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(貴州大學 機械工程學院，貴州 貴陽 550025)

0 引言

燃料電池汽車已被世界汽車業(yè)看作是未來新能源汽車發(fā)展的重要方向之一[1]。文獻[2]通過制定適用于燃料電池汽車建模與動態(tài)控制設計流程，開發(fā)一種隨機動態(tài)規(guī)劃算法，將其應用于燃料電池汽車的能量管理，從而實現(xiàn)經(jīng)濟優(yōu)化，同時保持了良好的駕駛性能。文獻[3]利用MATLAB/Simulink建立了燃料電池混合動力系統(tǒng)仿真車輛模型，并與使用混合控制單元實現(xiàn)邏輯閾值方法的功率控制策略并行，其具有在較低燃料消耗水平的同時實現(xiàn)所請求驅(qū)動功率的能力。文獻[4]對燃料電池轎車動力系統(tǒng)匹配方法進行研究，提出選擇能量源的方法；文獻[5]針對純電動汽車續(xù)駛里程短的問題，結(jié)合燃料電池與蓄電池的優(yōu)點，對燃料電池+蓄電池增程式動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行分析，提出根據(jù)能量管理策略和續(xù)駛里程要求確定燃料電池功率，再根據(jù)行駛習慣進行修正的動力系統(tǒng)匹配方法。

本文燃料電池城市客車采用燃料電池系統(tǒng)為主動力源，蓄電池組為輔助動力源的混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式。依據(jù)燃料電池城市客車整車性能設計指標，分別對驅(qū)動電機、燃料電池、蓄電池組各部件進行了參數(shù)計算、匹配，利用ADVISOR搭建燃料電池城市客車模型，對所建立的中國典型城市道路循環(huán)工況、整車動力性能、純電動驅(qū)動模式下的續(xù)駛里程進行仿真，驗證所設計燃料電池城市客車動力性、純電動驅(qū)動模式下經(jīng)濟性以及動力系統(tǒng)部件合理性。

1 燃料電池城市客車整車結(jié)構(gòu)及參數(shù)

燃料電池+蓄電池混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 燃料電池+蓄電池混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

通常由燃料電池系統(tǒng)提供車輛行駛所需動力，燃料電池系統(tǒng)和蓄電池組則在車輛爬坡、急加速等工況時共同提供所需動力，另外根據(jù)車輛行駛工況需求，有時車輛僅在純電動模式下行駛，可以有效避免單一燃料電池作為車輛動力系統(tǒng)能量源時所造成的車輛性能不足，從而提升車輛經(jīng)濟性。針對動力系統(tǒng)各部件相關參數(shù)計算，合理地匹配出燃料電池輸出功率與蓄電池組輸出功率，滿足車輛行駛需要的功率穩(wěn)態(tài)分量(勻速行駛狀態(tài))和動態(tài)分量(如起步、加速狀態(tài))，保證車輛的動力性[6]。

燃料電池城市客車結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1，其整車性能設計指標如表2。

表1 燃料電池城市客車結(jié)構(gòu)參數(shù)

表2 燃料電池城市客車性能設計指標

2 動力系統(tǒng)各部件參數(shù)確定

2.1 驅(qū)動電機參數(shù)計算

需要計算驅(qū)動電機額定功率Pe與峰值功率Pm；額定轉(zhuǎn)速Ne與峰值轉(zhuǎn)速Nm；額定轉(zhuǎn)矩Te與峰值轉(zhuǎn)矩Tm。

2.1.1 驅(qū)動電機功率計算

1)燃料電池城市客車最高車速時所需功率

(1)

式中：g為重力常數(shù)，通常取9.8m/s2；ηt為傳動系機械效率，取0.92；ηmot為電機效率，取0.96。

2)燃料電池城市客車以恒定車速，爬上一定坡度所需功率

(2)

式中：αmax=arctan(imax)。

3)燃料電池城市客車由靜止加速到50 km/h所需功率

(3)

