燃料電池轎車動力系統(tǒng)仿真分析

殷婷婷

?

燃料電池轎車動力系統(tǒng)仿真分析

殷婷婷

（上海汽車集團股份有限公司技術中心，上海 201804）

文章介紹了燃料電池汽車動力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理，對燃料電池轎車進行了動力系統(tǒng)的參數(shù)確定和選型，最終通過仿真分析驗證了選型結(jié)果的正確性。

燃料電池；動力系統(tǒng)；仿真

引言

燃料電池汽車是以氫能發(fā)電和電機驅(qū)動為動力系統(tǒng)的新能源電動汽車，具有零排放、無污染、高效節(jié)能、噪聲極低的突出優(yōu)點。發(fā)展燃料電池汽車，可實現(xiàn)交通能源結(jié)構(gòu)的多元化，消除傳統(tǒng)汽車能源短缺甚至枯竭之憂，從根本上應對人類面臨的環(huán)保和能源兩大嚴峻挑戰(zhàn)。

1 動力系統(tǒng)架構(gòu)

目前常見的架構(gòu)有三種，如下圖所示。架構(gòu)一：同豐田MIRAI架構(gòu)，電機電壓平臺高（額定電壓650V），開發(fā)成本大；同時需要兩個DC/DC，體積和成本較大。架構(gòu)二：燃料電池電壓特性較軟，變載時電壓波動較大不利于電機運行；現(xiàn)有燃料電池電壓較低，導致母線電壓平臺低，需選擇電壓平臺低的電機系統(tǒng)。架構(gòu)三：DC/DC置于燃料電池一側(cè)，母線電壓由動力電池決定，電壓波動范圍較??；DC/DC控制燃料電池功率，減少燃料電池載荷劇烈變動，提高壽命。

圖1 架構(gòu)一

圖2 架構(gòu)二

圖3 架構(gòu)三

圖4 動力系統(tǒng)架構(gòu)圖

綜合考慮各架構(gòu)的優(yōu)缺點、開發(fā)難易程度和成本，選擇采用架構(gòu)三。包括燃料電池輔助系統(tǒng)后的架構(gòu)如圖4所示，動力系統(tǒng)匹配原則如下：燃料電池系統(tǒng)輸出功率滿足車輛巡航車速運行功率匹配；在滿足安全的前提下，系統(tǒng)電壓平臺盡可能提高；核心零部件協(xié)同原則。

圖4中，F(xiàn)C：燃料電池電堆；Aux：燃料電池輔助系統(tǒng)，包括空壓機、氫循環(huán)泵等；Acc：整車附件，包括12DC、PTC、空調(diào)等；Bat：動力電池。

燃料電池的輸出功率經(jīng)DC/DC（或稱為DCF）輸出到高壓母線，這部分能量可以流向電機，也可以流向蓄電池。DCF的作用一方面對燃料電池進行升壓，另一方面能夠通過控制燃料電池的輸出功率，起到蓄電池與燃料電池能量分配的作用。燃料電池高壓輔助系統(tǒng)掛在母線端，即DCF的輸出端。這是因為燃料電池系統(tǒng)的輸出電壓較低，并且電壓隨功率增加下降較快，特性較軟。同時在啟動燃料電池前，需要空壓機先工作起來，這樣將空壓機放于母線端后，就能通過動力電池給空壓機供電。如果空壓機放于燃料電池輸出端，則需要雙向DCF，增加了開發(fā)的技術難度以及成本。

2 設計目標

汽車是一種高效率的運輸工具，運輸效率之高低在很大程度上取決于汽車的動力性。車輛的動力性能通常采用最高車速、最大爬坡度和加速性能來衡量，其中加速性能一般是用百公里加速時間來評定，即0~100km/h 的加速時間來評價汽車的汽車的加速性能。在滿足動力性的條件下，汽車以盡量少的燃油消耗量行駛的能力，稱為汽車的燃油經(jīng)濟性。汽車的燃油經(jīng)濟性常用一定運行工況下汽車行駛百公里的燃油消耗量或一定燃油量能使汽車行駛的里程來衡量。本文中燃料電池轎車的經(jīng)濟性是指NEDC工況下百公里的氫耗量。通過對比參考國內(nèi)外各種燃料電池汽車的性能參數(shù)和綜合考慮實際應用情況，整車性能表如表1所示。

表1 整車性能

3 零部件選型與參數(shù)匹配

3.1 驅(qū)動電機匹配

表2 整車基本參數(shù)

選擇某轎車平臺進行匹配設計，整車基本參數(shù)如表2所示。下文將根據(jù)整車性能目標以及整車的基本參數(shù)進行動力系統(tǒng)的匹配。

驅(qū)動電機的參數(shù)匹配主要是選擇合適的電機峰值扭矩、電機最高轉(zhuǎn)速、電機峰值功率、電機額定功率。當這四個參數(shù)選定后，電機的基本動力特性就確定了，從而整車的動力性能也就基本能夠確定。

