氫燃料電池客車的動力系統(tǒng)匹配設計

劉 峰,侯永坤,郭清成,管 勇

(1.中國公路車輛機械有限公司,北京 100011;2.廈門豐泰國際新能源汽車有限公司,福建 廈門 361026)

氫燃料電池客車如何合理匹配氫燃料電池使其更高效更節(jié)能是開發(fā)商們研究的重點,本文根據(jù)用戶的實際需要,結(jié)合用戶的具體使用工況對氫燃料電池客車的動力系統(tǒng)進行匹配設計,確定更合理的燃料電池功率和控制策略,在滿足用戶需求的同時使氫燃料電池更節(jié)能、更高效。

1 用戶需求

整車車長12 m,滿載總質(zhì)量18 t,最大載客量不小于53人,最高車速不低于100 km/h,最大爬坡度不小于18%,原地起步加速到80 km/h的時間不大于27 s,續(xù)駛里程不低于450 km。要求采用氫燃料電池作為動力系統(tǒng)?？蛙嚨膶嶋H使用工況路譜如圖1車速曲線所示。

圖1 客車實際使用工況路譜

2 整車動力系統(tǒng)架構(gòu)的確定

根據(jù)燃料電池輸出特性,燃料電池工作時需要輔助能源系統(tǒng)參與工作。輔助能源系統(tǒng)通常為蓄電池組或超級電容,主要方式有[1]：燃料電池+動力電池、燃料電池+超級電容、燃料電池+動力電池+超級電容,目前應用最多的結(jié)構(gòu)是“燃料電池+動力電池”。由于鋰電池在純電動汽車上的廣泛應用使其具有較好的性價比,因此,動力電池大多采用的是鋰電池[2],本文即采用“燃料電池+動力鋰電池”的方案。

由氫燃料電池作為主能源,鋰電池作為輔助能源的動力系統(tǒng)架構(gòu)主要有4種,如圖2～圖5所示。

圖2 動力系統(tǒng)架構(gòu)1

圖3 動力系統(tǒng)架構(gòu)2

圖4 動力系統(tǒng)架構(gòu)3

圖5 動力系統(tǒng)架構(gòu)4

結(jié)合客車的使用特點,本文選擇圖2所示的架構(gòu)1,這種結(jié)構(gòu)也是目前客車普遍采用的,特點是燃料電池將氫氣轉(zhuǎn)化為電能,輸出的電能先通過DC/DC升壓再與動力電池并聯(lián)輸入到電驅(qū)動系統(tǒng),電機輸出扭矩來驅(qū)動車輛行駛;DC/DC為單向升壓輸出;燃料電池電堆承受的負載穩(wěn)定可控,結(jié)構(gòu)簡單[3]。

后橋速比及驅(qū)動電機的選定與普通純電動客車一樣,目前電車用的ZF后橋常用速比為6.19,本文暫選這個速比。根據(jù)該后橋速比及整車主要參數(shù)計算可知,要滿足最高車速100 km/h的要求,電機的最高轉(zhuǎn)速應不小于3 200 r/min;按照最大爬坡度不小于18%的要求計算可知,電機的最大扭矩應不小于2 800 N·m。

為滿足以上要求,初步選擇DANA TM4公司生產(chǎn)的TZ368XSPE260WH型號電機,其主要參數(shù)如下：額定功率150 kW;額定扭矩1 000 N·m;峰值功率250 kW;峰值扭矩3 000 N·m;最高工作轉(zhuǎn)速3 500 r/min;額定電壓600 V。

根據(jù)電機及整車參數(shù),動力性仿真的結(jié)果見表1。從表1中可以看出,選用后橋速比為6.19的TZ368XSPE260WH型號電機可滿足用戶的使用要求。

表1 動力性仿真結(jié)果

3 動力鋰電池和氫燃料電池的選定

3.1 動力鋰電池的選定

動力鋰電池是輔助能源,它的選擇與氫燃料電池的功率及工況有很大關系[4]。同時,根據(jù)選擇的架構(gòu)1,動力鋰電池的電壓要和電機電壓一致,需要滿足電機的電壓要求。前面選擇的電機的額定電壓為600 V,電壓范圍為550～750 V。因此,選擇寧德時代的173 Ah電芯的電池(3個C箱電池(1P63S)),其工作電壓為608.58 V,額定電量為105.3 kW·h,其他主要參數(shù)見表2。

表2 動力鋰電池參數(shù)(50%SOC,25 ℃) A

3.2 燃料電池的選定

由于該車是長途客車,高速路段較多,需要較大的燃料電池功率,根據(jù)目前燃料電池情況,選擇了2款燃料電池,其最大輸出功率分別為80 kW和110 kW。根據(jù)用戶提供的工況,最高車速100 km/h持續(xù)時間比較長,消耗功率較大,燃料電池功率不足時需要動力電池補充,所選燃料電池功率和動力電池帶電量應能滿足該工況的使用需要。經(jīng)驗算,2款燃料電池功率在持續(xù)車速100 km/h時需要動力電池電量消耗情況見表3。