將整車參數(shù)分別代入式(1)(2)(3)可得：Pm-umax=87.61kW，Pm-imax=175.76 kW，Pm-amax=90.08kW。

綜上，驅(qū)動電機峰值功率應同時滿足燃料電池城市客車最高車速、最大爬坡度、加速度的要求[7]。所以，驅(qū)動電機峰值功率：

Pm≥max{Pm-umax,Pm-imax,Pm-amax}=175.76kW

(4)

考慮功率損耗等，驅(qū)動電機峰值功率圓整取Pm=180kW，則驅(qū)動電機額定功率：

(5)

式中：λ為驅(qū)動電機過載系數(shù)，取1.8[8]，可得其額定功率Pe=100 kW。

2.1.2 驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速計算

驅(qū)動電機峰值轉(zhuǎn)速Nm應滿足燃料電池城市客車最高車速需求，即：

(6)

計算得：Nm≥2213 r/min。

驅(qū)動電機峰值轉(zhuǎn)速圓整取Nm≥2500 r/min?？紤]燃料電池城市客車在市區(qū)行駛時通常處于低速工況，并且常伴有紅、綠燈，進出站的啟停狀態(tài)，因此驅(qū)動電機基速比的選取應保證其有較好能量轉(zhuǎn)換效率，選擇驅(qū)動電機基速比β=2.5，則驅(qū)動電機額定轉(zhuǎn)速為：

(7)

計算得：Ne=1000 r/min

2.1.3 驅(qū)動電機轉(zhuǎn)矩計算

依據(jù)公式(2)可得驅(qū)動電機峰值轉(zhuǎn)矩為：

(8)

式中：ig為變速器傳動比，取1。

計算得：Tm=3488.41 Nm。

考慮燃料電池城市客車極端工況下的功率損耗，選取驅(qū)動電機峰值轉(zhuǎn)矩為Tm=3600 Nm，則驅(qū)動電機額定轉(zhuǎn)矩：

(9)

式中：Pe為驅(qū)動電機額定功率；Ne為驅(qū)動電機額定轉(zhuǎn)速。

計算得：Te=955 Nm。

根據(jù)理論計算結(jié)果，綜合對比各類電機性能參數(shù)及特點，選定永磁同步電機作為驅(qū)動電機。

2.2 燃料電池參數(shù)計算

燃料電池城市客車驅(qū)動電機所需功率為燃料電池與蓄電池組功率之和，即：

Pm=Pfc+Pb

(10)

式中：Pm為驅(qū)動電機需求功率；Pfc為燃料電池輸出功率；Pb為蓄電池組輸出功率。

通過前述對比計算可知，最高車速計算出的驅(qū)動電動機功率取最大值，此時驅(qū)動電機功率即為燃料電池系統(tǒng)輸出功率，燃料電池城市客車有最大后備功率，其加速、爬坡性能最優(yōu)，根據(jù)(1)式可知：Pfc=87.61 kW。

燃料電池最大凈輸出功率圓整取Pfcmax=100 kW，選取能量轉(zhuǎn)換率高、可靠性高的質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)作為燃料電池城市客車主動力源。

2.3 蓄電池參數(shù)確定

根據(jù)功率分配原則，由式(10)可得：

Pbmax≥Pmmax-Pfcmax

(11)

式中：Pbmax為燃料電池最大輸出功率。

計算可得：Pbmax=80 kW。

根據(jù)整車性能設計指標，燃料電池城市客車以uele勻速行駛時蓄電池組負載功率：

(12)

式中：Pele為蓄電池組負載功率；ηbat為蓄電池組放電效率，取0.95。

等速uele條件下，燃料電池城市客車行駛距離S所需能量：

(13)

式中：Wroad燃料電池城市客車行駛所需能量。

蓄電池組在一定放電深度下釋放能量：

(14)

式中：U0為蓄電池組電壓；Wele為蓄電池組釋放能量；C為蓄電池組容量；ζSOC為蓄電池組有效放電容量(15%～95%)。

由式(12)、(13)、(14)可得蓄電池組容量：

(15)

