一種氫燃料電池電電混合城市客車試驗(yàn)循環(huán)典型工況研究

李傲伽, 張炳力, 程嘯宇, 方 濤, 朱 鶴

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院, 合肥 230009； 2.安徽安凱汽車股份有限公司, 合肥 230051)

氫燃料電池汽車無(wú)污染，解決了純電動(dòng)汽車在續(xù)駛方面的短板，是當(dāng)前新能源汽車研究的一大熱點(diǎn)。目前國(guó)內(nèi)外缺乏氫燃料電池電電混合客車經(jīng)濟(jì)性和可靠性試驗(yàn)規(guī)范?，F(xiàn)有資料對(duì)氫燃料電池電堆壽命或動(dòng)力電池循環(huán)充放電次數(shù)等的研究較多，但并未涉及對(duì)氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)和動(dòng)力電池組成的混合動(dòng)力單元。對(duì)于氫燃料電池客車整車而言，單獨(dú)進(jìn)行氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)及動(dòng)力電池等可靠性試驗(yàn)存在一定的局限性。

目前氫燃料電池城市客車還在小規(guī)模運(yùn)行階段，還沒(méi)有足夠的有效行駛數(shù)據(jù)以建立相關(guān)的行駛工況。但是，氫燃料電池客車與純電動(dòng)客車在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)上具有相似性，其“電電混合”也是雙電源系統(tǒng)的混合，底層的參數(shù)很相似。因此，本文以合肥市純電動(dòng)城市客車的行駛數(shù)據(jù)建立出的行駛工況曲線為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)一種氫燃料電池城市客車試驗(yàn)循環(huán)典型工況，可用于其經(jīng)濟(jì)性和可靠性試驗(yàn)。

1 構(gòu)建純電動(dòng)公交行駛工況曲線

1.1 線路選擇及采集數(shù)據(jù)

公交線路的選擇關(guān)系到擬合的行駛工況是否能真實(shí)反映合肥市的道路情況。因此，選擇的試驗(yàn)線路要能夠代表城市客車行駛中的所有道路類型。本文選取4條公交線路作為試驗(yàn)線路。這4條線路貫穿整個(gè)合肥市區(qū)，重疊路段少，包含合肥市城市客車行駛路線的所有類型：快速路、主干道、次干道、支路，并且包含了一環(huán)、二環(huán)內(nèi)的城區(qū)道路及二環(huán)外的郊區(qū)道路。既含有交通擁堵路段，又有暢通路段，能充分代表合肥市的道路實(shí)際情況。

聯(lián)合使用行駛記錄儀與GPS信號(hào)接收儀，跟車采集城市客車的位置與車速信息，連續(xù)采集7天。在每天的7∶00～21∶00時(shí)段往返采集，涵蓋了交通的高峰與低峰時(shí)段，采集頻率1 Hz，得到原始數(shù)據(jù)160多萬(wàn)條。

1.2 短行程劃分及計(jì)算特征參數(shù)

城市客車行駛過(guò)程中，由于進(jìn)站停車或受制于道路交通條件，必然要?dú)v經(jīng)多次怠速停車、起步加速、勻速行駛、制動(dòng)減速、再次怠速的工況循環(huán)。城市客車運(yùn)行時(shí)一次怠速的開(kāi)始到下一次怠速的開(kāi)始定義為一個(gè)短行程片段。據(jù)此將采集的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行劃分與處理，得到13 591個(gè)短行程片段。選取平均車速V1、平均運(yùn)行車速V2(不包括怠速時(shí)間的平均速度)、加速階段(加速度a>0.1 m/s2)的平均加速度aa、減速階段(加速度a<-0.1 m/s2)的平均加速度ad、怠速時(shí)間(車速v<1 km/h且加速度絕對(duì)值|a|≤0.1 m/s2)比例Ps、勻速時(shí)間(車速v不為0且加速度絕對(duì)值|a|<0.1 m/s2)比例Pi、減速Pd和加速Pa時(shí)間比例這 8 個(gè)特征參數(shù)來(lái)表征各個(gè)短行程片段的特征。經(jīng)處理得到各運(yùn)動(dòng)學(xué)片段的特征參數(shù)值見(jiàn)表1。

表1 部分短行程的特征參數(shù)

1.3 主成分分析及聚類

每個(gè)短行程片段都使用以上8個(gè)特征參數(shù)來(lái)表征，較多的參數(shù)會(huì)增加聚類分析的難度。所以采用主成分分析進(jìn)行“降維”處理，考查與運(yùn)動(dòng)學(xué)片段聯(lián)系較為緊密的參數(shù)，并選取其進(jìn)行聚類分析，降低分析難度。

