增程式燃料電池電動汽車動力系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

張微，董銘君，鄭志強(qiáng)，岳東東

摘 要：動力系統(tǒng)的參數(shù)匹配是增程式燃料電池電動汽車設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，直接影響整車的動力性和燃料經(jīng)濟(jì)性。以某款增程式燃料電池轎車為研究對象，研究了增程式燃料電池電動汽車動力系統(tǒng)設(shè)計(jì)中參數(shù)匹配與關(guān)鍵零部件選型。明確了FCV的動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作模式，依據(jù)整車動力性能及經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)開展了燃料電池發(fā)動機(jī)系統(tǒng)、驅(qū)動電機(jī)、電池的參數(shù)匹配與選型，使用ADVISOR2002汽車仿真軟件對整車的動力性與經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果表明，所確定的動力系統(tǒng)方案能夠滿足整車性能要求，驗(yàn)證了整車參數(shù)匹配與選型的合理性。關(guān)鍵詞：參數(shù)匹配;動力系統(tǒng);增程式燃料電池汽車;性能仿真中圖分類號：TK411 ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ?文章編號：1671-7988（2019）23-01-04

Design and Research of Power System for Extended-Cell Fuel Cell Electric Vehicle

Zhang Wei¹， Dong Mingjun²， Zheng Zhiqiang²， Yue Dongdong²

（?1.Ministry of Industry and Information Technology Equipment Industry Development Center， Beijing 100000;2.CATARC（Tianjin）Automotive Engineering Research Institute Co.， Ltd.，?Tianjin 300000?）

Abstract：The parameter matching of the power system is an important part of the design of the fuel cell electric vehicle， which directly affects the power and fuel economy of the vehicle. Taking a certain extended fuel cell car as the research object， the parameter matching and key component selection in the design of the extended fuel cell electric vehicle power system were studied. The structure and working mode of the power system of the FCV are clarified. The parameters matching and selection of the fuel cell engine system， the drive motor and the battery are carried out according to the dynamic performance and economic indicators of the vehicle. The ADVISOR2002 vehicle simulation software is used. The vehicle's power and economy are simulated. The simulation results show that the determined power system scheme can meet the vehicle performance requirements and verify the rationality of vehicle parameter matching and selection.Keywords： Parameter matching; Power system; Extended fuel cell vehicle; Performance simulationCLC NO.：TK411 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2019）23-01-04

引言

燃料電池電動汽車因具有零排放、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、通用等汽車公司對燃料電池電動汽車進(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]，但相關(guān)的匹配設(shè)計(jì)技術(shù)尚不完善。

合理地選擇動力系統(tǒng)的參數(shù)，才能充分保證?FCV的整車動力性和續(xù)駛里程的要求。文中首先介紹了?FCV動力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)配置和工作模式;然后以?FCV 整車動力性能指標(biāo)和續(xù)駛里程要求為約束條件，對?FCV開展了動力系統(tǒng)各部件的參數(shù)匹配設(shè)計(jì)，最后，使用以ADVISOR2002汽車仿真軟件進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

1?增程式燃料電池電動汽車動力結(jié)構(gòu)

增程式電動汽車（ EREV）一般采用串聯(lián)式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)相對較簡單，是混合動力汽的一種，其在純電動汽車的基礎(chǔ)上增加一套燃料電池發(fā)動機(jī)，目的是為了增加汽車的行駛路程，從而有效解決一般純電動汽車行駛路程較短，續(xù)航能力不足的問題。燃料電池發(fā)動機(jī)作為整車動力系統(tǒng)增程器（RE）充當(dāng)備用能源角色，而動力蓄電池作為車輛驅(qū)動的主要能源。當(dāng)動力蓄電池電能不足或輸出功率難以滿足工況需求時，增程器開始工作，為動力蓄電池充電或直接驅(qū)動車輛，從而增加車輛的續(xù)駛里程^[7]。

2?增程式燃料電池電動汽車動力系統(tǒng)匹配計(jì)算與選型

2.1?整車性能指標(biāo)分析

（1）整車基本參數(shù)及性能指標(biāo)

本文以某增程式燃料電池轎車為研究對象，其基本參數(shù)如表1所示。

考慮所設(shè)計(jì)車型的乘用用途，并參考了其它同類型車型的性能指標(biāo)，提出了FCV的整車性能設(shè)計(jì)指標(biāo)，如表2所示。

