8.5 m氫燃料電池城市客車動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)

王澤平

(安徽安凱汽車股份有限公司， 合肥 230051)

在國(guó)家政策支持引導(dǎo)和各方面共同努力下，我國(guó)新能源汽車產(chǎn)業(yè)逐步發(fā)展壯大。燃料電池汽車作為新能源汽車的一種，具有無污染、加氫時(shí)間短、續(xù)駛里程長(zhǎng)的特點(diǎn)，被國(guó)際公認(rèn)為“最終新能源客車解決方案”。世界各國(guó)已把全面禁售燃油車提上日程，我國(guó)已明確以新能源為客車轉(zhuǎn)型的主要戰(zhàn)略取向[1]，燃料電池客車的開發(fā)刻不容緩。為此，我公司立項(xiàng)開發(fā)氫燃料電池新能源客車。

1 整車總布置設(shè)計(jì)

本文所述的8.5 m系列氫燃料電池城市客車，以公司現(xiàn)有新能源城市客車平臺(tái)為基礎(chǔ)開發(fā)。整車基本設(shè)計(jì)指標(biāo)如下：等速續(xù)駛里程≥400 km，工況續(xù)駛里程≥200 km,0～50 km/h加速時(shí)間≤15 s，最大爬坡度≥15%，最高車速≥80 km/h。

基于整車各關(guān)鍵零部件的特點(diǎn)，以及整車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，關(guān)鍵部件采用以下布置方案：

1) 儲(chǔ)氫系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)以及空調(diào)布置在車頂部，并按各總成部件質(zhì)量進(jìn)行位置分配，平衡軸荷。

2) 燃料電池電堆和進(jìn)氣系統(tǒng)布置在車輛尾部左側(cè)，并將電堆和進(jìn)氣系統(tǒng)靠近布置，側(cè)面設(shè)置艙門可實(shí)現(xiàn)良好通風(fēng)，并需設(shè)置防撞裝置進(jìn)行保護(hù)。

3) 動(dòng)力電池主要布置在車輛中部，可提升空間利用率并可平衡軸荷分配。

整車布置要在車內(nèi)空間與布局上媲美傳統(tǒng)城市客車。整車布置如圖1所示。

1—燃料電池電堆和進(jìn)氣系統(tǒng)； 2—?jiǎng)恿﹄姵兀?—儲(chǔ)氫系統(tǒng)； 4—冷卻系統(tǒng)； 5—驅(qū)動(dòng)電機(jī)；

2 動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)電機(jī)需要確定的特性參數(shù)主要包括：驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定功率與峰值功率、電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩與峰值轉(zhuǎn)矩、電機(jī)額定轉(zhuǎn)速與最高轉(zhuǎn)速[2]。驅(qū)動(dòng)電機(jī)的參數(shù)匹配按以下步驟進(jìn)行：計(jì)算負(fù)載功率，即指整車達(dá)到動(dòng)力性指標(biāo)的需求功率；根據(jù)負(fù)載功率，匹配驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率等參數(shù)；根據(jù)車速設(shè)計(jì)要求，匹配驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速。

同時(shí)，在進(jìn)行驅(qū)動(dòng)電機(jī)匹配時(shí)，應(yīng)考慮典型的客車循環(huán)工況對(duì)電機(jī)的功率需求[3-5]。選取中國(guó)典型城市客車循環(huán)工況作為目標(biāo)工況進(jìn)行分析，并計(jì)算在典型城市客車循環(huán)工況下的驅(qū)動(dòng)功率需求。根據(jù)計(jì)算匹配，驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)如表1所示。

表1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)

2.2 燃料電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)

氫燃料電池系統(tǒng)包含了氫燃料電池堆、進(jìn)氣系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、儲(chǔ)氫系統(tǒng)以及管路系統(tǒng)[6]。

1) 氫燃料電池的參數(shù)匹配首先是氫燃料電池堆的額定功率、輸出電壓、輸出電流。在氫燃料電池加動(dòng)力電池電電混合過程中，燃料電池提供整車需求的平均功率[7]。還要考慮驅(qū)動(dòng)電機(jī)效率及附件功率，如電動(dòng)空調(diào)、電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向、電動(dòng)制動(dòng)氣壓泵等的功率消耗來匹配氫燃料電池電堆。在城市客車實(shí)際道路工況下，8.5 m城市客車滿載時(shí)車速30～50 km/h時(shí)需求驅(qū)動(dòng)功率一般為17～28 kW。在車輛啟動(dòng)、爬坡和高速運(yùn)行時(shí)所需求的瞬時(shí)大功率由動(dòng)力電池來提供。根據(jù)城市客車實(shí)際道路工況下的功率需求，匹配額定功率30 kW的燃料電池系統(tǒng)提供整車的平均功率。

