某B級(jí)燃料電池電動(dòng)汽車匹配設(shè)計(jì)研究

楊 坤，王 杰，肖軍生，白國(guó)軍，田昭賢，李 敏

（1.山東理工大學(xué) 交通與車輛工程學(xué)院，山東，淄博 255049；2.一汽轎車股份有限公司，長(zhǎng)春 130012；3.廣東省珠海市質(zhì)量計(jì)量監(jiān)督檢測(cè)所，廣東，珠海 519060）

燃料電池電動(dòng)汽車因具有零排放、效率高、能源可再生、多元化等優(yōu)點(diǎn)，成為全球各大汽車公司的研究熱點(diǎn)[1-3]。自20世紀(jì)80年代起，奔馳、豐田、本田、通用等汽車公司對(duì)燃料電池電動(dòng)汽車進(jìn)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(dāng)，正處于產(chǎn)業(yè)化前期[4-6]，當(dāng)前部分國(guó)家已開始進(jìn)入技術(shù)與市場(chǎng)示范階段，重點(diǎn)在于完善基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，建立區(qū)域性綜合加氫網(wǎng)絡(luò)[7]。近年來，中國(guó)政府、國(guó)內(nèi)各大汽車公司和科研機(jī)構(gòu)也開始關(guān)注燃料電池電動(dòng)汽車的研究與開發(fā)[8-9]，但相關(guān)的匹配設(shè)計(jì)技術(shù)尚不完善。本研究基于傳統(tǒng)汽車設(shè)計(jì)流程和燃料電池電動(dòng)汽車的特點(diǎn)，在對(duì)標(biāo)國(guó)外主流燃料電池電動(dòng)汽車技術(shù)的基礎(chǔ)上提出了燃料電池電動(dòng)汽車的匹配設(shè)計(jì)流程；基于燃料電池特性對(duì)可用構(gòu)型從整車性能和功能方面進(jìn)行了對(duì)比分析，并提出了關(guān)鍵總成匹配方法；基于Matlab/Simulink搭建了燃料電池電動(dòng)汽車模型及能量管理策略，從整車總布置和性能仿真方面對(duì)燃料電池電動(dòng)汽車匹配設(shè)計(jì)的可行性進(jìn)行了分析驗(yàn)證。

1 燃料電池電動(dòng)汽車的工作原理

燃料電池電動(dòng)汽車是指由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，由燃料電池提供部分或全部電能的新能源汽車[10]，主要由電機(jī)系統(tǒng)、燃料電池系統(tǒng)、儲(chǔ)氫系統(tǒng)、整車控制器（VCU）、燃料電池控制器（FC-ECU）、蓄電池、電池管理系統(tǒng)（BMS）等組成，如圖1所示。與常規(guī)電動(dòng)汽車類似，燃料電池電動(dòng)汽車的動(dòng)力源為電機(jī)，整車控制器根據(jù)駕駛員需求，控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩的大小，從而驅(qū)動(dòng)整車運(yùn)動(dòng)；與常規(guī)電動(dòng)汽車的不同之處在于，常規(guī)電動(dòng)汽車的能量源為蓄電池，而燃料電池電動(dòng)汽車為燃料電池或燃料電池和蓄電池的組合。燃料電池以氫氣和空氣為燃料，在燃料電池堆中通過電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電流，通過DC/DC逆變器實(shí)現(xiàn)與蓄電池的耦合，共同為電機(jī)供電，從而實(shí)現(xiàn)整車驅(qū)動(dòng)。燃料電池控制器根據(jù)VCU的控制指令，控制輸入燃料電池的氫氣和空氣的流量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)燃料電池輸出電流的控制。

圖1 燃料電池電動(dòng)汽車工作原理

2 燃料電池電動(dòng)汽車構(gòu)型設(shè)計(jì)流程

目前，國(guó)內(nèi)燃料電池電動(dòng)汽車尚處于研發(fā)階段，相應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)也處于探索階段，因此，本文基于成熟的傳統(tǒng)汽車設(shè)計(jì)開發(fā)流程，提出了如圖2所示的燃料電池電動(dòng)汽車匹配設(shè)計(jì)流程。