表3 2款燃料電池所需動力鋰電池電量計算結(jié)果

從以上計算結(jié)果可知,2款燃料電池理論上都可以滿足實際運行需要,但功率小的需要動力鋰電池更多地參與工作,考慮到實際運行時動力鋰電池的SOC狀態(tài),一旦上高速,動力電池的帶電量小于61 kW·h將不能滿足實際需要,同時,110 kW的燃料電池要比80 kW的效率高(見圖6)。因此,推薦采用110 kW的燃料電池。

圖6 2款燃料電池效率對比

4 控制策略的優(yōu)化

電動汽車運行過程中,電機的輸出功率是隨著工況而變化的,而根據(jù)燃料電池的功率輸出特性,燃料電池輸出的功率應盡量減少波動;在電機功率需求的變化中,燃料電池與輔助電池(動力鋰電池)2種能源的特性處于動態(tài)變化,如何保證燃料電池和動力電池合理協(xié)調(diào)工作,使燃料電池性能穩(wěn)定、壽命更長、可靠性更好是整個動力系統(tǒng)的關鍵[5]。當燃料電池輸出功率穩(wěn)定在一個值且需求功率較大時,需要更多的動力電池功率輸出;而更多的動力電池功率輸出又會導致動力電池帶電量無法滿足最小電量需求。因此,需要確定一個更優(yōu)的系統(tǒng)控制策略(能量管理方法)[6]。

根據(jù)選定的燃料電池(110 kW)和動力鋰電池,首先按照原有的控制策略對用戶提供的工況進行了2種情況的仿真分析,圖7和圖8分別是動力鋰電池初始SOC為60%和100%時整車運行的燃料電池輸出功率和氫耗的關系曲線,最后的氫耗結(jié)果見表4。

表4 動力鋰電池初始電量不同的整車氫耗

圖7 動力鋰電池初始電量SOC 60%時的燃料電池功率輸出及氫耗關系曲線

圖8 動力鋰電池初始電量SOC 100%時的燃料電池功率輸出及氫耗關系曲線

實際上,這2種狀態(tài)是無動力電池充電口的燃料電池車輛投入使用的常用狀態(tài)。圖8是新車投入使用動力電池滿電運行的狀態(tài),后期是按照圖7狀態(tài)持續(xù)運行的。也就是后期運行時,氫的消耗要達到6.65 kg/100 km。

另外,從圖7和圖8可知,為了保持動力鋰電池最后的SOC狀態(tài)不小于60%,燃料電池的輸出功率變化較大(詳見圖上燃料電池輸出功率曲線),這對燃料電池是不利的,將大大影響其使用壽命[7]。

為了避免燃料電池輸出功率的大幅波動,使燃料電池盡量在恒定功率(或較小的功率變化)下工作[8],同時,還要滿足動力電池剩余電量不小于20%的要求。對燃料電池輸出功率及動力電池輸出功率進行優(yōu)化調(diào)整,經(jīng)過幾輪優(yōu)化,按照目前動力鋰電池的帶電量,優(yōu)化后的最理想結(jié)果如圖9和表5所示。

表5 優(yōu)化后的氫氣消耗

圖9 優(yōu)化后的燃料電池功率輸出曲線

從上面優(yōu)化結(jié)果可知,氫燃料電池的輸出功率波動大幅減少,在路段運行后期,燃料電池基本維持恒功率輸出,這對燃料電池是非常有利的,系統(tǒng)優(yōu)化后的百公里耗氫為5.31 kg,與圖7的狀態(tài)相比,氫耗減少20%,能耗大大降低。但為了達到這個結(jié)果,動力鋰電池的最后SOC狀態(tài)最多只能達到33.9%,無法滿足不小于60%的持續(xù)運行需要。為了滿足車輛持續(xù)運行,需要額外增加動力電池充電口,經(jīng)與客戶溝通,根據(jù)加氫成本與充電成本對比,客戶同意增加動力電池充電口,這樣可以使運營成本大幅降低。而增加了充電口以后,動力電池的剩余電量(33.9%)還可以繼續(xù)降低到20%左右,這樣更能節(jié)省氫氣的消耗,但考慮到后期電池電量的衰減,不再繼續(xù)優(yōu)化。

5 結(jié)束語

雖然選擇了合適的燃料電池功率和動力鋰電池的帶電量,但不同的控制策略對燃料電池正常運行和整車的能耗影響還是較大。因此,氫燃料客車的動力系統(tǒng)匹配不僅要考慮選擇合適的燃料電池和動力鋰電池,還要根據(jù)用戶的實際使用工況去優(yōu)化控制策略,以滿足燃料電池的使用要求和用戶的低成本運行需要。