計算得：C=335.5 A·h

考慮燃料電池城市客車實際運行時，電器附件耗電量約占整車耗電量15%左右以及蓄電池內(nèi)阻損耗，最終確定蓄電池組容量C=360 A·h。

通過對比各種蓄電池性能參數(shù)，可知磷酸鐵鋰電池工作溫度范圍廣、充放電電荷大，較適合用作燃料電池城市客車動力電池組，其主要性能參數(shù)如表3。

表3 動力電池組主要參數(shù)

3 基于ADVISOR仿真結(jié)果

ADVISOR是美國可再生能源實驗室NREL在MATLAB和SIMULINK軟件環(huán)境下開發(fā)的高級車輛仿真軟件，可以通過參數(shù)輸入實現(xiàn)燃料電池城市客車仿真測試[9-10]。

ADVISOR仿真后的主要輸出結(jié)果包括各部件變量輸出結(jié)果、整車燃油消耗結(jié)果、整車排放性能結(jié)果及加速與爬坡試驗結(jié)果等。

3.1 車速跟隨結(jié)果

圖2所示為車速跟隨結(jié)果曲線，曲線cyc_ kph_ r和曲線kpha分別代表燃料電池城市客車在中國典型城市道路循環(huán)工況下的需求車速和實際車速，由圖2可知，實際車速與循環(huán)工況需求車速相等。

圖2 車速跟隨結(jié)果曲線

3.2 蓄電池SOC結(jié)果

圖3 蓄電池組SOC狀態(tài)曲線

蓄電池組SOC狀態(tài)如圖3所示。蓄電池組初始SOC=0.7，蓄電池組SOC上限值cs_ lo_ soc=0.8及下限值cs_ hi_ soc=0.4。

由圖3可知，在選擇仿真的中國典型城市道路循環(huán)工況中，蓄電池組SOC始終保持在0.69～0.72之間。

3.3 動力系統(tǒng)部件輸出功率結(jié)果

圖4所示為燃料電池城市客車行駛過程中，燃料電池實際輸出功率、蓄電池組實際輸出功率以及驅(qū)動電機實際輸入功率變化曲線。燃料電池城市客車剛起步時，完全由蓄電池組輸出功率；隨著車速的提高，燃料電池城市客車正常行駛所需功率由燃料電池系統(tǒng)提供；當燃料電池城市客車處于爬坡或急加速工況時，燃料電池系統(tǒng)無法提供驅(qū)動電機所需峰值功率，蓄電池組作為輔助動力源和燃料電池系統(tǒng)一起提供驅(qū)動電機所需功率。

圖4

3.4 動力性能仿真結(jié)果

動力性能仿真結(jié)果如表4。

表4 車輛動力性能仿真結(jié)果

3.5 純電動模式續(xù)駛里程仿真結(jié)果

圖5所示為燃料電池城市客車純電動續(xù)駛里程仿真結(jié)果，在純電動驅(qū)使模式下，蓄電池組初始SOC為0.8，燃料電池客車以40 km/h速度行駛100.6 km時，蓄電池組SOC變?yōu)?.22。

圖5 純電動續(xù)駛里程仿真結(jié)果

4 結(jié)論

對燃料電池城市客車動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)選型及各部件參數(shù)計算、匹配，運用ADVISOR搭建整車模型，建立中國典型城市道路循環(huán)工況進行仿真，結(jié)果表明車速跟隨效果良好；蓄電池組SOC在有效范圍內(nèi)變化；動力系統(tǒng)各部件均工作在較高效率區(qū)間并且能夠滿足車輛行駛工況的功率需求。

對整車動力性能和純電動驅(qū)動模式下的經(jīng)濟性能進行仿真，結(jié)果表明最高車速、最大爬坡度、0～50 km/h加速時間均能滿足性能設計指標。純電動驅(qū)動模式下的續(xù)駛里程滿足性能設計指標。

基金項目：H6純電動商務車關鍵技術(shù)研究與產(chǎn)業(yè)化(黔科合重大專項字〔2015〕6007)；創(chuàng)新基地名稱《面向智能裝備領域的“技術(shù)眾籌”研究生創(chuàng)新基地》；貴大研CXJD〔2015〕003。