2) 進(jìn)氣系統(tǒng)主要由空氣壓縮機(jī)、增濕器等部件組成，對(duì)進(jìn)入燃料電池電堆的空氣量、空氣壓力和空氣濕度進(jìn)行調(diào)節(jié)。根據(jù)燃料電池電堆對(duì)進(jìn)氣的流量和阻力匹配進(jìn)氣系統(tǒng)。降低進(jìn)氣阻力可降低空氣壓縮機(jī)的功耗，提升燃料電池系統(tǒng)的效率。

3) 冷卻系統(tǒng)控制燃料電池電堆工作溫度和進(jìn)氣溫度。本文燃料電池系統(tǒng)的冷卻液入口溫度不超過60 ℃。根據(jù)燃料電池系統(tǒng)的發(fā)熱功率匹配冷卻系統(tǒng)。冷卻系統(tǒng)包括散熱器、冷卻風(fēng)扇、節(jié)溫器、水泵、膨脹水箱以及控制模塊，根據(jù)系統(tǒng)的散熱需求和冷卻液流量進(jìn)行匹配。本文所述車型匹配的冷卻系統(tǒng)參數(shù)見表2。

4) 儲(chǔ)氫系統(tǒng)的匹配。一般1 kg氫氣等同于13～15 kW·h的電池容量，結(jié)合動(dòng)力電池系統(tǒng)的匹配，為滿足整車?yán)m(xù)駛里程設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求，儲(chǔ)氫系統(tǒng)容量應(yīng)大于500 L。本文所匹配的燃料電池系統(tǒng)參數(shù)見表2。

表2 燃料電池系統(tǒng)參數(shù)

2.3 動(dòng)力電池設(shè)計(jì)

氫燃料電池存在啟動(dòng)響應(yīng)慢、功率跟隨差等現(xiàn)象，無法滿足車輛啟動(dòng)、剎車、加速、停車等頻繁變化工況下的耐久性和可靠性要求。輸出功率的頻繁變化還會(huì)導(dǎo)致氫燃料電池壽命的加速衰減[7-8]。為了避免上述問題，通常采用氫燃料電池加動(dòng)力電池的電電混合，通過動(dòng)力電池緩沖氫燃料電池，使其恒功率輸出，延長(zhǎng)其壽命。鎳氫電池克服了鉛酸電池質(zhì)量大、不能快充深放、循環(huán)壽命短和鋰電池大電流性能差、價(jià)格高、安全性差等缺陷，具有高比功率、高脈沖充放電能力和安全性能好等優(yōu)點(diǎn)，在燃料電池車上得到廣泛應(yīng)用[8]。

本文要求動(dòng)力電池單獨(dú)驅(qū)動(dòng)狀態(tài)下等速40 km/h續(xù)駛里程不小于45 km。根據(jù)整車參數(shù)在8.5 m系列純電動(dòng)城市客車仿真平臺(tái)上計(jì)算，在等速40 km/h路況下，純電動(dòng)平均耗電量為45.6 kW·h/100 km，為達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，所匹配動(dòng)力電池容量應(yīng)大于22.8 kW·h。動(dòng)力電池參數(shù)確定如下：標(biāo)稱總壓316.8 V，電池組容量96 Ah，總能量30.4 kW·h。

3 性能仿真和試驗(yàn)

根據(jù)以上設(shè)計(jì)結(jié)果和整車參數(shù)，對(duì)8.5 m氫燃料電池城市客車進(jìn)行動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性仿真分析。首先搭建氫燃料電池城市客車整車仿真模型，使用動(dòng)力電池模擬氫燃料電池的發(fā)電量[9-10]，仿真模型如圖2所示。并對(duì)實(shí)車依據(jù)新能源汽車相關(guān)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行動(dòng)力性能和續(xù)駛里程道路試驗(yàn)，仿真和試驗(yàn)結(jié)果見表3。從表3可以看出仿真分析結(jié)果和道路試驗(yàn)結(jié)果基本一致，均達(dá)到了整車設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

圖2 整車仿真模型

項(xiàng)目仿真結(jié)果試驗(yàn)結(jié)果等速續(xù)駛里程/km410415.7工況續(xù)駛里程/km339312.60～50 km/h加速時(shí)間/s12.6113.2最大爬坡度/%21.420設(shè)計(jì)最高車速/(km/h)8586.1

4 結(jié)束語

該8.5 m氫燃料電池城市客車設(shè)計(jì)開發(fā)項(xiàng)目完成了整車的設(shè)計(jì)匹配，氫燃料電池系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、電池系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案實(shí)施，并對(duì)整車進(jìn)行了性能仿真分析以及道路試驗(yàn)，各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求。在不久的將來，氫燃料電池客車必將成為客車尤其是城市客車領(lǐng)域的主力軍，因此，還應(yīng)盡快解決燃料電池汽車功率密度、低溫冷啟動(dòng)、電池壽命、燃料電池系統(tǒng)成本以及加氫基礎(chǔ)設(shè)施等相關(guān)問題。

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