燃料電池／蓄電池混合動(dòng)力車輛能效評(píng)估

潘西湘，王月明，唐 陽(yáng)

（西南交通大學(xué) 機(jī)械學(xué)院 機(jī)車車輛實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031）

0 引言

目前，氫氣作為燃料因能產(chǎn)生清潔高效的動(dòng)力而備受關(guān)注。為替代傳統(tǒng)車輛內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)以及今后替代電力驅(qū)動(dòng)，鐵路技術(shù)研究所研發(fā)了用燃料電池驅(qū)動(dòng)的新型車輛，引入了足以驅(qū)動(dòng)至少一輛車的100kW級(jí)燃料電池系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱FC系統(tǒng)），并將其安裝在試驗(yàn)車輛上進(jìn)行了運(yùn)行測(cè)試。該車徑實(shí)際運(yùn)用還存在許多限制，如輸出功率不能達(dá)到傳統(tǒng)車輛的加速性能，而且不能利用再生能量［1］。本研究中，開發(fā)了鋰離子電池系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱Li－batt）、電池DC／DC變流器（Batt變流器）以及FC／Batt混合動(dòng)力系統(tǒng)監(jiān)控器，并將它們與FC系統(tǒng)一起安裝在R291試驗(yàn)車輛上，利用再生能量以及輔助電源，建立了一套混合動(dòng)力系統(tǒng)。本文將闡述上述研發(fā)過(guò)程及不同運(yùn)行條件下能源效率及燃料消耗率的評(píng)估結(jié)果。

1 FC／Batt混合動(dòng)力系統(tǒng)的研發(fā)

1．1 系統(tǒng)試驗(yàn)車的技術(shù)參數(shù)

本研究中，構(gòu)建了FC／Batt混合動(dòng)力系統(tǒng)，并在列車上進(jìn)行了運(yùn)行試驗(yàn)。圖1為FC／Batt混合動(dòng)力試驗(yàn)車輛?；旌蟿?dòng)力系統(tǒng)包括：由輸出直流電壓800V～1 500V、輸出功率700kW的單向DC／DC升壓變流器構(gòu)成的FC變流器；容量為360kW、能量為36kWh的鋰離子電池；輸出直流電壓為600V～1 500V、輸出功率360kW的雙向DC／DC變流器構(gòu)成的Batt變流器；兩個(gè)輸出功率為95kW的三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)組成的主牽引電機(jī)；容積為720L、能承受35MPa壓強(qiáng)的氫氣缸。

在運(yùn)用FC／Batt混合動(dòng)力系統(tǒng)后列車輸出的數(shù)據(jù)較傳統(tǒng)車輛得到了改善［2］，由原來(lái)一輛編組變成了兩輛，牽引功率由120kW提高到360kW，燃料（氫氣）利用率由5km／kg提高到7km／kg，能源利用率提高了15%，且實(shí)現(xiàn)了再生制動(dòng)。

圖1 FC／Batt混合動(dòng)力試驗(yàn)車輛

1．2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

FC／Batt混合動(dòng)力系統(tǒng)很好地結(jié)合了燃料電池和蓄電池的輸出功率，避免因牽引逆變器輸入電壓波動(dòng)影響其加速性能。為充分利用感應(yīng)電機(jī)產(chǎn)生的再生能量，F(xiàn)C／Batt混合動(dòng)力系統(tǒng)采用了如圖2所示的結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)具有傳統(tǒng)牽引系統(tǒng)的特點(diǎn)，如工作條件要求低、可簡(jiǎn)化主電路等，最合適安裝于傳統(tǒng)車輛上。

圖2 FC／Batt混合動(dòng)力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

1．3 鋰電池的研發(fā)