圖2 燃料電池電動(dòng)汽車匹配設(shè)計(jì)流程

由于目前國(guó)內(nèi)在研發(fā)燃料電池電動(dòng)汽車方面可借鑒的經(jīng)驗(yàn)較少，所以設(shè)計(jì)前期的工作步驟如下：（1）針對(duì)國(guó)外成熟的燃料電池電動(dòng)汽車開展對(duì)標(biāo)分析，為燃料電池電動(dòng)汽車的開發(fā)提供參考，并確定合適的燃料電池電動(dòng)汽車動(dòng)力構(gòu)型。（2）根據(jù)關(guān)鍵總成的技術(shù)現(xiàn)狀，確定包括動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、前后軸最大允許軸荷在內(nèi)的燃料電池電動(dòng)汽車的關(guān)鍵指標(biāo)；基于整車性能指標(biāo)，通過計(jì)算初步確定關(guān)鍵部件參數(shù)，并根據(jù)相應(yīng)參數(shù)及可用資源選擇可用部件；基于選定的電機(jī)、電池、燃料電池等部件，進(jìn)行總布置設(shè)計(jì)，以確定總布置的合理性，此時(shí)需要重點(diǎn)關(guān)注儲(chǔ)氫系統(tǒng)的布置方案。（3）根據(jù)總布置確定的整車參數(shù)，通過搭建仿真模型，對(duì)整車性能進(jìn)行驗(yàn)證。

3 燃料電池電動(dòng)汽車構(gòu)型方案選擇

3.1 燃料電池電動(dòng)汽車對(duì)標(biāo)分析

根據(jù)本研究提出的燃料電池電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)流程，首先對(duì)奔馳、豐田、本田、通用、現(xiàn)代等具備量產(chǎn)能力的燃料電池電動(dòng)汽車的性能及關(guān)鍵部件進(jìn)行對(duì)標(biāo)分析，并得出以下對(duì)后續(xù)開發(fā)具有指導(dǎo)意義的結(jié)論：（1）燃料電池類型均采用質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）。（2）儲(chǔ)氫系統(tǒng)采用高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫。（3）整車構(gòu)型均采用電電混合方案。（4）最高車速、續(xù)駛里程、冷啟動(dòng)溫度等整車性能與傳統(tǒng)汽車接近。

3.2 燃料電池選型及特性

根據(jù)電解質(zhì)的不同，燃料電池可分為質(zhì)子交換膜燃料電池、堿性燃料電池、磷酸燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池、固體氧化物燃料電池[11]，其中PEMFC具有啟動(dòng)時(shí)間短、比功率高、單位面積功率高、工作效率高、工作溫度適合車用等優(yōu)點(diǎn)，因此，結(jié)合對(duì)標(biāo)結(jié)果，本研究選用PEMFC。

燃料電池特性是合理使用燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)、設(shè)計(jì)燃料電池電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)型、開發(fā)整車控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。與其它能量源相比，PEMFC具有很高的能量密度，而其功率密度卻較小[11]，如圖3所示。因此，為了獲得較長(zhǎng)的續(xù)駛里程和整車動(dòng)力性，一般采用與蓄電池耦合的供電方式。

圖3 PEMFC特性1

由圖4可知，燃料電池的最佳運(yùn)行區(qū)在中負(fù)荷區(qū)；當(dāng)負(fù)荷較?。ㄝp載區(qū)）時(shí)，由于空氣壓縮機(jī)等附件的寄生功率較大，所以系統(tǒng)總體效率較低；當(dāng)負(fù)荷較大（重載區(qū)）時(shí)，雖然凈功率密度較大，但所需燃料及空氣量較大，其系統(tǒng)效率下降較快，又由于存在濃度損失，所以電壓下降較快。同時(shí)，燃料電池在重載區(qū)工作對(duì)其使用壽命影響較大[11]。因此，為了延長(zhǎng)燃料電池的使用壽命，需要將燃料電池盡量控制在中負(fù)荷區(qū)工作。

圖4 PEMFC特性2

3.3 燃料電池電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)型方案選擇

圖5 燃料電池電動(dòng)汽車動(dòng)力構(gòu)型可行方案

根據(jù)整車供能系統(tǒng)的不同組合，燃料電池電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)目前有4種可行構(gòu)型，如圖5所示。本研究基于圖3和圖4所示的燃料電池特性，從整車動(dòng)力性、整車?yán)m(xù)駛里程、制動(dòng)能量回收功能、燃料電池壽命、整車啟動(dòng)速度等方面對(duì)4種構(gòu)型進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果見表1，表中“×”表示缺點(diǎn)，“√”表示優(yōu)點(diǎn)。

