氫燃料電池載貨汽車動力系統(tǒng)設計選型

收稿日期：2024-05-22

作者簡介

史留慶（1984—），男，工程師，主要從事新能源整車設計開發(fā)工作；楊志超（1984—），男，高級工程師；張學鋒（1969—），男，高級工程師，從事新能源汽車電器系統(tǒng)及整車控制的開發(fā)工作。

【摘 要】近年來，隨著氫燃料電池技術的快速發(fā)展，氫燃料電池功率越來越大，動態(tài)性能越來越好，能夠滿足不同類型的載貨汽車需求。文章針對氫燃料電池載貨汽車特點，探討氫燃料電池載貨汽車動力系統(tǒng)設計計算選型方法。

【關鍵詞】氫燃料電池載貨汽車；動力系統(tǒng)選型；驅動電機

中圖分類號：U469.72 文獻標識碼：A 文章編號：1003-8639（ 2024 ）07-0009-03

Design and Selection of Power System of Hydrogen Fuel Cell Truck

SHI Liuqing，YANG Zhichao，ZHANG Xuefeng

（Dayun Automobile Co.，Ltd.，Yuncheng 044000，China）

【Abstract】In recent years，with the rapid development of hydrogen fuel cell technology，hydrogen fuel cell power is increasing，dynamic performance is getting better and better，and can meet the needs of different types of trucks. According to the characteristics of hydrogen fuel cell truck，this paper discusses the design，calculation and selection method of power system of hydrogen fuel cell truck.

【Key words】hydrogen fuel cell truck；power system selection；drive motor

氫燃料電池載貨汽車具有續(xù)駛里程長、加氫快的優(yōu)勢，是新能源載貨汽車長距離運行的終極方案。近年來，氫燃料電池技術迅猛發(fā)展，氫燃料電池的功率越來越大，動態(tài)性能越來越好，可以滿足不同類型的載貨汽車。本文針對氫燃料電池載貨汽車特點，研究氫燃料電池載貨汽車動力系統(tǒng)計算選型方法。燃料電池載貨汽車動力系統(tǒng)包括：驅動電機及電控系統(tǒng)、動力電池、氫燃料電池等。

1 驅動電機及電控系統(tǒng)選型

1.1 驅動電機選型

氫燃料電池載貨汽車驅動電機及電控系統(tǒng)選型基本與純電載貨汽車相同，都是依據整車動力性能目標，計算整車滿載、高速、爬坡、超速等各種工況下動力需求，確定主驅電機額定功率、峰值功率、最高轉速和峰值扭矩等參數。二者選型的差異為：氫燃料電池載貨汽車受燃料電池功率限制，所選用的驅動電機及電控系統(tǒng)功率比純電載貨汽車偏小。

驅動電機最高轉速計算公式如：

nmax≥（1）

式中：vmax——最高車速；i0——減速器傳動比；r——輪胎滾動半徑。

驅動電機峰值扭矩應滿足整車滿載最大爬坡需求，計算公式如下。

Tαmax=r（mg f cosαmax+v2+mgsinαmax+δm）（2）

式中：m——滿載質量；f——滾動阻力系數；A——迎風面積；CD——空氣阻力系數；αmax——最大坡度；δ——車輛旋轉質量換算系數。

按照電動汽車設計手冊[1]，電機峰值功率為滿載最大爬坡需求功率，具體計算公式如下。

Pαmax=（mg f cosαmax+v2+mgsinαmax+δm）

（3）

按照電動汽車設計手冊，驅動電機額定功率為整車持續(xù)最高車速需求功率和持續(xù)爬坡需求功率取大值。

最高車速電機功率計算公式：

Pve=mg f +Vm3（4）

式中：Vm——最高車速。

持續(xù)爬坡電機功率計算公式：

Pα=（mg f cosα1+vc2+mgsinα1）（5）

式中：Vc——持續(xù)爬坡對應的車速；α1——持續(xù)爬坡坡度。

1.2 電機控制器選型

電機控制器選型主要依據驅動電機額定電壓、額定電流、峰值電流、動力電池標稱電壓和動力電池電壓范圍。電機控制器的額定電壓應大于驅動電機的額定電壓。電機控制器的額定電流和峰值電流應大于驅動電機的額定電流和峰值電流。電機控制器輸入電壓應在動力電池電壓范圍內，與動力電池標稱電壓一致。

2 動力電池選型

2.1 動力電池在燃料電池車型中的主要作用

車輛行駛過程中，車輛加減速和制動會引起氫燃料電池輸出功率頻繁變化，氫燃料電池輸出功率頻繁變化嚴重影響燃料電池的壽命。動力電池響應速度快，放電倍率高。動力電池與氫燃料電池配合使用，減少氫燃料電池輸出功率頻繁波動，對整車負載功率起“削峰填谷”的作用，延長氫燃料電池的壽命。氫燃料電池車回饋制動時，動力電池可以將回饋制動能量回收，提高整車續(xù)駛里程。

2.2 動力電池容量計算

根據上文所述的動力電池功能，動力電池充放電功率和動力電池容量計算方法如下。

1）動力電池峰值放電功率計算：車輛在高速、超速、爬坡等工況運行時，所需驅動電量主要由氫燃料電池提供，不足的電量由動力電池提供，其中車輛最大爬坡需要的功率最大。動力電池峰值放電功率=車輛最大爬坡運行所需要的峰值功率-氫燃料電池額定功率。