鋰離子電池因具有性能好、可靠性高、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)而被選作為混合動(dòng)力系統(tǒng)的蓄電池。在傳統(tǒng)鋰離子電池的基礎(chǔ)上，對(duì)本系統(tǒng)所用鋰電池的充電和放電電流密度進(jìn)行了新的設(shè)計(jì)，使其是傳統(tǒng)鋰離子電池容量的10倍。本系統(tǒng)采用的電池技術(shù)參數(shù)為：額定電壓604．8V，容量60Ah，功率360kW。電池采用了168塊串聯(lián)、2組并聯(lián)的結(jié)構(gòu)。

1．4 Batt變流器的研發(fā)

為將鋰離子電池應(yīng)用于混合動(dòng)力系統(tǒng)，研發(fā)了Batt變流器，其用于將鋰離子電池電壓在600V和1 500V之間進(jìn)行雙向轉(zhuǎn)換。變流器主電路類型為雙向DC／DC，最大功率360kW，低位電壓500V～720 V，高位電壓1 500V，質(zhì)量為2 400kg，外形尺寸（長(zhǎng)×寬×高）為4．5m×1．0m×1．65m。

2 FC／Batt混合動(dòng)力系統(tǒng)的控制

通過(guò)從牽引逆變器（INV）、鋰離子電池、FC系統(tǒng)及FC變流器接受信號(hào)的方式，Batt變流器控制FC變流器的輸出功率和鋰離子電池充放電功率，以維持總線電壓恒定。當(dāng)總線電壓超過(guò)1 500V，Batt變流器向鋰離子電池充電；反之，讓電池放電。提前設(shè)置了充電SOC目標(biāo)值（CEO）和放電SOC目標(biāo)值（CSO），Batt變流器對(duì)FC變流器的輸出進(jìn)行控制，保持來(lái)自SOC信號(hào)位于CEO和CSO之間。當(dāng)車輛速度大于5 km／h時(shí)，認(rèn)為車輛處于運(yùn)行中，為獲得基于速度的再生能量，Batt變流器就會(huì)減小CEO和CSO值，故運(yùn)行過(guò)程中的SOC會(huì)比靜止?fàn)顟B(tài)（或車輛速度低于5km／h）的低。當(dāng)車輛需要在較高SOC條件下進(jìn)行測(cè)試時(shí)，則需要鋰離子電池提供加速能量。

為獲取再生制動(dòng)產(chǎn)生的最大功率，將CEO值設(shè)為70%；為避免由于SOC信號(hào)的振蕩而發(fā)生共振，將CSO值設(shè)為60%（即比CEO值低10%）。這些Batt變流器參數(shù)可根據(jù)需要進(jìn)行更改。

3 FC／Batt混合動(dòng)力系統(tǒng)燃料消耗率及效率評(píng)估

我們?cè)谠囼?yàn)軌道上對(duì)FC／Batt混合動(dòng)力試驗(yàn)車輛進(jìn)行了運(yùn)行試驗(yàn)，并基于試驗(yàn)結(jié)果對(duì)混合動(dòng)力系統(tǒng)的燃料消耗率及能源效率進(jìn)行了評(píng)估。本文對(duì)有無(wú)等待SOC恢復(fù)及是否開啟空調(diào)等三種工況下的輸出進(jìn)行了比較［3］。

3．1 空調(diào)關(guān)閉時(shí)燃料消耗率和效率的評(píng)估

圖3為帶有SOC恢復(fù)及空調(diào)關(guān)閉情況下（工況1）的連續(xù)運(yùn)行試驗(yàn)結(jié)果。在有SOC恢復(fù)情況下，只要有燃料就可一直進(jìn)行運(yùn)行試驗(yàn)。基于SOC維持在60%情況下（除了第一次以外）連續(xù)進(jìn)行了30次試驗(yàn)。

圖4為沒(méi)有SOC恢復(fù)及空調(diào)關(guān)閉情況下（工況2）的試驗(yàn)結(jié)果。在沒(méi)有SOC恢復(fù)的情況下，隨著運(yùn)行試驗(yàn)的進(jìn)行SOC值漸漸降低，當(dāng)SOC值低于30%時(shí)試驗(yàn)結(jié)束。本工況下，當(dāng)SOC值從60%降到30%，可進(jìn)行22次運(yùn)行試驗(yàn)。