表1 燃料電池電動(dòng)汽車構(gòu)型方案對(duì)比表

方案1和方案2以燃料電池作為唯一能量源，這需要由燃料電池獨(dú)自滿足整車功率需求，而燃料電池本身功率密度較低，會(huì)導(dǎo)致整車動(dòng)力性弱、燃料電池壽命短、整車啟動(dòng)速度慢等問題，且無法實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量回收功能，整車?yán)m(xù)駛里程相對(duì)較短。方案3以燃料電池和蓄電池作為能量源，通過DC/DC調(diào)節(jié)蓄電池電壓以跟蹤燃料電池電壓變化，由燃料電池的工作特性可知，其電壓隨負(fù)載變化大，且不穩(wěn)定，這會(huì)導(dǎo)致燃料電池壽命較短。方案4也以燃料電池和蓄電池作為能量源，通過DC/DC調(diào)節(jié)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)輸出電壓，以跟蹤蓄電池電壓，通過燃料電池與蓄電池的組合共同滿足整車功率需求，因此，整車啟動(dòng)速度快、動(dòng)力性強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量回收功能，續(xù)駛里程長(zhǎng)，燃料電池可穩(wěn)定工作在中負(fù)荷區(qū)域，燃料電池壽命長(zhǎng)，同時(shí)該方案可減少燃料電池需求功率，從而降低整車成本，更易實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。因此，本研究選用方案4。

4 燃料電池電動(dòng)汽車參數(shù)匹配

根據(jù)圖2所示的燃料電池電動(dòng)汽車匹配設(shè)計(jì)流程，明確燃料電池電動(dòng)汽車構(gòu)型后，需要根據(jù)表2所示的整車性能指標(biāo)完成關(guān)鍵總成參數(shù)匹配，并根據(jù)總成資源確定關(guān)鍵總成。

4.1 燃料電池電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配

燃料電池電動(dòng)汽車只有一個(gè)動(dòng)力源，因此，其動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)的匹配主要是確定動(dòng)力電機(jī)的參數(shù)，以便選擇合適的電機(jī)。相關(guān)參數(shù)包括峰值功率、額定功率、峰值轉(zhuǎn)矩、額定轉(zhuǎn)矩、最高轉(zhuǎn)速等，確定方法如下[12]。

表2 燃料電池電動(dòng)汽車整車性能指標(biāo)

4.1.1 電機(jī)峰值功率

電機(jī)峰值功率由最高車速、最大爬坡度、百公里加速時(shí)間確定。

式中：Pmax1為根據(jù)最高車速確定的電機(jī)峰值功率，kW；Pmax2為根據(jù)最大爬坡度確定的電機(jī)峰值功率，kW；Pmax3為根據(jù)百公里加速時(shí)間確定的電機(jī)峰值功率，kW；uamax為最高車速，m/s；η為整車傳動(dòng)系傳動(dòng)效率；M為整車質(zhì)量，kg；g為重力加速度，9.8 m/s2；f為路面滾動(dòng)阻力系數(shù)；CD為空氣阻力系數(shù)；A為整車迎風(fēng)面積，m2；ρ為空氣密度，1.225 8 N·s2/m4；ur為汽車與空氣的相對(duì)速度，m/s；α為坡度，（°）；ua為爬坡車速，m/s；δ為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；ta為百公里加速時(shí)間，s；Vb為電機(jī)基速對(duì)應(yīng)的車速，m/s；Vf為加速終止的車速，m/s。

4.1.2 電機(jī)額定功率

電機(jī)額定功率由最高車速確定：

式中：Pe為電機(jī)額定功率，kW。

4.1.3 電機(jī)最高轉(zhuǎn)速

式中：nmax為電機(jī)最高轉(zhuǎn)速，r/min；ig變速器速比；i0為主減速器減速比；r為輪胎滾動(dòng)半徑，m。

4.1.4 電機(jī)峰值轉(zhuǎn)矩

式中：Tmax為電機(jī)峰值轉(zhuǎn)矩，Nm。

4.1.5 電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩

式中：ne為電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速，r/min；Te為電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩，Nm；Pe為額定功率，kW。

聲吶分辨力是指在多目標(biāo)環(huán)境下對(duì)相鄰2個(gè)目標(biāo)的最小可分辨能力，一般按照目標(biāo)的方位、距離、速度和加速度等參數(shù)來分辨，其中距離分辨力和速度分辨力僅取決于信號(hào)的形式及其參數(shù)。在采用匹配濾波的條件下，模糊函數(shù)是與目標(biāo)距離和速度有關(guān)的信號(hào)回波通過匹配濾波器之后的輸出[2]，可用來衡量信號(hào)對(duì)具有不同距離和不同速度的2個(gè)目標(biāo)的分辨能力。當(dāng)目標(biāo)相對(duì)靜止時(shí)，回波信號(hào)僅體現(xiàn)出時(shí)間延遲和衰減;當(dāng)目標(biāo)相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，回波信號(hào)還會(huì)產(chǎn)生多普勒頻移和時(shí)間上的壓縮或展寬。