2.2?增程式燃料電池電動汽車動力系統(tǒng)參數(shù)匹配

本文所研究的增程式燃料電池電動汽車是全新開發(fā)的增程式燃料電池電動轎車，因此需要根據(jù)整車基本參數(shù)及設(shè)計(jì)目標(biāo)對動力系統(tǒng)進(jìn)行匹配選型。

2.2.1?驅(qū)動電機(jī)參數(shù)匹配

燃料電池電動汽車只有一個動力源，因此，其動力系統(tǒng)參數(shù)的匹配主要是確定動力電機(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^[8]。

2.2.1.1?驅(qū)動電機(jī)額定功率

驅(qū)動電機(jī)額定功率由30min最高車速所需的功率確定：

式中：P_rate驅(qū)動電機(jī)額定功率，kw;η_t為整車傳動系傳動效率;m為實(shí)驗(yàn)質(zhì)量，kg;g為重力加速度，9.8m/s²;f為路面滾動阻力系數(shù);C_D為空氣阻力系數(shù);A為整車迎風(fēng)面積，m²;V_max為30min最高車速，km/h。

2.2.1.2?驅(qū)動電機(jī)峰值功率

驅(qū)動電機(jī)峰值功率由1km最高車速，最大爬坡度，加速時間確定：

式中：P_max1為根據(jù)最高車速確定驅(qū)動電機(jī)的峰值功率，kw;P_max2為根據(jù)最大爬坡度確定的驅(qū)動電機(jī)峰值功率，kw;p_max3為根據(jù)0-50km/h加速時間確定的電機(jī)峰值功率，kw;i為爬坡度;v_i為爬坡車速，m/s;δ為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù);t_b為0-50km/h加速時間，s;v_n為電機(jī)基速對應(yīng)的車速，m/s;v_f為加速終止的車速，m/s。

2.2.1.3?驅(qū)動電機(jī)最高轉(zhuǎn)速

式中：n_max為驅(qū)動電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速，r/min;i為主減器比;r為輪胎滾動半徑，m。

2.2.1.4?驅(qū)動電機(jī)峰值扭矩

式中：T_max1為根據(jù)爬坡度確定驅(qū)動電機(jī)的最大扭矩，Nm;T_max2為根據(jù)為根據(jù)電機(jī)驅(qū)動峰值功率確定的驅(qū)動電機(jī)最大的扭矩，Nm。

2.2.2?燃料電池發(fā)動機(jī)系統(tǒng)參數(shù)匹配

2.2.2.1?燃料電池發(fā)動機(jī)功率參數(shù)匹配

2.2.2.1.1?燃料電池發(fā)動機(jī)額定功率參數(shù)匹配

選取車輛以續(xù)航車速行駛時燃料電池發(fā)動機(jī)所應(yīng)提供的功率作為其額定功率，同時所選動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為燃料電池發(fā)動機(jī)輔助系統(tǒng)位于DC/DC變換器后端，則需考慮燃料電池輔助系統(tǒng)功率：

式中：p_{fc_rate}為燃料電池發(fā)動機(jī)額定功率，kw;η_dcdc-avg為DCDC變換器平均工作效率，P_AUX為非驅(qū)動負(fù)載功率，kw。

2.2.2.1.2?燃料電池發(fā)動機(jī)峰值功率參數(shù)匹配

燃料電池發(fā)動機(jī)的峰值功率可以兼顧動力電池最大充電能力的限制，使燃料電池發(fā)動機(jī)峰值功率與動力電池最大充電功率相當(dāng)。

式中：p_{fc_max}為燃料電池發(fā)動機(jī)峰值功率，kw;p_ch-max為動力電池最大充電功率;kw。U_m為動力電池的電壓;v，a為最大充電系數(shù);C_m為最大充電倍率。

2.2.2.1.3?儲氫系統(tǒng)參數(shù)

氫系統(tǒng)工作時設(shè)計(jì)目標(biāo)為車輛以60km/h勻速行駛時續(xù)航里程不低于300km，此階段行駛里程僅有燃料電池發(fā)動機(jī)系統(tǒng)提供電力，氫氣的消耗量為：

式中：M_H為根據(jù)氫系統(tǒng)工作時設(shè)計(jì)目標(biāo)為車輛以60km/h勻速行駛時續(xù)航里程不低于300km時氫氣的消耗量，g;q_fc-low為氫氣低熱值，j/g;η_fc為燃料電池發(fā)動機(jī)效率;v_m為勻速行駛車速，km/h;S₂為氫系統(tǒng)工作時續(xù)航里程，km。