在這些評(píng)估中，使用下述公式對(duì)燃料消耗率和效率各方面進(jìn)行定義［4］：

其中：A為加速能量；B為輔助能量；C為電池放電能量。氫氣消耗能量通過(guò)低熱值進(jìn)行換算。

圖3 工況1下連續(xù)運(yùn)行試驗(yàn)結(jié)果

圖4 工況2下連續(xù)運(yùn)行試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)于工況1、2，表1列出了燃料消耗率的評(píng)估，表2列出了效率各方面的評(píng)估。由表1和表2可知：當(dāng)空調(diào)關(guān)閉，無(wú)SOC恢復(fù)下，氫氣耗量、燃料利用率、燃料電池效率、再生效率及車輛能源效率都優(yōu)于有SOC恢復(fù)情況。

表1 工況1、2下燃料消耗率評(píng)估

表2 工況1、2下效率評(píng)估

3．2 空調(diào)開啟時(shí)燃料消耗率和效率的評(píng)估

圖5為沒(méi)有SOC恢復(fù)及空調(diào)開啟情況下（工況3）連續(xù)運(yùn)行試驗(yàn)的結(jié)果。本工況下，當(dāng)SOC值從60%降到30%，可進(jìn)行16次運(yùn)行試驗(yàn)。對(duì)于工況3，表3列出了燃料消耗率的評(píng)估，而表4列出了效率各方面的評(píng)估。工況2和工況3的差別僅僅是空調(diào)的開關(guān)與否，但在燃料利用率和車輛能效方面卻分別有1．07km／kg－H2和7．4%的差別。工況2下，要將SOC從30%恢復(fù)到60%，需要花約12min，而工況3則要花約15min。工況1中，每次運(yùn)行試驗(yàn)要將SOC恢復(fù)到60%均需要花3min左右。

圖5 工況3下連續(xù)運(yùn)行試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

在裝有FC／Batt混合動(dòng)力系統(tǒng)的兩輛車上進(jìn)行了運(yùn)行試驗(yàn)，并對(duì)具有60%SOC恢復(fù)運(yùn)行工況和沒(méi)有SOC恢復(fù)工況進(jìn)行了燃料消耗率和效率方面的評(píng)估。結(jié)果表明：沒(méi)有SOC恢復(fù)工況的燃料利用率和車輛能源效率分別比有SOC恢復(fù)工況好，約為0．8km／kg－H2和10%。另外，分析了空調(diào)開關(guān)之間的區(qū)別，結(jié)果表明空調(diào)關(guān)閉時(shí)大約有1km／kg－H2的燃料利用量和7%的車輛能源效率的優(yōu)勢(shì)。此處，只能簡(jiǎn)單地確定車輛能效約65%的車輛如預(yù)期一樣具有較高的性能。研發(fā)尺寸更小的FC／Batt混合動(dòng)力系統(tǒng)，并針對(duì)實(shí)際運(yùn)用確定燃料電池壽命是今后的研發(fā)方向。

表3 工況3下燃料消耗率評(píng)估

表4 工況3下效率評(píng)估

［1］ Ogden J，Steinburger Ｍ Ｍ，Kreutz TG．A comparison of hydrogen，methanol and gasoline fuels for fuel cell vehicles：implications for the vehicle design and infrastructure development［J］．J Power Sources，1999，79：143－168．

［2］ Takamitsu Yamamoto．Energy efficiency evaluation of fuel cells and batteies hybid railway vechicles［J］．RTRI Report，2010，51（3）：115－120．

［3］ Scott Ｄ Ｓ，Rogner R g，Scott S o．Fuel cell locomotives in Canada［J］．Hydrogen Energy，1993，18（3）：256－263．

［4］ Peter Mizsey，Esmond Newson．Comparison of different vehicle power trains［J］．Journal of Power Sources，2001（2）：205－209．