4.2 能量系統(tǒng)參數(shù)

能量系統(tǒng)匹配是燃料電池電動(dòng)汽車匹配的關(guān)鍵，包括燃料電池功率、動(dòng)力電池功率和容量的確定[12]。

4.2.1 燃料電池功率

燃料電池功率需要在考慮總成資源的前提下，根據(jù)最高車速確定。

式中：Pfc為燃料電池的輸出功率，kW。

4.2.2 動(dòng)力電池功率和容量

動(dòng)力電池功率根據(jù)電機(jī)峰值功率和燃料電池功率的差值確定。

式中：i為余量系數(shù)。

動(dòng)力電池最小容量由坡路起步工況和百公里加速所需能量確定，考慮到增大電池容量可減小燃料電池在重載區(qū)工作的比率，因此在總布置空間允許的前提下，要盡可能地增大動(dòng)力電池容量。

4.3 儲(chǔ)氫系統(tǒng)參數(shù)

式中：V為儲(chǔ)氫容器容積，m3；P為儲(chǔ)氫壓力，Pa；EH為所需能量，kJ；R為氣體常數(shù)；T為絕對(duì)溫度，K；WH為氫的分子量；HV為氫的熱值，MJ/kg。

4.4 關(guān)鍵總成參數(shù)匹配結(jié)果

基于上述關(guān)鍵總成的匹配方法及國(guó)內(nèi)關(guān)鍵總成的資源情況，選擇相應(yīng)總成的參數(shù)見表3。

表3 燃料電池電動(dòng)汽車關(guān)鍵總成參數(shù)表

5 燃料電池電動(dòng)汽車匹配開發(fā)可行性驗(yàn)證

燃料電池電動(dòng)汽車匹配開發(fā)可行性主要從總布置和整車性能兩個(gè)方面進(jìn)行驗(yàn)證。

5.1 燃料電池電動(dòng)汽車總布置驗(yàn)證

在完成關(guān)鍵部件選型后，需要進(jìn)一步從整車總布置方面對(duì)整車布置可行性進(jìn)行驗(yàn)證。本研究選擇將燃料電池堆、鋰電池等高壓電源零部件布置于底盤下面，這樣可以與氫氣區(qū)分開，同時(shí)降低非專業(yè)人員的觸電危險(xiǎn)。此外，燃料電池電動(dòng)汽車與傳統(tǒng)汽車及常規(guī)電動(dòng)汽車不同，需要從安全角度考慮儲(chǔ)氫裝置和供氫管路的布置。主要遵循以下幾個(gè)原則：（1）氫管路要避開蓄電池及熱源（至少保持200 mm的距離）。（2）儲(chǔ)氫罐和管路不應(yīng)裝在行李艙、乘客艙或其它通風(fēng)不良的地方，否則必須設(shè)計(jì)通風(fēng)管路或采取其它措施。（3）儲(chǔ)氫容器及附件的安裝位置距車輛邊緣至少100 mm。（4）燃料電池應(yīng)盡量遠(yuǎn)離運(yùn)動(dòng)部件（至少保持200 mm的距離）。本研究基于上述設(shè)計(jì)原則及傳統(tǒng)汽車布置原則，對(duì)燃料電池電動(dòng)汽車在總布置方面進(jìn)行了驗(yàn)證。

燃料電池電動(dòng)汽車底盤總布置圖，如圖6所示。整車前部布置電機(jī)、逆變器、傳動(dòng)系等總成，整車中部地板下方布置燃料電池和動(dòng)力電池，整車后部布置氫罐，各部件布置滿足氫安全原則，符合布置要求。燃料電池電動(dòng)汽車的氫罐布置圖和發(fā)動(dòng)機(jī)艙布置圖，如圖7和圖8所示。

根據(jù)整車總布置得到燃料電池電動(dòng)汽車的整車參數(shù)（表4），相關(guān)參數(shù)是整車性能仿真驗(yàn)證的基礎(chǔ)。

圖6 燃料電池電動(dòng)汽車底盤總布置圖

圖7 燃料電池電動(dòng)汽車氫罐布置圖

圖8 燃料電池電動(dòng)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙布置圖

表4 燃料電池電動(dòng)汽車整車參數(shù)

