氫燃料電池自卸汽車動力系統(tǒng)匹配設計

孫瑞曉

（金龍聯(lián)合汽車工業(yè)（蘇州）有限公司，江蘇 蘇州 215000）

2022年3月，我國首個國家層面的氫能產業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃《氫能產業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃（2021—2035年）》發(fā)布，要求燃料電池汽車的保有量在2025年要達到五萬輛，在國家政策保障下，燃料電池汽車特別是自卸汽車等運營場景具有很大的潛力。

本文在深入研究目前氫燃料電池、儲氫系統(tǒng)、電機、電池動力系統(tǒng)相關部件的性能和成本的基礎上，考慮車輛使用場景，運用Cruise軟件建立整車仿真計算模型，對動力系統(tǒng)部件進行參數確定和選型，并進行了動力系統(tǒng)的布置。

1 整車總體設計方案

1.1 總體設計要求

主要針對城市建筑工地開發(fā)31 t氫燃料電池自卸汽車，采用8×4驅動形式，建筑工地道路復雜，坑多，彎多，濕滑，且坡度大，對車輛綜合性能要求很高，目前加氫站距離作業(yè)地點較遠，卸貨距離按單程40 km，每日來回3班計算。

總體設計需滿足以下要求：

（1）設計最高車速≥85 km/h，限速85 km/h；最大爬坡度≥50%；

（2）綜合續(xù)航里程大于250 km～300 km；

（3）考慮自卸車使用環(huán)境惡劣，部件特別是電器件布置盡可能離地距離超過1 m，1 m以內的部件需考慮防水問題；

（4）整車運營時一般限速60 km/h，常用車速為30 km/h～50 km/h，新能源動力系統(tǒng)匹配時考慮此車速區(qū)間內的整車經濟性、動力性；

（5）提高整車可靠性、安全性。

1.2 主要技術參數

根據使用場景及整車設計要求，31 t氫燃料電池自卸汽車整車主要技術參數如表1所示。

2 動力系統(tǒng)參數匹配

2.1 動力系統(tǒng)基本構型及能量控制策略

基于目前燃料電池反應堆額定功率、響應速度，電池充放電倍率等因素，研究車輛燃料電池動力構型如圖1所示，采用了電電混合高壓系統(tǒng)，系統(tǒng)主要包括氫燃料電池系統(tǒng)、驅動電機及電機控制器、電池及電池管理系統(tǒng)、電動真空泵、直流轉直流（DC/DC）轉換器、電動空調、助力轉向泵、電除霜、電機冷卻液泵和整車控制器組成，動力源由動力電池系統(tǒng)提供，整車控制器通過識別車輛狀態(tài)信息及駕駛員操作意圖，控制電機及電動附件實現車輛加減速、制動、轉向等車輛運行。

車輛能量控制的策略核心思路為減少燃料電 池功率調節(jié)頻率，減少開關機頻率，動力電池盡量工作在高壽命區(qū)間，同時需要考慮電池的充放電倍率區(qū)間及電池溫度與充放電倍率的關系，目前電池的荷電狀態(tài)（State of Charge, SOC）控制循環(huán)如圖2所示。

當SOC在0%～50% 時，燃料電池目標功率為60 kW，15%的滯回處理；當SOC在50%～60%時， 燃料電池目標功率為30 kW或60 kW，滯回區(qū)間；當SOC 在65%～85%時，燃料電池目標功率為30 kW，15%的滯回處理；當SOC 在85%～95%時，燃料電池目標功率為10 kW或30 kW，滯回區(qū)間；當SOC＞95%時，燃料電池關機。

2.2 電機選型及后橋速比匹配

根據經驗，選擇AB兩款電機進行計算，其電機參數對比如表2所示?？紤]后橋供應商能提供的速比，初選后橋速比為5.92和6.73。利用AVL Cruise軟件，搭建車輛的經濟性、動力性仿真模型，如圖3所示，整車總質量按3.5×10kg和超載5×10kg分別計算，仿真對比結果如表3所示，最大爬坡度按電機轉矩計算，未考慮輪胎打滑和其他新能源部件功率問題。