用 MATLAB 的 zscore和cov函數(shù)對(duì)表1中的數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化并計(jì)算其協(xié)方差矩陣；計(jì)算協(xié)方差矩陣的特征值和特征向量；通過(guò)特征值再計(jì)算主成分中各個(gè)向量的貢獻(xiàn)率、載荷矩陣和累計(jì)貢獻(xiàn)率。前 8 個(gè)主成分 M1～M8的結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 8個(gè)特征值主成分貢獻(xiàn)率及累計(jì)貢獻(xiàn)率

一般只需要選擇累計(jì)貢獻(xiàn)率在 80% 以上的主成分即可。由表 2 可知，主成分M1～M4 的累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到了 92.35%，因此，只需要選擇主成分 M1～M4 進(jìn)行下面的分析即可，其載荷矩陣見(jiàn)表3。

表3 主成分載荷矩陣

通過(guò)主成分載荷矩陣可以得到各主成分與各特征參數(shù)的相關(guān)程度，載荷系數(shù)絕對(duì)值越大，相關(guān)程度越高。由表3可知，以載荷系數(shù)絕對(duì)值≥0.5為界定標(biāo)準(zhǔn)，主成分M1與平均車速V1和怠速時(shí)間比例Ps相關(guān)程度較高；M2與平均運(yùn)行車速V2相關(guān)程度較高；M3與減速階段平均加速度ad和勻速時(shí)間比例Pi相關(guān)程度較高；M4與加速階段平均加速度aa相關(guān)程度較高。

通過(guò)K-means[1]聚類分析，將13 591個(gè)運(yùn)動(dòng)學(xué)片段分為3種明顯特征類，見(jiàn)表4。其中擁堵工況含有運(yùn)動(dòng)學(xué)片段4 312個(gè)，平均速度最低，為6.63 km/h；一般工況含有運(yùn)動(dòng)學(xué)片段4 988個(gè)，平均速度為15.32 km/h；通暢工況含有運(yùn)動(dòng)學(xué)片段4 291個(gè)，平均速度最高，為22.41 km/h。3種工況占城市客車運(yùn)行時(shí)間的比例分別為：31.73%、36.70%、31.57%。

表4 3種工況的運(yùn)行狀態(tài)時(shí)間比例分布 %

1.4 構(gòu)建純電動(dòng)公交工況

使用MATLAB軟件，按照K-means聚類的結(jié)果計(jì)算各短行程片段與其所在類中心點(diǎn)的歐氏距離并進(jìn)行升序排列，將對(duì)應(yīng)的短行程片段保存。參考國(guó)內(nèi)外的相關(guān)行駛工況[2-5]及臺(tái)架試驗(yàn)要求，循環(huán)行駛工況總時(shí)間范圍設(shè)為0～1 500 s。依據(jù)聚類后各簇樣本的總時(shí)間長(zhǎng)度占總樣本時(shí)長(zhǎng)的比例(表4)確定各簇代表工況的時(shí)長(zhǎng)，將選出的樣本拼接合成合肥市純電動(dòng)公交行駛工況(HFEB-DC)曲線，總時(shí)長(zhǎng)1 476 s，如圖1所示。

圖1 合肥市純電動(dòng)公交工況曲線

考慮到氫燃料電池客車與純電動(dòng)客車在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)上的相似性，下面以該HFEB-DC曲線為基礎(chǔ)進(jìn)行氫燃料電池電電混合城市客車實(shí)車臺(tái)架運(yùn)行效果分析，并建立氫燃料電池電電混合城市客車的試驗(yàn)循環(huán)典型工況。

2 試驗(yàn)循環(huán)典型工況的建立及實(shí)施

2.1 搭建試驗(yàn)平臺(tái)及試驗(yàn)結(jié)果

為了得到氫燃料電池電電混合城市客車在HFEB-DC曲線下各工作模式的時(shí)間比例和動(dòng)力單元的輸出功率特性及區(qū)間分布情況，在項(xiàng)目合作單位的幫助下，完成了氫燃料電池客車試驗(yàn)平臺(tái)的搭建。試驗(yàn)臺(tái)架由整車環(huán)境艙、寶克9248型底盤測(cè)功機(jī)、AVL MOVE車載排放測(cè)試系統(tǒng)、氫氣流量計(jì)和電耗計(jì)等設(shè)備組成，可完成整車的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性及可靠性等試驗(yàn)。根據(jù)測(cè)試要求，試驗(yàn)開(kāi)始前需將氫燃料電池城市客車的動(dòng)力電池充電或放電至60%。

