氫燃料電池增程式混合動力系統(tǒng)概念設(shè)計

劉 劍

(安徽安凱汽車股份有限公司, 合肥 230051)

傳統(tǒng)的氫燃料客車按動力系統(tǒng)混合方式分為: 純氫燃料電池驅(qū)動(PFC)、與輔助動力電池聯(lián)合驅(qū)動(FC+B)、與超級電容器聯(lián)合驅(qū)動(FC+C)等[1]。他們存在以下不足：PFC燃料電池功率大，成本高，對燃料電池系統(tǒng)的動態(tài)性能和可靠性提出很高的要求，不能進(jìn)行制動能量回收[2]；FC+B由于動力電池的大量使用使得整車質(zhì)量和成本增加，動力性和經(jīng)濟(jì)性受到影響，同時氫反應(yīng)堆和制動回收能量使電池充電較少、較慢；FC+C由于超級電容器比能量低，能量存儲有限，峰值功率持續(xù)較短[3]。另外，在加氫站基礎(chǔ)設(shè)施不完善的情況下，加氫較困難。為了解決上述不足，我公司立項開發(fā)氫燃料電池增程式混合動力系統(tǒng)。

1 混合動力系統(tǒng)基本構(gòu)成

氫燃料電池增程式混合動力系統(tǒng)是由燃料電池、動力電池、發(fā)動機(jī)和發(fā)電機(jī)等構(gòu)成,如圖1所示。該系統(tǒng)充分發(fā)揮FC+B和增程式混合動力的優(yōu)點(diǎn)，在復(fù)雜工況最優(yōu)狀態(tài)下工作[4]。在動力電池和氫燃料電池系統(tǒng)與總線都增加一個雙向的DC/DC轉(zhuǎn)換器，一方面使得動力電池的電壓可以無需與總線電壓保持一致，降低了動力電池的設(shè)計要求，同時更靈活方便地控制動力電池的充放電；另一方面解決氫燃料電池輸出電壓與驅(qū)動電機(jī)的工作電壓產(chǎn)生電壓差的問題，既保證驅(qū)動電機(jī)始終工作在其最佳工作電壓范圍內(nèi)，又保證氫燃料電池的輸出電壓不受干擾和限制。

圖1 系統(tǒng)的基本構(gòu)成

2 工作原理和控制策略

2.1 工作原理

高壓儲氫系統(tǒng)中的氫氣和空氣中的氧氣在氫燃料電池系統(tǒng)中發(fā)生氧化還原反應(yīng)，產(chǎn)生的電能傳輸?shù)津?qū)動電機(jī)驅(qū)動車輛行駛，多余的電能流向動力電池儲存起來；當(dāng)動力不足時，動力電池可以單獨(dú)輸出能量；當(dāng)氫燃料用完時，動力電池饋電則由外接充電口直接給予充電；當(dāng)野外無加氫站、無充電樁時，發(fā)動機(jī)工作，利用發(fā)電機(jī)將發(fā)出的電量分別輸送給電機(jī)或者動力電池，使得續(xù)航里程大大增加。

2.2 控制策略

車輛在運(yùn)行過程中，綜合考慮動力性、經(jīng)濟(jì)性和續(xù)駛里程三大控制目標(biāo)，系統(tǒng)的控制策略如下:

1) 氫燃料電池模式。此驅(qū)動模式在客車行駛過程中采用ON/OFF控制策略，使氫燃料電池系統(tǒng)始終工作在高效區(qū)[5]。

2) 動力電池模式。當(dāng)客車起步和功率需求量不大時，氫燃料電池系統(tǒng)關(guān)閉，動力電池單獨(dú)工作，驅(qū)動電機(jī)帶動車輛行駛。此驅(qū)動模式采用功率跟隨控制策略，保持動力電池始終工作在最佳輸出功率范圍內(nèi)，且動力電池的SOC荷電狀態(tài)水平較高[6]。

3) 氫燃料電池和動力電池共同工作模式。當(dāng)車輛啟動、爬坡或者加速時，需求峰值功率較大，氫燃料電池系統(tǒng)不足以提供動力，動力電池可以提供峰值功率；當(dāng)氫燃料電池系統(tǒng)經(jīng)預(yù)熱達(dá)到啟動溫度后，根據(jù)功率需求控制氫燃料電池系統(tǒng)是否開啟，使氫燃料電池系統(tǒng)和動力電池盡可能得到最優(yōu)控制。

