燃料電池客車動(dòng)力系統(tǒng)的匹配研究

杜微微， 趙昌鋒

(中國(guó)第一汽車股份有限公司 技術(shù)中心, 長(zhǎng)春 130011)

全球汽車產(chǎn)業(yè)一直探索新的能源技術(shù)，希望找到高效、清潔環(huán)保的車用能源。燃料電池汽車因其高效、節(jié)能、零排放的特點(diǎn)，成為各大汽車廠商青睞的對(duì)象，是新能源汽車的重點(diǎn)研發(fā)領(lǐng)域之一[1]。

1 燃料電池汽車的驅(qū)動(dòng)模式及特點(diǎn)

燃料電池汽車的驅(qū)動(dòng)模式可以分為4種[2]，系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 燃料電池汽車系統(tǒng)示意圖

1) 純?nèi)剂想姵仳?qū)動(dòng)模式：燃料電池單獨(dú)提供能量。優(yōu)點(diǎn)：構(gòu)型簡(jiǎn)單、整備質(zhì)量輕、控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)：現(xiàn)階段燃料電池的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，且純?nèi)剂想姵剀囕v成本高、無法回收能量、可靠性差、啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)等。

2) 燃料電池與動(dòng)力電池的混合驅(qū)動(dòng)模式：燃料電池和動(dòng)力電池一同為車輛提供能量，以燃料電池為主、動(dòng)力電池為輔。此種混合模式被廣泛應(yīng)用。燃料電池工作在最佳工作區(qū)，功率波動(dòng)由動(dòng)力電池平衡。優(yōu)點(diǎn)：可選擇小功率的燃料電池,燃料電池壽命長(zhǎng)，系統(tǒng)響應(yīng)迅速，具有能量回收功能。缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)較純?nèi)剂想姵啬Ｊ綇?fù)雜[3]。

3) 燃料電池與超級(jí)電容的混合驅(qū)動(dòng)模式：燃料電池和超級(jí)電容一同為車輛提供能量，以燃料電池為主，超級(jí)電容輔助燃料電池系統(tǒng)工作。優(yōu)點(diǎn)：超級(jí)電容充放電效率高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、比功率高，可以在車輛爬坡、加速時(shí)瞬間提供大功率，另外，電容使用壽命較長(zhǎng)，可以大大降低售后成本。缺點(diǎn)：其比能量遠(yuǎn)低于動(dòng)力電池。

4) 燃料電池、超級(jí)電容和動(dòng)力電池的混合驅(qū)動(dòng)模式：3個(gè)能量源一同參與工作，以燃料電池為主，超級(jí)電容和動(dòng)力電池共同輔助燃料電池工作。優(yōu)點(diǎn)：此模式兼顧3種動(dòng)力源的優(yōu)點(diǎn)，可以滿足理想的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性需求。缺點(diǎn)：控制系統(tǒng)及結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高[4]。

合理的系統(tǒng)構(gòu)型方案是在滿足車輛性能的前提下，綜合考慮可行性、經(jīng)濟(jì)性?；谏鲜龈鞣N模式的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比，本次研究采用燃料電池與動(dòng)力電池混合的驅(qū)動(dòng)模式。此種模式可有效降低對(duì)燃料電池系統(tǒng)功率動(dòng)態(tài)特性的要求；可提供瞬時(shí)大功率用于起步、加速、爬坡等工況；能夠能量回收；具有一定的續(xù)駛里程；成本適中、控制及結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度適中。

2 動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配

本次研究的車輛是一款12 m低入口城市客車。由于對(duì)爬坡度要求不高，本車未額外采用變速器。

2.1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)的確定

1) 最高轉(zhuǎn)速nv。

式中：nv為最高車速對(duì)應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速，依據(jù)性能指標(biāo)，最高車速vmax取69 km/h；主減速器傳動(dòng)比i0為6.14；輪胎滾動(dòng)半徑r為0.462 m。

2) 額定功率Pr。使車輛持續(xù)工作在最高車速工況的能力。

式中：Pad為車輛附件功率(空調(diào)、除霜機(jī)、DC/DC、風(fēng)扇、氣泵、油泵等功率之和)，Pad=30 kW。傳動(dòng)系效率η1為0.92；電機(jī)與控制器總效率η2為0.92；滿載質(zhì)量m為17 700 kg；滾動(dòng)阻力系數(shù)f=0.007 6+0.000 056ua；迎風(fēng)面積A為8 m2；空氣阻力系數(shù)CD為0.6。