5.2 燃料電池電動(dòng)汽車整車性能驗(yàn)證

在燃料電池電動(dòng)汽車總布置完成后，整車裝配完成之前，為保證開發(fā)的可行性，需要通過性能仿真對(duì)整車性能進(jìn)行驗(yàn)證。因此，本研究搭建了如圖9所示的包括循環(huán)工況、駕駛員模型、VCU模型、電機(jī)模型、傳動(dòng)系模型、車輛模型、DC-DC模型、燃料電池模型、電池模型等在內(nèi)的燃料電池電動(dòng)汽車仿真模型。圖中，Vgk為工況車速，V為實(shí)際車速，ΔV為工況車速與實(shí)際車速的差值，αb為制動(dòng)踏板開度，αd為油門踏板開度，Tbtar為目標(biāo)液壓制動(dòng)力矩，Tb為實(shí)際液壓制動(dòng)力矩，Pm為電機(jī)功率，Lmot為電機(jī)負(fù)荷率，Tm為電機(jī)轉(zhuǎn)矩，Td為傳動(dòng)系輸出轉(zhuǎn)矩，Pfcdem為燃料電池需求功率，Pfc為燃料電池輸出功率，Pacc為電動(dòng)附件消耗功率，Pbat為電池功率，SOC為電池荷電狀態(tài)，U為蓄電池電壓。

圖9 燃料電池電動(dòng)汽車性能仿真模型原理圖

燃料電池電動(dòng)汽車的能量管理策略是整車控制策略的核心，本研究基于燃料電池特性和選用構(gòu)型制定了如圖10所示的整車能量管理策略。圖中，αb為制動(dòng)踏板開度，αd為油門踏板開度，αbmin為判斷駕駛員是否踩下制動(dòng)踏板的踏板開度下限值，V為車速，Vbmin為允許制動(dòng)能量回收的車速門限（標(biāo)定值），SOCmax為允許制動(dòng)能量回收的SOC門限（標(biāo)定值），k1、k2、k3、k4為標(biāo)定系數(shù)，Pfc為燃料電池輸出功率，Pbat為電池輸出功率，Pd為整車需求驅(qū)動(dòng)功率，kb為制動(dòng)能量回收強(qiáng)度標(biāo)定系數(shù)，αdmin為判斷駕駛員踩下油門踏板的踏板開度門限（標(biāo)定值），Pfc_rate為燃料電池輸出的額定功率，SOCmin為允許蓄電池輸出電能的SOC下限值（標(biāo)定值），Pbat_max1為在相應(yīng)SOC狀態(tài)下電池能夠輸出的最大功率，V1為滑行狀態(tài)下進(jìn)入充電模式時(shí)的車速門限值，Pbat_charge為蓄電池充電功率。

基于上述模型和能量管理策略對(duì)整車性能進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，結(jié)果見表5。由表5可知，整車性能能夠達(dá)到相應(yīng)的目標(biāo)要求。

表5 燃料電池電動(dòng)汽車整車性能

6 結(jié)論

本文針對(duì)國(guó)內(nèi)外燃料電池電動(dòng)汽車的研究現(xiàn)狀，提出了燃料電池電動(dòng)汽車匹配設(shè)計(jì)開發(fā)流程，并從匹配、設(shè)計(jì)、驗(yàn)證的角度開展了系統(tǒng)研究。

（1）基于國(guó)內(nèi)燃料電池電動(dòng)汽車研發(fā)現(xiàn)狀和成熟的傳統(tǒng)汽車開發(fā)流程，提出了考慮總成資源、總布置方案和性能仿真的燃料電池電動(dòng)汽車匹配設(shè)計(jì)流程。

（2）基于燃料電池特性，對(duì)4種構(gòu)型方案進(jìn)行了對(duì)比分析，以某B級(jí)燃料電池電動(dòng)汽車為研究對(duì)象，提出了匹配方法，并結(jié)合國(guó)內(nèi)資源情況確定了關(guān)鍵總成。

（3）從整車總布置和整車性能角度出發(fā)，對(duì)燃料電池電動(dòng)汽車可行性進(jìn)行了驗(yàn)證。

本研究提出的燃料電池電動(dòng)汽車匹配設(shè)計(jì)流程和方法，可為燃料電池電動(dòng)汽車開發(fā)提供參考。