)仿真分析；康健健等[13]分析燃料電池動力系統(tǒng)，確定相關(guān)參數(shù)使動力系統(tǒng)達(dá)到最佳狀態(tài)；洪晏忠等[14]抽取在售的氫燃料電池汽車，進(jìn)行不同使用工況下的行駛里程和氫氣消耗量測試，為動力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的研究提供了一定參考依據(jù)，但測試過程復(fù)雜，成本高，并且沒有得到較好的控制策略。

本文中設(shè)計氫-鋰電池混合動力系統(tǒng)，基于AVL-CRUISE M平臺搭建整車仿真模型，設(shè)計氫能和電能的控制策略，通過對新歐洲行駛測試循環(huán)（new European driving cycle，NEDC）工況下混合動力系統(tǒng)性能的仿真分析，得出氫-鋰電池混合動力汽車的耗氫量、鋰電池和燃料電池及相關(guān)部件的參數(shù)變化，提高了氫-鋰電池混合動力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和動力性。

1 整車動力系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計

1.1 整車及傳動系統(tǒng)參數(shù)

氫-鋰電池混合全功率汽車整車及傳動系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。

1.2 動力系統(tǒng)參數(shù)匹配結(jié)果

設(shè)計傳動系統(tǒng)驅(qū)動電機參數(shù)、動力電池參數(shù)和燃料電池參數(shù)，并進(jìn)行參數(shù)匹配優(yōu)化。氫-鋰電池混合動力汽車驅(qū)動電機、動力電池和燃料電池參數(shù)如表2所示。

1.3 理論公式

本文中采用某質(zhì)子交換膜燃料電池。燃料電池系統(tǒng)的歐姆電壓損失

Ud=IstackR=J0RAarea，

式中：J0為電堆電流密度，A/m2；Istack為堆棧電流，為電網(wǎng)所需電流與燃料電池的交叉電流的和，A；Aarea為燃料電池活化面積，m2；R為燃料電池的多相電阻， Ω。

陰極電壓損失

U0=Uact+UCCL+UGDL，

式中：Uact為活化損耗引起的壓降，UCCL為燃料電池陰極催化層中氧氣傳輸損失引起的壓降，UGDL為燃料電池氣體擴散層中氧氣傳輸損耗引起的壓降。

燃料電池電化學(xué)模型電壓

Ucell=UOC-U0-Ud，

式中UOC為理想開路電壓。

堆棧電壓

Ustack=Ucellncells，

式中ncells為堆棧中的單元數(shù)。

2 整車動力學(xué)模型

2.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

燃料電池自身存在動態(tài)響應(yīng)慢、工作電壓不穩(wěn)定、輸出峰值功率受限等缺點，難以滿足車輛在多變負(fù)載下的動態(tài)快速響應(yīng)要求。實際應(yīng)用中，燃料電池車輛通常搭配輔助電源裝置，減弱負(fù)載突變對燃料電池壽命的不利影響。根據(jù)直流/直流（direct current/direct current，DC/DC）變換器數(shù)量和位置，燃料電池和鋰電池復(fù)合的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可分為多種。本文中的燃料電池和鋰電池復(fù)合的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，并基于該結(jié)構(gòu)設(shè)計氫能和電能的控制策略。圖1中，Ibat、Idc1、Ibus、IFC、Idc2 分別為鋰電池、第1臺DC/DC變換器、整車、燃料電池、第2臺DC/DC變換器的輸出電流，Ubat、UFC、Udc、Ubus分別為鋰電池、燃料電池、DC/DC變換器、整車的電壓。

該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可通過控制2臺DC/DC變換器的占空比，靈活調(diào)節(jié)2個動力源的輸出功率，操作簡單，穩(wěn)定性好，可滿足動力系統(tǒng)對負(fù)載總線電壓高穩(wěn)定性需求。

2.2 整車動力學(xué)模型

通過AVL-CRUISE M平臺搭建整車動力系統(tǒng)模型，如圖2所示。

該模型主要包括燃料電池、鋰電池、DC／DC變換器和車輛負(fù)載等，車輛負(fù)載模型由車輛、制動裝置、差速器、單級主減速器、驅(qū)動電機和汽車整體組成。

3 仿真結(jié)果分析

基于動力系統(tǒng)模型進(jìn)行NEDC工況仿真，主要對城市和郊區(qū)2種工況進(jìn)行分析。設(shè)置總循環(huán)時長為1 180 s，前780 s為重復(fù)4次的城市循環(huán)工況，其余時間為郊區(qū)循環(huán)工況。