3) 峰值功率。電機(jī)的峰值功率應(yīng)大于爬坡功率或加速功率[5]。

①爬坡功率Pαmax。

Pad=130 kW

式中：依據(jù)性能指標(biāo)，最大坡度tanαmax取17%；爬坡車速v取10 km/h。

②加速功率Pa。在不考慮坡度阻力的情況下，加速度a的表達(dá)式為：

以性能指標(biāo)0～50 km/h加速時(shí)間小于18 s為條件，計(jì)算得到Pa=143 kW；質(zhì)量換算系數(shù)δ取1.3。

③峰值功率Pm。

Pm≥max{Pαmax,Pa} =143 kW

4) 峰值扭矩Tm。車輛爬坡時(shí)，對(duì)于扭矩的需求最大。峰值扭矩不能直接由峰值功率算出，因?yàn)榉逯蹬ぞ嘏c峰值功率并不是對(duì)應(yīng)關(guān)系，即在電機(jī)達(dá)到峰值扭矩時(shí)刻的功率不是峰值功率。一般在低速負(fù)載很大時(shí)出現(xiàn)峰值扭矩，此時(shí)的功率卻不大。

Tmi0η1η2/r≥mgfcosαmax+mgsinαmax+CDAv2/21.5

Tm≥2 710 N

另外，驅(qū)動(dòng)力應(yīng)小于等于地面附著力,附著系數(shù)μ取0.5。

根據(jù)以上計(jì)算，在電機(jī)制造廠家現(xiàn)有產(chǎn)品型譜中選擇適合的電機(jī)。選定電機(jī)參數(shù)如下：額定功率100 kW；額定轉(zhuǎn)矩955 N·m；額定轉(zhuǎn)速1 000 r/min；峰值功率250 kW；峰值扭矩2 800 N·m；最高轉(zhuǎn)速3 200 r/min；額定電壓576 V。

2.2 燃料電池功率的確定

對(duì)于城市客車，絕大多數(shù)時(shí)間在低速工況下行駛。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，以整車滿載狀態(tài)下，車速v=40 km/h等速行駛時(shí)車輛的需求功率為參考值，來確定燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的額定功率Pfc。

式中：DC/DC效率η3為0.97。

根據(jù)計(jì)算，選定某廠家額定功率60 kW的燃料電池系統(tǒng)。燃料電池系統(tǒng)參數(shù)如下：類型為水冷質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)；額定電流240 A；電壓范圍為300～420 V；發(fā)電效率>50%。

2.3 動(dòng)力電池參數(shù)確定

燃料電池混合動(dòng)力客車對(duì)于動(dòng)力電池有以下幾點(diǎn)要求：

1) 響應(yīng)迅速。燃料電池對(duì)于功率突變的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度無法滿足電動(dòng)系統(tǒng)的要求，因此要求動(dòng)力電池對(duì)于車輛功率的動(dòng)態(tài)變化能夠迅速響應(yīng)，使得車輛具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能[6]。

2) 瞬時(shí)大功率。由燃料電池特性決定，在車輛啟動(dòng)、爬坡、加速工況下，無法提供瞬時(shí)大功率。動(dòng)力電池需要提供瞬時(shí)大功率，以滿足整車的性能要求。

3) 制動(dòng)能量回收。燃料電池?zé)o法進(jìn)行能量回收，所以需要?jiǎng)恿﹄姵鼗厥罩苿?dòng)能量。

4) 儲(chǔ)存能量。燃料電池響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，車輛啟動(dòng)初期，無法迅速提供啟動(dòng)、檢測(cè)、控制等活動(dòng)需要的能量。所以動(dòng)力電池需要儲(chǔ)存一定能量，以便車輛順利啟動(dòng)[7]。

結(jié)合整車控制策略，對(duì)電池功率要求如下：在坡度為17%、車速v=10 km/h、坡長(zhǎng)L=1.5 km的工況下，動(dòng)力電池單獨(dú)工作可以滿足車輛正常行駛。此時(shí)