將圖1所示的HFEB-DC曲線導(dǎo)入到試驗(yàn)臺(tái)架中，駕駛員按照顯示屏上的目標(biāo)車速和實(shí)際車速操作氫燃料電池客車，進(jìn)行循環(huán)工況測(cè)試。將采集到的氫燃料電池城市客車燃料電堆、動(dòng)力電池和電機(jī)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，部分結(jié)果見(jiàn)表5，輸出功率曲線如圖2所示。

表5 燃料電池客車HFEB-DC運(yùn)行有關(guān)參數(shù)統(tǒng)計(jì)

(a) 動(dòng)力電池輸出功率曲線

2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析及建立試驗(yàn)循環(huán)典型工況

1) 由表5和圖2可知, 在HFEB-DC運(yùn)行中, 燃料電池城市客車的燃料電堆在怠速的工作點(diǎn)最多，在較低功率(0～5 kW)的工作點(diǎn)較多，燃料電堆輸出功率范圍比較廣；動(dòng)力電池充電功率(負(fù)值)占總工況的44.84%，動(dòng)力電池放電功率占總工況的35.5%，動(dòng)力電池工況變化比較頻繁，放電工況和充電工況多數(shù)都工作在額定放電功率和額定充電功率范圍內(nèi)。

2) 根據(jù)采集以及計(jì)算得到的車速、加減速度、動(dòng)力單元輸出功率(圖2)等參數(shù)，統(tǒng)計(jì)分析出在HFEB-DC曲線下各工況模式工作時(shí)間比例，見(jiàn)表6。

表6 氫燃料電池城市客車工況循環(huán)時(shí)間比例

由圖2和表6可知，動(dòng)力單元運(yùn)行工況復(fù)雜，瞬態(tài)工況在試驗(yàn)臺(tái)架上執(zhí)行比較困難。因此，試驗(yàn)循環(huán)典型工況從穩(wěn)態(tài)工況進(jìn)行分析。動(dòng)力單元穩(wěn)態(tài)工況包括純電動(dòng)工況、純?nèi)剂想姵毓r、混合驅(qū)動(dòng)工況、巡航充電工況和制動(dòng)能量回收工況。參考國(guó)內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[6-7]，試驗(yàn)循環(huán)典型工況時(shí)間確定為1 800 s(30 min)。計(jì)算表6中怠速工況外其他工況分別占非怠速工況的比例及運(yùn)行時(shí)間，見(jiàn)表7，并制定了基于圖1的一種燃料電池電電混合城市客車試驗(yàn)循環(huán)典型工況，如圖3所示。

表7 各工況時(shí)間分布表

圖3 氫燃料電池電電混合城市客車試驗(yàn)典型工況(單個(gè)循環(huán))

2.3 試驗(yàn)實(shí)施方式

1) 經(jīng)濟(jì)性試驗(yàn)。將被測(cè)試氫燃料電池電電混合客車置于測(cè)試臺(tái)上，并對(duì)被測(cè)試氫燃料電池客車進(jìn)行充電至動(dòng)力電池荷電狀態(tài)的上限。充電完成后，依照?qǐng)D3依次進(jìn)行各工況測(cè)試。單個(gè)循環(huán)結(jié)束后，記錄車輛的行駛里程并計(jì)算GB/T 19754—2015[8]定義的燃料消耗量(單位：L/100 km)和電能量消耗量(單位：kWh/100 km)。重復(fù)循環(huán)典型工況測(cè)試，根據(jù)整車廠規(guī)定情況，求取燃料消耗量和電能量消耗量的平均值作為車輛的經(jīng)濟(jì)性試驗(yàn)結(jié)果。

2) 可靠性試驗(yàn)。將被測(cè)試氫燃料電池電電混合客車置于測(cè)試臺(tái)上，啟動(dòng)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)，在一定功率下暖機(jī)至額定工作條件，然后依照?qǐng)D3依次進(jìn)行各工況測(cè)試。重復(fù)循環(huán)典型工況測(cè)試，比較燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)和動(dòng)力電池性能隨時(shí)間的變化。定義當(dāng)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)或動(dòng)力電池最低工作電壓所對(duì)應(yīng)的功率值下降到整車廠規(guī)定的極限值時(shí)，即為動(dòng)力單元壽命終結(jié)，則停止試驗(yàn)。動(dòng)力單元在此循環(huán)工況下運(yùn)行的總有效時(shí)間(或循環(huán)次數(shù))可作為考核其可靠性的準(zhǔn)則。

3 結(jié)束語(yǔ)

本試驗(yàn)循環(huán)典型工況，只適用于氫燃料電池電電混合城市客車，不適用于其他類型客車。此外，本工況對(duì)氫燃料電池和動(dòng)力電池的負(fù)荷控制需有獨(dú)立的執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行操作。