3.1 氫燃料電池各部件功耗分析

空壓機位于陰極子系統(tǒng)，是氫燃料電池的關(guān)鍵部件，為電堆提供具有一定壓力的空氣，滿足電堆功率的持續(xù)輸出?？諌簷C的功耗直接影響電堆系統(tǒng)的比功率。車速與空壓機功耗隨時間變化曲線如圖3所示。由圖3可知：1）城市工況下，平均車速為18.466 km/h，空壓機平均功耗為0.118 kW，當(dāng)車速達(dá)到最高，即為50 km/h時，空壓機功耗為1.225 kW；2）郊區(qū)工況下，平均車速為62.151 km/h，空壓機平均功耗為0.629 kW，當(dāng)車速達(dá)到最高，即為120 km/h時，空壓機功耗為3.414 kW；3）空壓機的功耗隨著車速的增大而增大，原因為隨著車速升高，車輛需要更多的氧氣滿足氫燃料電池的需求，因此空壓機需要提供更多壓縮空氣，導(dǎo)致空壓機功耗增加。

水泵和散熱風(fēng)扇是汽車熱管理系統(tǒng)中重要的組件，用于控制和調(diào)節(jié)燃料電池系統(tǒng)的溫度，保證其正常運行。水泵、散熱風(fēng)扇及空壓機功耗隨時間變化曲線如圖4所示。由圖4可知：在全工況運行下，空壓機的功耗最大，風(fēng)扇功耗最小，可忽略不計。

3.2 氫燃料電池性能分析

3.2.1 耗氫率

完整循環(huán)工況下，氫燃料電池的耗氫率與車速隨時間變化曲線如圖5所示，耗氫率隨車速變化曲線如圖6所示。

由圖5可知：1）當(dāng)達(dá)到城市循環(huán)工況的最高速度時，耗氫率為0.690 kg/h，通過積分計算，每個城市循環(huán)工況的耗氫量為6.7 g，行程為1.003 km；2）當(dāng)達(dá)到郊區(qū)工況的最高速度時，耗氫率為2.047 kg/h，郊區(qū)工況整體的耗氫量為62.5 g，行程為6.914 km；3）完整NEDC工況的總行駛里程約為10.926 km，耗氫量約為89.3 g，耗氫量較低。由圖6可知：車速越高，耗氫率越大，且隨車速的提高，耗氫率增幅減小。

3.2.2 溫度和效率

完整循環(huán)工況下，氫燃料電池的溫度、效率變化曲線如圖7所示。

由圖7a）可知：1）當(dāng)達(dá)到城市工況最高車速時，燃料電池的溫度為71.72 ℃；城市循環(huán)工況前200 s燃料電池平均溫度為69.12 ℃；2）當(dāng)達(dá)到郊區(qū)工況最高車速時，燃料電池的溫度為76.60 ℃；郊區(qū)循環(huán)工況前200 s的燃料電池的平均溫度為69.08 ℃。全工況電池堆內(nèi)工作溫度保持在66～77 ℃，符合60～80 ℃的溫度要求。

由圖7b）可知：1）以城市工況前200 s為分析時間段，車速最大時氫燃料電池的效率最低，約為64%，此時氫燃料電池處于高功率輸出狀態(tài)；每個城市循環(huán)的平均效率約為76.36%，氫燃料電池發(fā)電效率較好；2）郊區(qū)工況下，車速最大時的效率最低，約為56.93%，此時燃料電池同樣處于高功率輸出狀態(tài)；郊區(qū)工況的平均效率約為69.29%；3）溫度與效率負(fù)相關(guān)，溫度越高，效率越低，這是因為熱量散失導(dǎo)致了能量損耗。

3.3 燃料電池與鋰電池輸出特性對比

NEDC工況下燃料電池和鋰電池的功率對比如圖8所示，圖中θ為鋰電池輸出功率與燃料電池和鋰電池總功率的比。

由圖8可知：達(dá)到城市循環(huán)工況的最大速度時，氫燃料電池輸出功率為14.872 kW；達(dá)到郊區(qū)循環(huán)工況的最大速度時，氫燃料電池輸出功率為39.808 kW。對城市循環(huán)工況前200 s和郊區(qū)循環(huán)工況的功率進(jìn)行積分計算可得：每個城市循環(huán)工況的氫燃料電池耗電量為0.147 kW·h， 車輛行程為1.003 km；郊區(qū)循環(huán)工況的氫燃料電池耗電量為1.304 kW·h， 車輛行程為6.914 km。