綜合考慮動力性、經濟性、電機成本，最終電機選用A型永磁同步電機，匹配6.73速比。

2.3 動力電池參數匹配

根據2.2仿真計算結果，車速為20 km/h，坡度為18%時所需功率最大，為357 kW?？紤]車輛的通過性和整車布置，只能安裝4箱動力電池，結合動力電池廠家提供的電池型號，單回路電池組最大系統(tǒng)功率無法滿足整車需要。從現有產品中選擇，滿足4箱安裝空間，電量符合，功率性滿足，初選兩組電池方案162 kWh和100.91 kWh。

純電動模式下電池電量決定續(xù)航里程，根據使用工況，需滿足SOC為60%，續(xù)駛里程大于50 km。

式中，為純電動模式下最低電池電量；為每公量耗電量，取值1.70 kWh/km。

根據整車對峰值電源放電功率和續(xù)航要求，確定動力電池參數如表4所示。

2.4 氫燃料電池及供氫系統(tǒng)匹配

氫燃料電池自卸汽車在穩(wěn)定時速行駛時，氫燃料電池提供驅動力則能耗較低，本車選用氫燃料電池額定輸出功率為113 kW，工作環(huán)境溫度范圍為-30℃～45 ℃，設計壽命大于1 000 h。

氫能電能轉化率可以根據氫燃料電池電堆運行效率確定為

式中，為氫耗與電耗轉化率；等于1.2×10kJ/kg（H的低位熱值）；為燃料電池電堆效率。此車匹配的燃料電池電堆效率為50%，得出為

16.6 kWh/kg。

根據仿真計算結果，百公時電耗為241.72 kWh，根據整車續(xù)駛里程要求及氫耗電耗轉化率，可以計算出整車載氫量至少為45.56 kg，一般氫瓶的壓力為35 MPa，確定采用9個210 L氫瓶。

3 動力系統(tǒng)布置

氫燃料電池自卸汽車底盤布置難點在新能源相關部件，主要包括氫燃料電池系統(tǒng)、儲氫系統(tǒng)、動力電池、電機、電控系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)（Auto Temperature Control System, ATS）、打氣泵、電池空調的布置，將以上系統(tǒng)按功能及布置位置劃分為五大模塊，如圖4所示，包括（1）駕駛室下方的氫燃料電池模塊；（2）駕駛室后方布置儲氫及控制模塊；（3）二三軸間車架兩側布置分裝模塊；（4）電機驅動模塊；（5）傳統(tǒng)底盤部件。

本車總布置方案是在31 t氫燃料自卸汽車底盤上實現模塊化設計。合理利用底盤空間，燃料電池布置在原發(fā)動機位置，底盤更改量小。各模塊互相獨立，可便于快速拓展到其他車型。儲氫系統(tǒng)布置在駕駛室后方，使用儲氫總量達到9×210 L，且便于拓展其它品牌結構的氫瓶。動力電池在氫瓶下方布置兩塊電池、二三軸之間右側布置兩塊電池，使動力電池的總容量達到162 kWh。電機冷卻系統(tǒng)、打氣泵、電池冷卻系統(tǒng)布置在二三軸左側形成模塊，可以提前分裝，提高生產制造效率。動力系統(tǒng)采用中置后驅方式，驅動電機布置在二三軸之間，車架中間，傳動軸與后橋連接。

4 結語

針對31 t氫燃料電池自卸汽車設計尚無成熟方案，綜合考慮整車使用場景及整車性能指標，兼顧相關部件的性能和成本。本文介紹了氫燃料電池自卸汽車總體設計方案，動力系統(tǒng)匹配設計包括控制系統(tǒng)組成架構、電機及速比選型、動力電池選型、氫燃料電池及供氫系統(tǒng)匹配，動力系統(tǒng)布置。