設(shè)氫罐容積為V （m³），由理想氣體的體積公式，得出儲氫罐的體積：

式中：V為根據(jù)理想氣體的體積公式確定的儲氫罐的體積，m³;R為理想氣體常數(shù)，m_H為氫氣摩爾質(zhì)量，g/mol;P為初始壓強(qiáng)，pa;T₁為初始溫度，k;Z₁為初始壓縮系數(shù);P₂為初始壓強(qiáng)，pa;T₂為初始溫度，k;Z₂為初始壓縮系數(shù)。

2.2.3?動力電池參數(shù)匹配

動力電池需要滿足驅(qū)動電機(jī)的峰值功率;除了滿足功率需求以外，動力電池還應(yīng)滿足工況續(xù)航里程的能量需求。

2.2.3.1?功率要求

動力電池的的總能量需滿足：

式中：E為根據(jù)驅(qū)動電機(jī)峰值功率確定的功率總能量，kwh;k為最大放電率，單位為h^-1;η_mc為驅(qū)動電機(jī)及控制器效率。

2.2.3.2?氫系統(tǒng)不工作時續(xù)航里程能量需求

式中：E為根據(jù)氫系統(tǒng)不工作時續(xù)航里程的能量要求，kwh;k為放電深度;S₁為氫系統(tǒng)不工作時續(xù)航里程，km。

2.2.4 動力系統(tǒng)參數(shù)匹配結(jié)果

基于上述動力系統(tǒng)總成的匹配結(jié)果及國內(nèi)關(guān)鍵動力系統(tǒng)總成的資源情況，選擇相應(yīng)動力系統(tǒng)的參數(shù)：表3。

表3 ?增程式燃料電動汽車動力系統(tǒng)參數(shù)表

3 整車建模與性能仿真分析

3.1 整車模型建模

為驗(yàn)證FCV動力系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性，使用整車性能仿真軟件建立增程式燃料電池電動汽車整車模型，如圖2所示。之后，將所選定的各部件數(shù)據(jù)通過M文件填寫到整車仿真軟件advisor的主要零件模塊中，對其動力性和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行仿真分析。

3.2 動力性能仿真結(jié)果分析

增程式燃料電池電動汽車是指汽車在良好路面上直線行駛時由汽車受到的縱向外力決定的，所能達(dá)到的平均行駛速度。從獲得盡可能高的平均行駛速度的觀點(diǎn)出發(fā)，根據(jù)動力性能設(shè)計(jì)要求，主要進(jìn)行了30min最高車速、lkm最高車速、最大爬坡度、0—50 km/h加速時間性能仿真，其結(jié)果如表?4 所示。

3.3?經(jīng)濟(jì)性性能仿真結(jié)果分析

本文選取NEDC循環(huán)工況，該工況由兩部分組成，一部分為前面四個市區(qū)循環(huán)單元，每個單元循環(huán)時間持續(xù)195s，包括起步、怠速、加速、減速以及停車等工況，最高車速為50km/h，平均車速為18.35km/h;另一部分為一個市郊循環(huán)單元，持續(xù)時間為400s，最高車速和平均車速分別為120km/h和62.6km/h^[9]。整車在NEDC下仿真結(jié)果如圖2所示。由圖可知，車輛實(shí)際車速與跟隨車速基本一致，說明車速跟隨情況良好;在整個nedc循環(huán)工況下，動力電池?SOC 變化幅度較小，直到電池荷電狀態(tài)下降到設(shè)定的閾值0.3時，燃料電池發(fā)動機(jī)系統(tǒng)開啟，給動力電池充電。

4 結(jié)論

本文以某款增程式燃料電池電動汽車為研究對象，依據(jù)在一定工況下的燃料電池電動汽車的動力性與經(jīng)濟(jì)性分析，通過與設(shè)計(jì)目標(biāo)進(jìn)行對比，該車各項(xiàng)指標(biāo)均能滿足設(shè)計(jì)要求，說明動力系統(tǒng)各部件參數(shù)匹配是合理可行的，驗(yàn)證了整車參數(shù)匹配的合理性，為后續(xù)燃料電池電動汽車的設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)，同時有益于整車性能的改善。

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