李飛強(qiáng)，柴結(jié)實(shí)，王宗田，李高鵬，朱光海

（鄭州宇通客車股份有限公司，鄭州450061）

燃料電池-動(dòng)力電池電電混合動(dòng)力客車的仿真分析

李飛強(qiáng)，柴結(jié)實(shí)，王宗田，李高鵬，朱光海

（鄭州宇通客車股份有限公司，鄭州450061）

以采用燃料電池-動(dòng)力電池電電混合動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)型的城市客車為研究對(duì)象，在AMESim軟件平臺(tái)上搭建仿真模型，并制定恒功率輸出的燃料電池控制策略。選擇中國(guó)典型城市公交循環(huán)工況進(jìn)行AMESim /Simulink聯(lián)合仿真，得到整車動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性結(jié)果，驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性。

燃料電池；動(dòng)力電池；電電混合；AMESim/Simulink

燃料電池汽車不會(huì)像燃油汽車那樣排放出二氧化碳等有害物質(zhì)，只會(huì)排出清潔的水，真正實(shí)現(xiàn)零排放。同時(shí)，燃料電池不受卡諾循環(huán)的限制，直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，能量轉(zhuǎn)換效率高[1]。因此，這種零排放、高效率的燃料電池汽車是汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的終極目標(biāo)，指引著汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向。

本文使用AMESim進(jìn)行燃料電池電動(dòng)公交（FCEB）整車模型搭建，使用Simulink構(gòu)建整車控制策略模型[2-4]，通過AMESim與Simulink建立的FCEB聯(lián)合仿真模型，能有效地對(duì)其動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析優(yōu)化[5-6]。

1 電電混合動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)型介紹

受限于燃料電池當(dāng)前的技術(shù)發(fā)展水平，純?nèi)剂想姵乜蛙嚧嬖谄饎?dòng)響應(yīng)慢、不能功率跟隨等現(xiàn)象，無法滿足車輛起動(dòng)、剎車、加速、停車等頻繁變化工況下的耐久性和可靠性要求[7-9]，因?yàn)檩敵龉β实念l繁變化會(huì)導(dǎo)致燃料電池壽命加速衰減。而純電動(dòng)客車則存在續(xù)駛里程短、充電時(shí)間長(zhǎng)等缺陷。所以為了避免兩者的短處而結(jié)合應(yīng)用兩者的長(zhǎng)處，本文采用燃料電池加動(dòng)力電池的電電混合動(dòng)力系統(tǒng)，通過燃料電池的反應(yīng)，整車攜帶一定量的氫氣可以大幅增加續(xù)駛里程，且3～5 min即可完成充氫；而通過動(dòng)力電池可以保護(hù)燃料電池，使其恒功率輸出，延長(zhǎng)燃料電池的壽命[7-9]。

圖1為12 mFCEB的電電混合動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)型圖。該FCEB只有兩種工作模式：當(dāng)氫氣充足時(shí)，開啟燃料電池，燃料電池和動(dòng)力電池同時(shí)工作，是混合動(dòng)力模式；當(dāng)氫氣不足時(shí)，不開啟燃料電池，由動(dòng)力電池單獨(dú)工作，是純電動(dòng)模式。因?yàn)槿剂想姵刂荒芎愣ㄝ敵觯荒芨S整車需求變動(dòng)，無法單獨(dú)工作，所以沒有純?nèi)剂想姵啬Ｊ剑剂想姵毓ぷ鲿r(shí)必須由動(dòng)力電池進(jìn)行配合，接受燃料電池多余的電量并在動(dòng)力不足時(shí)進(jìn)行電量補(bǔ)充。

圖1 FCEB電電混合動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)型圖

燃料電池工作時(shí)，因?yàn)槠潆妷浩脚_(tái)較低，只有110 V左右，需要通過直流/直流變換器（DC/DC）提高電壓，然后和動(dòng)力電池并聯(lián)接入集成控制器為電機(jī)供電，由電機(jī)為整車提供動(dòng)力，電機(jī)輸出的功率與整車動(dòng)力成正比。整車控制器根據(jù)油門踏板信號(hào)判斷整車需求的動(dòng)力，由集成控制器控制燃料電池和動(dòng)力電池為電機(jī)供電，由于燃料電池恒定功率輸出，集成控制器通過調(diào)節(jié)動(dòng)力電池的輸出電流來控制其功率跟隨整車需求變動(dòng)。整車加速、爬坡或高速運(yùn)行時(shí)，燃料電池功率如不能夠滿足整車需求，動(dòng)力電池放電，補(bǔ)足這部分功率，與燃料電池一起通過電機(jī)為整車提供動(dòng)力，且跟隨整車需求變動(dòng)；整車減速、制動(dòng)或低速運(yùn)行時(shí)，燃料電池功率如能夠滿足整車需求，富裕的功率充給動(dòng)力電池，動(dòng)力電池輸出電流為負(fù)，這部分充電功率同樣根據(jù)整車需求變動(dòng)[10-11]。若動(dòng)力電池SOC過低（≤20%），整車動(dòng)力性會(huì)不足，可停車或減速行駛讓燃料電池充電；若動(dòng)力電池SOC過高（≥90%），則需關(guān)閉燃料電池，車輛以純電動(dòng)模式行駛。

