插電式燃料電池混合動力客車設計

冉 昊 陳嘉輝 唐 科 楊金龍

（重慶交通大學 機電與車輛工程學院，重慶400074）

面臨世界能源危機與大氣環(huán)境污染問題，電動汽車是汽車未來發(fā)展的重要方向。為達到無污染、零排放的目標，燃料電池混合動力汽車已成為城市公交車的一個重要發(fā)展方向。由城市公交車運行工況的特點可知，車輛需要頻繁地進行起停、加減速，導致車輛的功率動態(tài)變化較快。受限于燃料電池的動態(tài)響應性和耐久性，以燃料電池為唯一能源的電動汽車的性能會受到明顯影響[4]。

基于上述原因，本文提出了一種采用燃料電池與蓄電池和超級電容混合驅動（FC+B+C）的插電式電動汽車結構，并以某型城市公交車的性能要求進行構型與參數(shù)設計，并建立模型進行仿真，驗證了設計方案的可行性。

1 動力系統(tǒng)基本結構

插電式燃料電池混合動力客車設計方案的動力系統(tǒng)基本結構，如圖1 所示。燃料電池具有高效率、高能量密度的特點，主要提供客車巡航時所需的平均功率。蓄電池具有高比功率、高負載的優(yōu)點，與超級電容作為峰值電源滿足峰值功率需求，并且蓄電池能驅動客車一定續(xù)駛里程，儲存回收制動能量所產(chǎn)生的電能。超級電容具有快速大電流充放電的特性，為客車起步時提供大電流，完善了蓄電池的不足并延長其壽命[1]。

圖1 動力系統(tǒng)基本結構

整車動力系統(tǒng)結構屬于串聯(lián)式混合動力結構，整車能源由燃料電池和輔助電源共同或單獨提供，故需要電耦合裝置進行調節(jié)，保證車輛在行駛工況下的功率需求。

因此電壓總線需要通過DC/DC 轉換器控制電流的流動進行功率分配。出于對系統(tǒng)的效率、控制的難易程度等考慮，本文采取的電電耦合方案，如圖2 所示。

圖2 電耦合方案

該結構使輔助電源電壓與總線電壓相同，且DC/DC 轉換器可控制燃料電池的放電電流，使燃料電池和輔助電源都能正常工作。輔助電源直接與電壓總線連接，沒有其他元器件的能量損耗，提高了能量利用率。因為燃料電池的能量單向流動，且能明確在整車動力系統(tǒng)中承擔的最大輸出功率，故單向DC/DC 轉換器滿足燃料電池的額定功率即可[3]。

2 能量控制策略及整車控制系統(tǒng)

為使燃料電池工作在最佳工作區(qū)間，以及輔助電源能滿足整車的峰值功率的需求，需要對能量進行控制分配?；陔娏骺刂频哪芰抗芾聿呗允墙oDC/DC 轉換器設置目標電流指令來控制燃料電池的輸出功率。由峰值電源提供功率需求的高頻部分，在滿足功率需求的同時，改善了燃料電池的效率及安全性，且燃料電池能及時補充峰值電源消耗的能量[4]。

3 整車參數(shù)設計

3.1 驅動電機的選型匹配?？紤]到車內(nèi)空間、多種工作模式切換等因素，綜合考慮選擇異步電動機作為整車驅動系統(tǒng)。

根據(jù)汽車理論，通過功率平衡來計算峰值功率。

帶入整車參數(shù)，可得：

根據(jù)額定功率與峰值功率的關系得出電動機的額定功率。

驅動電動機的額定功率必須達到最高車速時的牽引功率，所以λ=3，pe=68kw。

電機的最大轉矩：

電機的額定轉矩：

電機的最高轉速：

由于過高的電動機轉速會導致傳動比增大，傳動系的體積、質量、傳動損耗增大，故電動機的最高轉速為2700r/min。擴大恒功率區(qū)系數(shù)β 取3，電動機的額定轉速ne=900r/min。

3.2 燃料電池。本文選擇質子交換膜燃料電池。燃料電池單獨提供汽車最大速度穩(wěn)定行駛的功率時，還需留有一定的富余功率對蓄電池進行充電。

最高車速行駛時，電機的功率為40kw，考慮到車輛電氣設備的功率消耗，并且燃料電池需留有一定的后備功率。故燃料電池的功率選取50kw。

3.3 輔助動力源。（1）蓄電池的選型與參數(shù)確定?？紤]到車輛實際運行情況，保證城市公交車的安全性等，本文選擇金屬氫化物鎳電池作為蓄電池。蓄電池的放電功率應能滿足起步、加速等峰值功率需求；其最大充電功率能滿足制動能量的回收。按中國城市客車典型工況純電續(xù)駛里程和等速工況純電續(xù)駛里程計算，選擇電池容量為120Ah/530V，總電量63.6kWh；電池系統(tǒng)具備峰值功率3C充放電能力。（2）超級電容數(shù)量的確定。在確定的車型結構布置和系統(tǒng)電壓下，影響超級電容數(shù)量的因素主要為：超級電容輸出功率、充放電時間、車輛的加速與制動時間的限制。通過設計目標計算，選擇單體電容量為300F 超級電容197 個，單體工作電壓2.7V，單體電容工作電流17A，單體電容電量1.4Ah，單體電容內(nèi)阻0.028Ω。

3.4 儲氫系統(tǒng)。在滿足續(xù)駛里程的要求下，采用商用車常用的35MPa 高壓儲氫技術，由8 只145L 的高壓儲氫瓶儲存氫氣，有效儲氫量24.8kg，等效發(fā)電量在335kWh 左右，可滿足整車300km 工況續(xù)駛里程要求[2]。

4 整車仿真

4.1 仿真模型。本文采用CRUISE 仿真軟件，基于中國典型城市道路循環(huán)工況進行動力系統(tǒng)建模仿真。建立燃料電池混合動力客車動力系統(tǒng)模型如圖3 所示。

圖3 動力系統(tǒng)仿真模型

4.2 動力系統(tǒng)仿真結果。結果表明：超級電容的高效充放電特點，使車輛具有較好的經(jīng)濟性。蓄電池作為輔助電源，使汽車能達到所需的動力性，并且燃料電池不會明顯受到其動態(tài)變化的影響。總體性能滿足城市公交車的運行要求。

5 結論

燃料電池電動汽車具有高效、零排放、續(xù)駛里程長等特點，是未來電動車發(fā)展與研究的重要方向。本文提出了一種燃料電池混合動力客車的系統(tǒng)構型，并通過CRUISE 進行建模仿真，驗證了其動力系統(tǒng)的合理性。