（1）電機峰值扭矩

為滿足整車28%的最大爬坡度要求（滿載@10km/h），可計算出，整車輪邊驅(qū)動力大于6650N（左右輪之和）。

依據(jù)現(xiàn)有減速箱參數(shù)（數(shù)比9.07、效率90%），電機峰值扭矩選擇≥268Nm，考慮到余量以及可供選擇的電機，電機峰值扭矩選擇275Nm。

（2）電機最高轉(zhuǎn)速

為滿足160km最高車速，根據(jù)傳動系統(tǒng)參數(shù)，電機需求最高轉(zhuǎn)速為11701rpm，考慮電機選型，電機最高轉(zhuǎn)速定義為12000rpm。

（3）電機額定功率

電機的額定功率應能滿足整車持續(xù)行駛的功率需求。不同車速下整車功率需求計算如下式：

其中，P為電機功率kW；η為傳動系效率，取94%；為車速km/h；為滑行阻力曲線的二次項系數(shù)；為滑行阻力曲線的一次項系數(shù)；為滑行阻力曲線的常數(shù)項系數(shù)。由此畫出不同車速下電機的需求功率曲線圖，如圖3-1所示。

考慮整車更優(yōu)秀的動力性能，以160km/h勻速行駛時的電機需求功率作為電機額定功率。如圖5所示，車速160km/h下電機需求功率為51.24KW。故電機的額定功率選擇不小于52kW。

圖5 滑行曲線下電機額定功率

（4）電機峰值功率

電機的峰值功率主要與整車的瞬時性能相關，如最高車速，加速性能。根據(jù)前述的分析，整車最高車速不高，其電機功率需求不高，電機的額定功率即可滿足。所以，電機峰值功率的選擇取決于整車的加速性能要求。

下式是整車加速方程，在傳動比、整車質(zhì)量、車輪半徑等確定的條件下，加速性能取決于電機扭矩。

式中，為整車的質(zhì)量，單位是kg；為汽車轉(zhuǎn)動質(zhì)量換算系數(shù)，取1.01；為重力加速度，取9.8m/s2；為滾動阻力系數(shù)，取0.0083；為空氣密度，取1.2258kg/m3；C為風阻系數(shù)，取0.32；為車輛的迎風面積，單位是m3；為車速，單位是m/s；P為電機的峰值扭矩，單位是W；1為傳動系速比，取9.07。為車輪半徑；()為電機扭矩，在全油門下，它是車速的函數(shù)，如下式：

式中，T為電機峰值扭矩，275Nm；n為電機額定轉(zhuǎn)速。可以看出在車輛低速情況下，整車加速性能主要取決于電機峰值扭矩；而當電機轉(zhuǎn)速超過電機額定轉(zhuǎn)速后，加速能力主要與電機的峰值功率相關，峰值功率越高，加速性能越好。

圖3-2為電機峰值扭矩選275Nm時，不同電機峰值功率下整車的百公里加速時間。從圖中可以看出，當電機的峰值功率超過109kW后，整車的百公里加速時間小于12s，滿足性能要求。因此，選擇電機的峰值功率為110kW。電機的額定功率與峰值功率一般為兩倍關系左右，故電機的額定功率選50kW

綜述，電機的參數(shù)選型如下表3，扭矩外特性曲線如圖6。

圖6 不同電機峰值功率&百公里加速時間

圖7 電機外特性曲線

表3 電機參數(shù)

3.2 燃料電池系統(tǒng)匹配

（1）燃料電池凈功率帶寬

圖8 燃料電池的凈功率帶寬

對不同車型平臺初步匹配了燃料電池的凈功率，大致得到燃料電池凈功率帶寬圖。分析假設條件：所有車型均以燃料電池為主能源，優(yōu)先由燃料電池提供功率。選取上述功率的性能依據(jù)：乘用車（轎車，SUV和MPV）性能滿足：0-100km/h < 10.5s；最高車速>160km/h；30km/h爬坡度>30%；輕客性能滿足： 0-100km/h < 20s；最高車速>120km/h；20km/h爬坡度>20%；大巴性能滿足：0-50km/h<20s；最高車速>90km/h；10km/h爬坡度>20%。從圖中8來看，燃料電池凈功率在80kW-90kW范圍內(nèi)基本能覆蓋大部分車型。

（2）燃料電池系統(tǒng)最大凈輸出功率

要求常溫下，動力電池功率 + 燃料電池系統(tǒng)凈輸出功率≥ 130kW，選擇動力電池常溫下10s放電功率50kW，因此燃料電池系統(tǒng)最大凈輸出功率≥80kW，如圖9所示。

（3）燃料電池系統(tǒng)凈功率功率響應

原則：燃料電池系統(tǒng)凈輸出功率拉載響應跟隨整車功率需求。車輛百公里加速功率曲線如圖10所示：燃料電池系統(tǒng)凈輸出功率跟隨電機的功率響應，由此，燃料電池系統(tǒng)凈輸出功率要求為30kW/s。