燃料電池不工作時(shí)，動(dòng)力電池作為唯一動(dòng)力和能量來源通過電機(jī)為整車提供動(dòng)力，工作模式與純電動(dòng)客車相同。

2 FCEB性能仿真分析

2.1 FCEB仿真模型搭建

基于AMESim豐富的元件庫(kù)，在上述電電混合動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)型基礎(chǔ)上搭建整車模型，如圖2所示，主要包含燃料電池、動(dòng)力電池、DC/DC、電機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)及整車等模型元件，此外還有駕駛員、循環(huán)工況等模型元件。其中路況采用中國(guó)典型城市公交循環(huán)工況（CCBC）[12]，DC/DC效率取90%，傳統(tǒng)系統(tǒng)主減速器傳動(dòng)比為6.14。

圖2 FCEB仿真模型

諸多模型元件都對(duì)應(yīng)得有一系列的參數(shù)，根據(jù)現(xiàn)實(shí)中這些元件的特性對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行定義，各模型元件及其主要參數(shù)見表1。

2.2 FCEB性能仿真

在Matlab/Simulink中編寫整車控制策略，為保護(hù)燃料電池，使燃料電池30 kW恒定輸出。在上述仿真模型中輸入各部件的參數(shù)后，進(jìn)行AMESim/Simulink的聯(lián)合仿真計(jì)算，得到一系列動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性數(shù)據(jù)，與實(shí)車數(shù)據(jù)對(duì)比，以驗(yàn)證仿真計(jì)算數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

CCBC工況總行程5.66 km，時(shí)間1 314 s，最大速度60 km，平均速度15.5 km/h，行駛期間共計(jì)13次停車[11]。動(dòng)力電池荷電狀態(tài)（SOC）初始值為60%。在此循環(huán)工況下，進(jìn)行AMESim/Simulink的聯(lián)合仿真，得出該FCEB的車速、動(dòng)力電池SOC、電機(jī)和動(dòng)力電池的功率、百公里氫氣消耗量（氫耗）和電能消耗量（電耗）等數(shù)據(jù)。

表1 FCEB模型中涉及的主要技術(shù)參數(shù)

圖3為模擬車速和工況車速的對(duì)比圖。可以發(fā)現(xiàn)兩條曲線基本重合，說明仿真計(jì)算過程中模擬的車速非常準(zhǔn)確，為后續(xù)CCBC工況行駛里程、百公里氫耗和電耗的準(zhǔn)確計(jì)算提供了保證。

圖3 模擬車速和工況車速的對(duì)比圖

圖4 為混合動(dòng)力模式下燃料電池、動(dòng)力電池和電機(jī)功率仿真結(jié)果，能夠反映CCBC工況下整車的動(dòng)力學(xué)特性。整車加速或減速時(shí)對(duì)電機(jī)有不同的功率需求，燃料電池始終以30 kW的恒定功率輸出，動(dòng)力電池則通過功率跟隨來滿足整車動(dòng)力需求。整車加速時(shí)，電機(jī)處于驅(qū)動(dòng)狀態(tài)，輸出功率為正；整車減速時(shí)，回收制動(dòng)能量，電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，輸出功率為負(fù)。電機(jī)需求功率≤30 kW時(shí)，燃料電池輸出功率即可滿足整車需求，富裕的功率給動(dòng)力電池充電，所以動(dòng)力電池輸出功率為負(fù)且隨電機(jī)功率變化；電機(jī)需求功率≥30 kW時(shí)，燃料電池輸出功率不能滿足整車需求，動(dòng)力電池需要補(bǔ)足這部分功率并隨電機(jī)功率變化而變化。

圖4 燃料電池、動(dòng)力電池和電機(jī)功率仿真結(jié)果

從圖4可以看出，電機(jī)需求功率多數(shù)時(shí)間小于30 kW，燃料電池經(jīng)常要給動(dòng)力電池充電，再加上制動(dòng)回收的電量，CCBC工況仿真結(jié)束后，動(dòng)力電池SOC從60%上升為66%，如圖5所示。由SOC的變化可以看出，在整個(gè)CCBC工況中，燃料電池提供的電量基本可以滿足車輛行駛需求，因此該電電混合FCEB在日常使用中的能源補(bǔ)給主要是加氫，偶爾通過外接電源給動(dòng)力電池充電即可。