2）動力電池峰值充電功率計算：車輛制動瞬間，氫燃料電池無法快速停止運行或降載，氫燃料電池發(fā)出的電能需要回充到動力電池；車輛采用回饋制動，回饋制動的電能也要回充到動力電池，按此需求計算動力電池峰值充電功率。動力電池行駛充電功率=車輛回饋制動功率+氫燃料電池額定功率-輔驅功率。

3）動力電池容量計算：動力電池容量計算主要依據《GB/T 38146.2—2019 中國汽車行駛工況 第2部分：重型商用車輛》中給出的中國載貨車行駛工況（CHTC-TT）進行，動力電池容量要滿足一個CHTC-TT循環(huán)工況整車充放電的需要，要滿足一次加氫區(qū)間整車充放電的需要。

3 氫燃料電池選型

目前氫燃料電池成本較高，氫燃料電池平均成本為4000元/kW，預計到2025年電池成本將降至2000元/kW[2]。為降低整車成本，氫燃料電池汽車設計時，氫燃料電池的功率只要滿足車輛常用車速運行時的功率需求，車輛加速或高速時超出的功率由動力電池補充。

常用車速功率計算公式如下：

P1=mg f +V13+P2（6）

式中：V1——常用車速；P2——輔助功率。

4 氫燃料電池載貨車動力電池容量計算實例

下文以本公司開發(fā)的一款6×4氫燃料電池載貨車為例，介紹動力電池匹配計算選型方法。

4.1 整車性能參數

整車最大總質量49000kg，迎風面積7m2，風阻系數0.7，滾動阻力系數0.009，最高車速8911c97a3fa6e670f74be59d403ca80bfekm/h，常用車速40～60km/h，最大爬坡度25%，速度10km/h，持續(xù)爬坡度7%，持續(xù)速度15km/h，后橋減速比5.143，輪胎半徑0.525m，變速器減速比5.53/3.05/1.66/1，輔驅系統(tǒng)功率5kW。

4.2 驅動電機計算選型

驅動電機最高轉速計算：

nmax≥==2312.6r/min（7）

驅動電機峰值轉矩計算：

Tαmax=r（mg f cosαmax+v2+mgsinαmax+δm（8）

=2351.7Nm

驅動電機峰值功率計算：

Pαmax=（mg f cosαmax+v2+mgsinαmax+δm）

=354kW（9）

驅動電機額定功率計算如下。

1）最高車速功率計算公式：

Pve=mg f+Vm3=154.4kW（10）

2）持續(xù)爬坡功率計算公式：

Pαmax=（mg f cosαmax+vc2+mgsinαmax）（11）

=161.5kW

二者取大值，驅動電機額定功率取161.5kW。

根據上述計算值，最終選擇的驅動電機技術參數見表1。

4.3 氫燃料電池選型

根據整車常用車速，計算整車常用功率如下：

P1=mg f +V13+P2=92.4kW（12）

根據上述計算值，最終選用的氫燃料電池技術參數見表2。

4.4 動力電池充放電功率計算

4.4.1 動力電池峰值放電功率計算

從上述計算可知，車輛在最大坡道爬坡時，主驅電機以峰值功率354kW運行，整車需求功率為主驅電機功率和輔驅功率之和。

動力電池峰值放電功率Pmax=354+5-125=234kW。

4.4.2 動力電池峰值充電功率計算

車輛制動時，回饋制動功率按主驅電機額定功率的50%進行計算。

動力電池充電功率P充=車輛回饋制動功率+氫燃料電池額定功率-輔驅功率=220×0.5+125-5=230kW。

4.4.3 動力電池容量計算

根據CHTC-TT工況數據[3]，計算CHTC-TT區(qū)間主驅電機和輔驅系統(tǒng)消耗的電量、氫燃料電池額定功率發(fā)出的電量、動力電池充放電電量。計算數據見表3。

從表3可以看出，一個CHTC-TT循環(huán)工況，整車需要62.763kW·h的電量，氫燃料電池額定輸出62.5kW·h的電量，氫燃料電池功率基本滿足整車需求。從表3可以看出，一個CHTC-TT循環(huán)工況，動力電池在1006—1708s區(qū)間持續(xù)放電，放電電量為15kW·h。設定動力電池SOC工作范圍為20%～100%，則動力電池容量E=15÷（100%-20%）=18.75kW·h。

根據上述計算，選擇額定放電功率為190kW，峰值放電容量為305kW，電池容量為26.49kW·h的功率型電池。

4.5 項目驗證

根據上述計算，6×4氫燃料電池載貨車完成動力系統(tǒng)設計選型。樣車試制完成后，在重型轉轂臺架對整車動力性能進行測試，測試項目包括車輛最高車速測試、30min最高車速測試、電機峰值功率測試、CHTC-TT循環(huán)工況續(xù)航里程測試等，測試結果確定整車動力系統(tǒng)滿足整車性能要求。

5 結語

氫燃料電池載貨汽車動力系統(tǒng)選型計算，與整車運行工況、氫燃料電池功率等密切相關，影響整車的動力性和經濟性。本文通過對一款氫燃料電池載貨車動力系統(tǒng)計算選型及實車測試，驗證了本文所述的動力系統(tǒng)計算選型方法。

參考文獻：

［1］ 林程. 電動汽車工程手冊（第一卷）純電動汽車整車設計［M］. 北京：機械工業(yè)出版社，2019.

［2］ 中國汽車工程學會. 節(jié)能與新能源汽車技術路線圖2.0［M］. 北京：機械工業(yè)出版社，2020.

［3］ GB/T 38146.2—2019，中國汽車行駛工況 第2部分：重型商用車輛［S］.

（編輯 楊凱麟）