分析城市循環(huán)工況的前200 s，第0—100秒時車速變化較為平緩，第100—200秒時車速變化迅速。通過對第0—100秒、第100—200秒 2個時間段的氫燃料電池耗氫量和輸出功率的4次積分計算可知，第100—200秒的單位功的耗氫量更低，因此氫-鋰電池混合動力汽車在市區(qū)中行駛時，應(yīng)該快速達(dá)到所允許的最高車速，避免一直低速行駛導(dǎo)致耗氫量升高。

由圖8還可知：鋰電池處于輸出電流及充電2種工況；當(dāng)達(dá)到城市循環(huán)工況、郊區(qū)循環(huán)工況的最大速度時，鋰電池輸出功率分別為10.054、9.989 kW。對城市循環(huán)工況前200 s和郊區(qū)循環(huán)工況的功率進(jìn)行積分計算可得：每個城市循環(huán)工況、郊區(qū)循環(huán)工況的鋰電池耗電量分別為0.014 3、0.148 0 kW·h， 車輛行程分別為1.003、6.914 km。鋰電池耗電量少，經(jīng)濟(jì)性較好。

通過對比分析氫燃料電池和鋰電池功率輸出曲線可得氫-鋰電池混合動力汽車工作時的供能變化規(guī)律。汽車起動時，燃料電池動態(tài)響應(yīng)慢，鋰電池對外輸出，燃料電池成功起動后，動力源逐漸替換；行駛過程中，當(dāng)車速過高、燃料電池?zé)o法滿足需求功率時，鋰電池再次提供能量；制動或減速過程中進(jìn)行能量回收，部分車輛動能轉(zhuǎn)化為電能存儲在鋰電池中，此時對應(yīng)圖8中鋰電池功率為負(fù)的情況；汽車在郊區(qū)行駛時，通常以長時間的穩(wěn)定巡航和高速行駛為主，無頻繁的起、停和加速過程，此時氫燃料電池可以持續(xù)提供動力，鋰電池為輔助能源，因此，θ較小。

3.4 氫燃料電池進(jìn)氣流量控制分析

NEDC工況下氫燃料電池陰、陽極邊界條件控制如圖9所示。由圖9a）可知：

模型運行時，氫氣采取變過量系數(shù)供氣，過量系數(shù)為1.1～1.5，這是因為系統(tǒng)模型采用NEDC工況，負(fù)載不斷變化，變過量系數(shù)供氣可滿足不同功率輸出；通過比例積分微分（proportion integral differential，PID）算法調(diào)節(jié)電磁閥等，控制氫氣質(zhì)量流量，可使實際氫氣質(zhì)量流量接近目標(biāo)氫氣質(zhì)量流量。由圖9b）可知：通過PID控制背壓閥和空壓機等，可以使空氣質(zhì)量流量迅速到達(dá)設(shè)定目標(biāo)，兩者相差很小，控制精度較高。

4 結(jié)論

通過AVL-CRUISE M平臺搭建氫-鋰電池混合動力汽車模型，基于NEDC工況，對氫燃料電池各主要部件功耗、氫燃料電池性能、鋰電池性能、氫燃料電池進(jìn)氣流量進(jìn)行仿真分析，得到以下結(jié)論。

1）氫燃料電池各部件中空壓機的功耗最大，且與車速正相關(guān)，城市工況、郊區(qū)工況空壓機平均功耗分別為0.118、0.629 kW。

2）NEDC全工況的氫燃料電池耗氫量為0.089 kg，總行駛里程為10.925 km，系統(tǒng)具有良好的經(jīng)濟(jì)性；電池溫度保持在66～77 ℃，平均溫度為69 ℃，符合60～80 ℃的溫度要求。

3）NEDC全工況的氫燃料電池耗電量為1.892 kW·h，鋰電池耗電量為0.205 kW·h，耗電量較少，經(jīng)濟(jì)性較好。鋰電池在城市工況的輸出功率占比大于在郊區(qū)工況的輸出功率占比。

4）氫-鋰電池混合動力系統(tǒng)氫氣的過量系數(shù)為1.1～1.5，通過PID調(diào)節(jié)電磁閥和空壓機，使實際氫氣流量接近目標(biāo)氫氣流量；實際空氣流量與設(shè)定目標(biāo)接近，控制效果較好。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 馬玎，謝建文，王艷霞.生態(tài)環(huán)境保護(hù)背景下的新能源開發(fā)[J].能源與節(jié)能，2023（4）：61-63.

[2] 黎新月.新能源汽車的發(fā)展對能源和環(huán)境的影響[J].資源節(jié)約與環(huán)保，2023（4）：129-132.