4) 氫燃料電池系統(tǒng)充電模式。根據(jù)動力電池SOC值來判斷氫燃料電池系統(tǒng)是否給其充電，當(dāng)動力電池SOC小于設(shè)定值時，氫燃料電池系統(tǒng)同時為驅(qū)動電機(jī)和動力電池輸出功率。

5) 充電模式。當(dāng)附近沒有加氫站而有充電樁(站)時，靠充電樁(站)的快充策略給動力電池充電，不耽誤車輛的運(yùn)營。

6) 發(fā)動機(jī)發(fā)電模式。當(dāng)野外無加氫站、無充電樁，遠(yuǎn)距離行駛時，在動力電池電量不足、氫氣使用完后，切換成發(fā)動機(jī)發(fā)電模式，使用串聯(lián)式系統(tǒng)使發(fā)動機(jī)帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電,將發(fā)出的電量分別輸送給驅(qū)動電機(jī)或者動力電池[7]。

7) 制動能量回收模式。車輛制動時，可根據(jù)當(dāng)前的SOC對制動能量進(jìn)行回收，驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)換成發(fā)電機(jī)，給動力電池充電。

8) 加熱打氣管理模式。車輛在寒冷天氣啟動或者行駛時，動力電池加熱和燃料電池堆加熱不再采用電加熱策略，改用發(fā)動機(jī)水循環(huán)加熱;同時,發(fā)動機(jī)打氣不僅節(jié)約電量和成本,而且能在加熱時給動力電池充電。

3 混合動力系統(tǒng)主要參數(shù)計算

3.1 增程器和驅(qū)動電機(jī)參數(shù)匹配

該系統(tǒng)能夠在惡劣的環(huán)境下工作和消除頻繁的運(yùn)行工況切換,只使用電機(jī)驅(qū)動;從整車最高車速、加速時間和最大爬坡度3個指標(biāo)來評定，我國典型城市工況對應(yīng)最大驅(qū)動功率為143.7 kW，因此，經(jīng)計算選定驅(qū)動電機(jī)為永磁同步電機(jī)，額定功率為100 kW,峰值功率為155 kW；增程器由發(fā)動機(jī)和發(fā)電機(jī)組成,輸出功率滿足車輛以恒定車速行駛時所需功率,富余部分給動力電池充電[8]：

式中：PAPU為增程器輸出功率；m為最大質(zhì)量；f為摩擦系數(shù)；CD為風(fēng)阻系數(shù)；A為迎風(fēng)面積；ηt為傳動效率；ηa為發(fā)動機(jī)效率；va為平均速度。

發(fā)電機(jī)的功率PG≥PAPU，發(fā)動機(jī)的功率PH≥PAPU/ηG，ηG為發(fā)電機(jī)效率，取0.9。經(jīng)匹配計算，得發(fā)動機(jī)峰值功率為80 kW，最大扭矩為285 N·m，最大轉(zhuǎn)速為1 600～2 600 r/min；發(fā)電機(jī)峰值功率為72 kW，最大扭矩為320 N·m，最大轉(zhuǎn)速為3 000 r/min。

3.2 動力電池和氫燃料電池選擇

1) 車載動力電池既要根據(jù)路況來滿足100 km耗電量，又要考慮可以瞬間大電流充放電，待氫燃料電池響應(yīng)后放電電流就會大幅降低；一般動力電池的總能量需要根據(jù)純電模式的續(xù)駛里程確定：

式中:Eb為動力電池的總能量；ηe為減速器效率；ηd為驅(qū)動橋效率；Sa為續(xù)駛里程；SOCh為初始SOC值；SOCl為終止SOC值。

動力電池選擇錳酸鋰電池容量為70 Ah，標(biāo)稱電壓621.4 V，電池存儲能量為43.5 kW·h,組合方式為168串2并。

2) 氫燃料電池功率的選擇對本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計非常重要。功率偏大則成本高，偏小則大負(fù)荷行駛工況需要的輔助能量提供的動力增加，氫燃料電池功率在整個行駛過程中提供較好的城市工況，必須能夠單獨(dú)滿足其行駛要求，所以按客車的最高車速下的平均行駛阻力功率計算為：