135.3 kW

式中：Pev為動(dòng)力電池輸出功率；電池效率η4為0.95。

動(dòng)力電池電量Eev=Pev×L/(0.75v)=27 kW·h

式中：動(dòng)力電池的SOC設(shè)定在20%～95%區(qū)間內(nèi)，以保證電池的使用壽命和工作狀態(tài)，所以電池實(shí)際可以充入或放出的能量為電池總能量的75%(0.75)；L為對(duì)應(yīng)坡長(zhǎng)；v為相應(yīng)車速。

本車選用鈦酸鋰電池，單節(jié)額定電壓為2.3 V；單節(jié)額定容量為10 Ah。本車采用250節(jié)串聯(lián)5支并聯(lián)的成組方案。電池系統(tǒng)參數(shù)如下：容量為50 Ah；額定電壓為575 V;能量為28.75 kW·h。

3 控制策略

在燃料電池與動(dòng)力電池組成的混合動(dòng)力系統(tǒng)中，根據(jù)車輛的功率需求和電池的荷電狀態(tài)分配能量。駕駛員控制踏板(油門踏板、制動(dòng)踏板)，踏板位移的行程量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，傳送至整車控制器，整車控制器計(jì)算出車輛在當(dāng)前工況的功率和扭矩需求并按照控制策略分配能量，燃料電池聯(lián)合動(dòng)力電池向電機(jī)提供能量。整車控制器通過CAN總線，實(shí)現(xiàn)與電機(jī)控制器、電池管理系統(tǒng)、燃料電池控制器的可靠通信，進(jìn)行狀態(tài)的采集及控制指令的輸出。動(dòng)力系統(tǒng)控制原理如圖2所示。

圖2 動(dòng)力系統(tǒng)控制原理圖

選擇工作模式和分配功率是控制策略的核心[8]。本次研究的控制策略包括兩個(gè)方面：一是設(shè)定各工作模式的進(jìn)入和退出條件；二是設(shè)定各工作模式下能量的分配原則。

3.1 驅(qū)動(dòng)模式的控制策略

基本思路：燃料電池工作在設(shè)定功率段內(nèi)，由動(dòng)力電池平衡能量波動(dòng)；將SOC控制在某個(gè)設(shè)定值附近，保證動(dòng)力電池不會(huì)過度放電，同時(shí)又留有空間用于再生制動(dòng)能量回收和接收燃料電池對(duì)它充電。

工作狀態(tài)分為以下3種模式：其中Pfc_eff為燃料電池高效點(diǎn)輸出功率；Pbat為動(dòng)力電池輸出功率；Pdem為車輛總需求功率；Pfc_max為燃料電池最大輸出功率；Pfc_min為燃料電池最小輸出功率；SOCmax為動(dòng)力電池剩余電量上限；SOCmin為動(dòng)力電池剩余電量下限；SOC*=(SOCmax+SOCmin)/2。

1) 當(dāng)SOC≤SOC*時(shí)：

①當(dāng)Pdem≤Pfc_eff時(shí)，燃料電池以Pfc_eff恒功率輸出，同時(shí)向電機(jī)及動(dòng)力電池輸出能量；直到SOC=SOC*時(shí)停止為動(dòng)力電池充電，燃料電池跟隨需求功率變化而變化。

②當(dāng)Pfc_eff

③當(dāng)Pdem>Pfc_max時(shí)，燃料電池以Pfc_max輸出，不足功率由動(dòng)力電池補(bǔ)充。直到SOC=SOCmin。

2)SOC*

①當(dāng)Pdem≤Pfc_max時(shí)，燃料電池單獨(dú)工作，功率跟隨需求功率變化而變化。

②當(dāng)Pdem>Pfc_max時(shí)，燃料電池以Pfc_max恒功率輸出，不足部分由動(dòng)力電池補(bǔ)充。

3)SOC>SOCmax時(shí)，禁止對(duì)電池充電：

①當(dāng)Pdem

②當(dāng)Pdem≥Pbat時(shí)，動(dòng)力電池同燃料電池聯(lián)合輸出能量，動(dòng)力電池作為主動(dòng)力源向電機(jī)提供能量，功率不足的部分由燃料電池補(bǔ)充。