圖5 動(dòng)力電池SOC仿真結(jié)果

之所以選擇64.5 kW·h的動(dòng)力電池，是因?yàn)樗掷m(xù)輸出/峰值輸出的功率為64.5 kW/129 kW，能夠與燃料電池一起給電機(jī)提供持續(xù)/峰值為94.5 kW/159 kW的功率，從而為整車提供充足的動(dòng)力。12 m FCEB動(dòng)力性指標(biāo)（最大車速69 km/h、最大爬坡度12%、0～50 km/h加速時(shí)間22 s）決定整車所需電機(jī)提供的持續(xù)功率為60～70 kW，峰值功率為120～130 kW。因此留出適當(dāng)?shù)挠嗔?，選擇64.5 kW·h的動(dòng)力電池，此外動(dòng)力電池還可以增加整車?yán)m(xù)駛里程，確保加氫不及時(shí)時(shí)，車輛也能夠以純電動(dòng)模式繼續(xù)使用。

整車動(dòng)力性數(shù)據(jù)主要包括最高車速、最大爬坡度和0～50 km/h的加速時(shí)間；整車經(jīng)濟(jì)性數(shù)據(jù)主要包括百公里氫耗和電耗，其中電耗不管正負(fù)都可以按照下列公式折算成氫耗[7]，兩個(gè)氫耗相加得到等效氫耗。該12 m FCEB在實(shí)際使用時(shí)經(jīng)常加氫很少充電，因此使用等效氫耗代表整車經(jīng)濟(jì)性數(shù)據(jù)。

式中：MBATT氫氣為通過電耗計(jì)算的氫耗，kg；Ek為電耗，kW·h，等于ΔSOC×537.6×120×10-3kW·h；M氫氣為直接氫耗，kg，根據(jù)氫氣壓力和溫度等變化計(jì)算獲得；Q氫氣為氫氣的熱值，120 000 000 J/kg；ηFCE為燃料電池系統(tǒng)（含DC/DC）的平均工作效率，取50%；P1/P2分別為氫氣初始/最終壓力，分別取21.7×106Pa和20.88×106Pa；T1/T2分別為氫氣初始/最終溫度，均取298.6 K；Z1/Z2分別為氫氣初始/最終狀態(tài)壓縮系數(shù)，由壓縮因子差值計(jì)算表查得，分別取1.135 912和1.127 831；R為氣體常數(shù)8.314 J/（mol·K）；V為氫瓶容積，取1.12 m3；M為氫氣分子量0.002 016 kg/mol。

仿真和試驗(yàn)得到的整車經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性數(shù)據(jù)見表2，其中電耗為負(fù)，表示燃料電池和電機(jī)向動(dòng)力電池充的電大于動(dòng)力電池放的電，換算為氫耗也為負(fù)，表示動(dòng)力電池中增加的能量可以換算為氫氣，向氫氣存儲(chǔ)裝置充氫；等效氫耗由直接氫耗及電耗換算的氫耗相加得到，表示整車所需能量全部來自氫氣時(shí)總的氫氣消耗量。

可以看出模型仿真結(jié)果和道路試驗(yàn)結(jié)果基本一致，證明了基于AMESim建立的模型的準(zhǔn)確性。

表2 整車仿真和試驗(yàn)結(jié)果比較

3 結(jié)束語

目前，現(xiàn)有仿真軟件還無法提供可直接使用的燃料電池模塊及供氫系統(tǒng)模塊，無法建立有效的燃料電池客車模型，不能準(zhǔn)確地對(duì)FCEB的性能進(jìn)行仿真優(yōu)化。本文通過AMESim與Simulink建立了FCEB聯(lián)合仿真模型，得到以下結(jié)論：

1）仿真過程中對(duì)CCBC工況的模擬非常準(zhǔn)確；

2）在整個(gè)CCBC工況中，整車平均需求功率低于30 kW；

3）仿真和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比，驗(yàn)證了建立的模型的準(zhǔn)確性。

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修改稿日期：2017-03-06

Simulation Analysis of Electric-electric Hybrid Bus Based on Fuel Cell and Power Battery

Li Feiqiang,Chai Jieshi,WangZongtian,Li Gaopeng,Zhu Guanghai
（Zhengzhou YutongBus Co.,Ltd,Zhengzhou 450061,China）

The authors take an electric-electric hybrid city bus that uses fuel cell and power battery power system configuration as the research object,set up the simulation model with AMESim software,and formulate the control strategy of fuel cell constant power output.They choose Chinese city bus cycle condition to carry out the AMESim/ Simulink co-simulation,obtain the power and economydata toverifythe model accuracy.

fuel cell;power battery;electric-electric hybrid;AMESim/Simulink

U469.72+2

A

1006-3331（2017）03-0001-04

科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2015BAG06B00），“十三五”國(guó)家創(chuàng)新規(guī)劃（2016YFB0101306），河南省重大科技專項(xiàng)（151100210100）

李飛強(qiáng)（1982-），男，博士；高級(jí)工程師；主要從事燃料電池客車相關(guān)技術(shù)研究工作。