式中：ηt為傳動效率；ηe為動力耦合器效率；ηZ為DC/DC轉(zhuǎn)換器效率；vmax為最大速度;Pfc為平均行駛阻力功率。

燃料電池輸出功率：Ppo=Pfc+Pff

式中：Ppo為客車氫燃料電池的輸出功率;Pff為動力電池的充電功率需求。

在國家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)勻速40 km/h的路況下，耗電量為45.8 kW·h/100 km，續(xù)駛里程按照350 km計算，所需動力電池容量為：

Qbat=Q/(λaλcλd)=35 A·h/0.7/0.9/0.8=
69.5 A·h

式中：Q為理想狀態(tài)的容量；λa為SOC可用范圍數(shù)值；λc為一致性修正參數(shù)；λd為性能衰退參數(shù)。

經(jīng)計算，最高車速為70 km/h,氫燃料電池選擇額定功率為30 kW的氫燃料反應(yīng)堆系統(tǒng)。

4 混合動力系統(tǒng)主要布置

電路系統(tǒng)采用耐高溫雙重絕緣高壓線束，配備漏電檢測裝置，具有高壓過壓短路保護(hù)報警功能；外接充電口、加氫口打開、高壓零部件系統(tǒng)連接都進(jìn)行高壓安全互鎖設(shè)計處理；緊急情況下如遇著火、氫泄漏、電流過大時,系統(tǒng)自動切斷高壓及供氫系統(tǒng)，同時讓儀表顯示報警信息，提醒駕駛員處理[9]。

該混合動力系統(tǒng)主要布置如圖2所示，在客車底架安裝壓縮儲氫氣瓶和氫燃料冷卻系統(tǒng)，設(shè)有加氫口;采用后置的安裝方式將驅(qū)動電機(jī)與減速機(jī)構(gòu)連接,發(fā)動機(jī)與發(fā)電機(jī)相連；氫燃料系統(tǒng)安裝在車身后部的左側(cè)，其冷卻系統(tǒng)安裝在車身的中部，整車的底部采用密封處理，上部和外側(cè)艙門開格柵，自然通風(fēng)，避免氫泄漏聚集。在獲得空間最大化利用的同時,去掉傳統(tǒng)的氫燃料電池車頂部的保護(hù)罩蓋和兩側(cè)的護(hù)板，既減小了整車的整備質(zhì)量，又節(jié)約了成本，并使車身外型更加美觀[10]。

圖2 系統(tǒng)的關(guān)鍵部件布置示意圖

車輛的后尾是高壓艙，艙內(nèi)安裝三合一控制器、動力電池等高壓部件，如圖3所示；通過三合一控制器中DC/DC轉(zhuǎn)換器的雙向控制實現(xiàn)動力電池的充放電，延長電池的使用壽命，同時氫燃料的DC/DC轉(zhuǎn)換器避免驅(qū)動電機(jī)輸出功率降低，提高氫燃料電池系統(tǒng)工作效率和整車的經(jīng)濟(jì)性能及動力性能；外部空氣通過空氣壓縮機(jī)和空濾器進(jìn)入氫燃料系統(tǒng)，確保氫氣供給系統(tǒng)、氫燃料冷卻系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)等協(xié)調(diào)工作可靠運(yùn)行；整車動力系統(tǒng)和控制系統(tǒng)是本系統(tǒng)的核心[11]。

圖3 系統(tǒng)后尾安裝分布圖

5 結(jié)束語

對于惡劣、復(fù)雜的路況，本系統(tǒng)性能優(yōu)越，根據(jù)8.5 m科力遠(yuǎn)氫燃料純電動客車項目設(shè)計理念，對本項目10.5 m氫燃料電池增程式混合動力系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)研究。本系統(tǒng)設(shè)計理念主要適用于當(dāng)下加氫站較少的長途客車、長途卡車、貨車、輪船等交通運(yùn)輸工具。但是在產(chǎn)業(yè)化過程中還存在許多技術(shù)問題，未來集中解決壽命、成本、性能以及車載制取氫氣等問題[12]。