[3] 曹雅麗.生態(tài)環(huán)境部：推廣應(yīng)用新能源汽車助力大氣污染防治[N].中國工業(yè)報，2023-03-31（4）.

[4] 李永康，吳喜慶.國內(nèi)混合動力汽車發(fā)展與政策建議研究[J].內(nèi)燃機與配件，2022（23）：115-117.

[5] 高喬.中國新能源發(fā)展開足馬力[N].人民日報海外版，2022-11-07（10）.

[6] 袁宇航.新能源汽車的故障問題與維修技術(shù)探討[J].時代汽車，2023（10）：173-175.

[7] 張春暉，肖楠，蘇佩東，等.氫能、碳減排與可持續(xù)發(fā)展[J].能源與環(huán)保，2023，45（7）：1-9.

[8] 張穎.氫能發(fā)展迎來機遇燃料電池核心技術(shù)仍待突破[J].汽車與配件，2023（14）：4.

[9] 郭曉凱，閆獻(xiàn)國，陳峙，等.氫燃料電池混合動力能量多參數(shù)控制方法仿真[J].計算機仿真，2022，39（6）：146-150.

[10] 時佳威，謝金法，趙勇.車用燃料電池耐久性控制策略研究[J].現(xiàn)代制造工程，2021（8）：56-63.

[11] 郭朋彥，宗賀輝，王一博，等.氫燃料電池混合動力汽車能量管理系統(tǒng)建模與仿真分析[J].汽車電器，2020（1）：13-16.

[12] 楊彩虹，海有科，穆華輝，等.混合動力汽車動力系統(tǒng)匹配研究[J].專用汽車，2023（5）：18-19.

[13] 康健健，崔迎濤.燃料電池汽車混合動力系統(tǒng)設(shè)計研究[J].汽車與新動力，2022，5（2）：25-27.

[14] 洪晏忠，崔垚鵬.使用工況對氫燃料電池汽車百公里氫氣消耗量影響研究[J].時代汽車，2023（16）：108-110.

Performance simulation of a hydrogen-lithium battery hybrid power

system based on NEDC

WEI Ning1， HUANG Fengyun1， DU Shucun1， CHEN Hao1，

WANG Lianxiu2，LI Xinhai1，*

1. School of Mechanical and Electrical Engineering， Shandong Jianzhu University， Jinan 250101， China;

2. Shandong Institute of Standardization， Jinan 250014， China

Abstract：This study is focused on the design of a hybrid power system integrating hydrogen fuel cells and lithium batteries， with a primary objective of verifying its economic viability and practicality through simulation. The complete vehicle power system model is developed using AVL-CRUISE software. Simulation and analysis are conducted based on the new European driving cycle （NEDC） to assess the power consumption of major components within the hydrogen fuel cell system， hydrogen fuel cell performance， lithium battery performance， and hydrogen fuel cell intake airflow. The results indicate that the power consumption of the compressor in the accessory subsystem reaches its maximum during the NEDC cycle and shows a positive correlation with vehicle speed. The hydrogen consumption is 0.089 kg over the complete cycle， covering a total distance of 10.926 km. The hybrid system has low hydrogen consumption and good economy. The fuel cell temperature is maintained within the range of 66 ℃ to 77 ℃. Furthermore， the lithium battery exhibits a higher power output ratio during urban driving conditions compared to suburban scenarios. The hydrogen excess ratio ranging from 1.1 to 1.5， which meets the different power output requirements of the power system. The actual airflow closely matches the preset target， indicating a precise control.

Keywords：hybrid powertrain system; hydrogen fuel cell; lithium battery; compressor

（責(zé)任編輯：郎偉鋒）

收稿日期：2023-08-15

基金項目：山東省自然科學(xué)基金青年項目（ZR2021QE065）；山東省科技型中小企業(yè)創(chuàng)新能力提升工程項目（2022TSGC204 2023TSGC0855）；濟(jì)南市“新高校20條”資助項目（2021GXRC075），山東節(jié)能協(xié)會會校融合發(fā)展項目（SDJN2306）；山東省大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項目（S202210430024）

第一作者簡介：魏寧（2002—），女，濟(jì)南人，主要研究方向為氫能及燃料電池關(guān)鍵技術(shù)，E-mail：V00_OK@163.com。

*通信作者簡介：李新海（1989—），男，濟(jì)南人，工學(xué)博士，副研究員，主要研究方向為內(nèi)燃機工作過程及排放控制、CFD數(shù)值解析及工程應(yīng)用、氫燃料電池系統(tǒng)集成及關(guān)鍵技術(shù)，E-mail：xinhailove9@126.com。