3.2 制動(dòng)模式的控制策略

制動(dòng)能量回收是提高車輛經(jīng)濟(jì)性的有效途徑[9-10]。

3.2.1 制動(dòng)力分配策略

車輛制動(dòng)時(shí)，經(jīng)過EBS調(diào)節(jié)控制，近似實(shí)現(xiàn)理想的前后制動(dòng)器制動(dòng)力分配。當(dāng)制動(dòng)強(qiáng)度<0.4、動(dòng)力電池SOC<0.8、車速>5 km/h時(shí)，車輛進(jìn)行能量回收。由于再生制動(dòng)僅作用于驅(qū)動(dòng)橋，所以前橋的制動(dòng)力等于前制動(dòng)器制動(dòng)力；后軸輸出的制動(dòng)力等于再生制動(dòng)力與后制動(dòng)器制動(dòng)力之和。不滿足再生制動(dòng)條件時(shí)，電機(jī)再生制動(dòng)力輸出為“0”,此時(shí)后軸輸出的制動(dòng)力全部來自后制動(dòng)器制動(dòng)力。

3.2.2 制動(dòng)功率分配策略

1)當(dāng)松開油門踏板時(shí)，整車控制器對(duì)制動(dòng)強(qiáng)度、電池荷電狀態(tài)、車速進(jìn)行判斷，若滿足能量回收條件，則進(jìn)入再生制動(dòng)模式，此過程中驅(qū)動(dòng)橋制動(dòng)力由電機(jī)單獨(dú)提供[11]。

2)當(dāng)踩下制動(dòng)踏板時(shí)，進(jìn)入再生制動(dòng)和機(jī)械制動(dòng)共同作用階段。當(dāng)滿足能量回收條件，且再生制動(dòng)可以滿足制動(dòng)力需求時(shí)，再生制動(dòng)單獨(dú)作用；當(dāng)滿足能量回收條件，但再生制動(dòng)無法滿足制動(dòng)力需求時(shí)，再生制動(dòng)和機(jī)械制動(dòng)共同作用；當(dāng)不滿足能量回收條件時(shí)，由機(jī)械制動(dòng)單獨(dú)提供制動(dòng)力。

3)在制動(dòng)強(qiáng)度達(dá)到ABS的工作點(diǎn)之前，可采用3種策略：

①恒轉(zhuǎn)矩能量回收：在制動(dòng)過程中，電機(jī)以恒定轉(zhuǎn)矩輸出。此策略控制簡(jiǎn)單、系統(tǒng)波動(dòng)較小，制動(dòng)踏板制動(dòng)感覺較好。

②最大制動(dòng)能量回收：電機(jī)以最大制動(dòng)轉(zhuǎn)矩輸出。此控制策略回收能量的能力最強(qiáng)，但對(duì)電機(jī)控制要求較高，能量回收過程中電機(jī)抖動(dòng)劇烈，影響車輛平順性。

③恒速率能量回收:電機(jī)轉(zhuǎn)速保持在設(shè)定值，電機(jī)轉(zhuǎn)矩隨負(fù)載增加而增大。此控制策略相對(duì)復(fù)雜。

本車采用恒速率能量回收策略。

4)當(dāng)車輪即將抱死時(shí)，EBS退出工作，電機(jī)退出再生制動(dòng)模式，ABS系統(tǒng)合理分配各車輪的制動(dòng)力。

4 結(jié) 論

1)按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 12544-2012[12]對(duì)車輛的最高車速進(jìn)行檢測(cè)，在控制策略不限制車速的情況下，最高車速可以達(dá)到90.4 km/h。由于法規(guī)對(duì)城市客車車速的限制，車輛實(shí)際運(yùn)行時(shí)，限制車速不超過 69 km/h。

2)通過轉(zhuǎn)鼓實(shí)驗(yàn)，測(cè)得最大爬坡度18%。

3)按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 12543-2009[13]對(duì)車輛的加速性能進(jìn)行檢測(cè)，0～50 km/h加速時(shí)間為13 s。

4)按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19754-2015[14]對(duì)汽車車輛的能量消耗量進(jìn)行檢測(cè)。在CCBC工況下，百公里耗氣量為290 L。試驗(yàn)中，僅計(jì)算氫氣的消耗量，這是因?yàn)閯?dòng)力電池的SOC被控制在期望值附近波動(dòng)，近似認(rèn)為動(dòng)力電池始終處于理想電量狀態(tài)。

5)在CCBC工況下能量回收效率為25%。

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