圖9 燃料電池系統(tǒng)凈輸出功率和動力電池功率

圖10 百公里加速各系統(tǒng)的功率輸出

3.3 動力蓄電池功率匹配

燃料電池系統(tǒng)凈功率為80kW，電機的峰值輸出功率為110kW，考慮電機的效率87%、整車DCF附件功率1kW、空調(diào)功率2.2kW，由下式可得：

其中，P為蓄電池峰值功率kW；P為電機輸出峰值功率kW；為電機效率；P為整車DCL附件功率kW；P為空調(diào)功率kW；P為DCF凈輸出功率kW。

因此，動力蓄電池的峰值功率應大于50kW。

考慮到燃料電池系統(tǒng)功率比較高，基本能夠覆蓋整車的絕大部分工況功率需求，動力電池只需用來獲取制動能量回饋、車輛急加速補充功率，因此動力蓄電池的容量可以減小，可以采用HEV類似的小容量電池。根據(jù)目前市場的產(chǎn)品，電池電量可在2kWh~4kWh之間。

3.4 零部件參數(shù)

各零部件性能參數(shù)如表4所示。

表4 零部件參數(shù)

4 整車性能仿真

根據(jù)前文的匹配選型，各動力系統(tǒng)的主要參數(shù)基本確定。接下來將會具體對整車的經(jīng)濟性和動力性進行仿真，對比仿真結(jié)果和目標值，檢查是否滿足要求。

4.1 經(jīng)濟性能

燃料電池轎車的經(jīng)濟性仿真是在NEDC工況下進行，在一個NEDC工況運行結(jié)束時SOC的起始狀態(tài)保持平衡。整車氫耗的優(yōu)化方向包括：降低整車質(zhì)量，提升電機、DCF、FC效率，改善整車能量分配策略。減重是目前降低能耗和提升動力性的主要方向之一，減重100kg氫耗優(yōu)化約0.03 kg/ 100km。車輛的能量需求中效率損耗所占的比例最高，效率損耗是指各個零部件的效率損耗，包括燃料電池（FC）、DCF、電機等。考慮提升各零部件的效率和改善整車能量分配策略，最終優(yōu)化狀態(tài)下，整車NEDC工況氫耗為0.907kg/100km，能流圖如圖11所示。

圖11 整車能量流

4.2 動力性能

（1）最高車速和加速性能

圖12 最高車速和加速時間仿真結(jié)果

最高車速指的是汽車在水平良好的路面（混凝土或瀝青）上能達到的最高行駛車速。車輛的驅(qū)動力一直大于車輛所受的阻力，但是限于電機最高轉(zhuǎn)速12000rpm，車輛的最高車速正好能到160km/h。如圖12所示，車輛百公里加速仿真結(jié)果，0-50km/h用時4.6s，0-100km/h用時12s。

（2）最高持續(xù)車速

車輛從靜止加速至130km/h后保持穩(wěn)定車速。在加速階段，整車需求功率最高，動力電池和燃料電池共同給電機提供功率；當車速穩(wěn)定到130km/h時，對電池的需求功率降低，最后整車維持130km/h的功率全部由燃料電池提供。

（3）最大爬坡能力

其中：

代入數(shù)據(jù)求得爬坡度為28%。

4.3 總結(jié)

通過上述分析，基本確定了整個動力系統(tǒng)中關鍵子系統(tǒng)的性能參數(shù)。綜合整個系統(tǒng)，對整車的動力性和經(jīng)濟性進行仿真，仿真結(jié)果如表5所示。結(jié)果顯示所有性能參數(shù)均能滿足考核指標。

表5 仿真結(jié)果

[1] 陳全世.先進電動汽車技術[M].北京:化學工業(yè)出版社,2007.

[2] 余志生.汽車理論(第三版) [M].北京:機械工業(yè)出版社,2001.

[3] 殷婷婷,黃晨東,程偉等.燃料電池汽車動力系統(tǒng)運行效率研究[J].上海汽車,2012(8):2-5.

[4] 孫澤昌,魏學哲,鐘再敏.燃料電池汽車動力系統(tǒng)功率平衡控制策略[J].機械工程學報,2005(12).

[5] Xiong Yun,Zhong Zai-min,Yin Ting-ting,Sun Ze-chang.The Analysis of the Factors Impacting Energy Feedback Efficiency of Fuel Cell Vehicles[J].2009 IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference, 2009,7-10 Sept:1742-1748.

Simulation analysis of fuel cell vehicle powertrain

Yin Tingting

( SAIC motor technical centre, Shanghai 201804 )

The structure and working principle of the Fuel cell vehicle powertrain are introduced. The type and parameters of the fuel cell vehicle powertrain are selected in this article. Finally, the simulation analyze demonstrate the validity of the selection results.

A fuel cell; Power system; The simulation

A

1671-7988(2019)03-03-04

U473.4

A

1671-7988(2019)03-03-04

U473.4

殷婷婷，工程師，就職于上海汽車集團股份有限公司技術中心，主要研究方向是新能源汽車動力系統(tǒng)匹配仿真。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.03.001