龍興利

(一汽客車(大連)有限公司，遼寧 大連 116600)

燃料電池客車已經(jīng)列入國家新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃，其氫燃料系統(tǒng)布置和動力系統(tǒng)匹配是氫燃料客車開發(fā)的重點。依據(jù)整車開發(fā)流程[1]，我公司自主研發(fā)了某型氫燃料城市客車。本篇在深入分析燃料電池性能的基礎上，充分考慮整車控制策略及使用安全需要，系統(tǒng)地介紹了此款燃料電池城市客車的氫燃料系統(tǒng)布置、動力系統(tǒng)計算與匹配[2]的設計過程。

1 氫系統(tǒng)布置

該車型為全承載車身結構[3]，采用公交專用前后橋及空氣懸架。依據(jù)氫燃料車的特點，采用“長軸距、短后懸”的結構設計。依據(jù)總體布置確定該車車長10 495 mm，軸距5 900 mm,后懸長度優(yōu)化至2 245 mm，后懸的立體空間中主要布置動力電池、燃料電池、電機、升壓DC/DC、空壓機和散熱器。氫氣瓶組布置于車頂，原因及主要設計如下：

氫氣的燃燒極限和爆炸極限很寬(4%～75%)，發(fā)生爆炸的必要條件有3個：濃度達到極限值；密閉空間；足夠的點火能量(0.02 mJ)。由于氫氣的密度很低(不足空氣的7%)，且汽車通常都在露天環(huán)境中行駛，依據(jù)“氫氣流最短”原則，采取“氫往上，電下行”的思路將氫瓶系統(tǒng)布置于車頂可有效制止上述前兩個爆炸條件同時滿足，實現(xiàn)即使有氫泄漏也不聚集的要求。其次，在車身關鍵位置上布置氫氣傳感器，高壓氫氣如果從氫瓶泄漏了，可以及時被傳感器在短時間(1 s)內(nèi)檢測到，并按照泄漏濃度層級(低于危險極限前設定三級)依次實現(xiàn)聲光報警，直至強制關閉氫瓶的主截止閥，滿足安全要求。此外，在車頂部骨架設計氫系統(tǒng)檢修通道腳踏區(qū)域，以方便頂部氫氣供給系統(tǒng)的日常維護檢修。

2 車輛控制系統(tǒng)設計

車輛控制系統(tǒng)主要由整車控制系統(tǒng)、儲氫管理系統(tǒng)、燃料電池管理系統(tǒng)、輔助管理系統(tǒng)、動力電池管理系統(tǒng)、驅動電機管理系統(tǒng)組成[4]，通過CAN總線構成分布式控制系統(tǒng)。采用純動力電池驅動和電電混合驅動兩種模式。采用電電混合驅動模式時，以燃料電池為主能量源，動力電池為輔助能量源，在車輛行駛中起“削峰填谷”作用。車輛控制系統(tǒng)組成架構如圖1所示，圖中集成輔助動力源包含了降壓DC/DC。

圖1 控制系統(tǒng)組成架構

2.1 整車控制模塊設計

整車控制系統(tǒng)(VCU)共設計11個控制模塊：模式管理、燃料電池啟?？刂啤⒛芰糠峙淇刂?、上下電控制、故障診斷與處理、擋位管理、整車需求轉矩解析、驅動力矩控制、電附件控制、再生制動以及車輛狀態(tài)監(jiān)控與顯示等模塊。

1)模式管理模塊。對純電動驅動和電電混合驅動兩種模式的管理。

2)燃料電池啟停模塊。充分考慮燃料電池、氫系統(tǒng)、動力電池與整車等的故障情況，以及燃料電池當前狀態(tài)、純電模式開關是否有效、動力電池SOC大小，以此確定是否啟動燃料電池。

3)燃料電池能量分配模塊。在燃料電池輸出電能直接供給驅動電機時，根據(jù)動力電池SOC范圍，同時考慮整車故障等級、加速踏板開度、制動踏板開關狀態(tài)，最終確定燃料電池目標輸出功率。

4)上下電模塊。上電時，在整車Ready后，BMS溫度上升到其允許連續(xù)充電電流達到規(guī)定限值、動力電池SOC值≤75%、整車無三級故障時才允許開啟燃料電池系統(tǒng)及功率輸出；下電時，關閉燃料電池系統(tǒng)后整車下高壓。按故障模式區(qū)分，當燃料電池發(fā)生三級故障時，給燃料電池下高壓電；燃料電池發(fā)生三級A類故障，先給燃料電池下高壓，后給整車下高壓。

5)故障診斷與處理模塊。對動力電池、燃料電池、儲氫系統(tǒng)的故障狀態(tài)診斷及處理。

6)驅動/再生制動控制模塊。包括擋位管理、需求力矩解析、動力電池和燃料電池輸出功率的計算。

7)車輛狀態(tài)監(jiān)控與顯示模塊。包括動力電池、燃料電池、氫系統(tǒng)等的參數(shù)顯示。

2.2 混動控制策略

目前，燃料電池存在啟動時間較長、動態(tài)響應較差、制動能量無法回饋等缺點。城市客車運行車速相對較慢，急加速、急減速頻繁，載客量大，起步急加速時車輛動力系統(tǒng)要提供大功率運行。所以在混動模式時燃料電池和動力電池組成雙電源系統(tǒng)。此時控制策略為：車輛起步時，采用純動力電池驅動，車輛運行時采取電電混動的方式，以彌補燃料電池性能缺陷[5]，完成急加速、爬坡和復雜工況下對整車動力的合理輸出，并實現(xiàn)減速和制動過程中的能量回收。

行車中采取混動控制策略時，除了滿足前述2.1主控策略中有關能量分配原則外，還要根據(jù)動力電池SOC值進行氫燃料電池系統(tǒng)的控制[6]。具體為：①當動力電池SOC>75%，氫燃料電池不啟動，能量完全來自于動力電池；②當動力電池40%

2.3 整車安全策略

行駛中為防止駕駛員誤操作，在同時踩下加速和制動踏板時，整車策略優(yōu)先響應制動操作；車門未關閉時車輛禁止行車；車輛離開站臺時設置低速起步提示；在整車出現(xiàn)故障斷開高壓時，VCU控制轉向能力時間超過30 s，實現(xiàn)雙源(高低壓)轉向需求；整車策略支持駕駛員意圖，將電機輸出扭矩控制在安全范圍，實現(xiàn)擋位安全操作需要；行駛中拒絕從D擋(前進)切換R擋(倒車)操作；制動儲氣筒氣壓過低時車輛禁行；對模擬量和數(shù)字量制動踏板信號進行安全校驗，任一路制動信號失效制動系統(tǒng)均可響應制動需求。另外，在氫泄漏報警、高壓防護、過流保護、高壓互鎖等方面均有策略設計。

3 動力源計算及匹配

該電電混合客車的驅動電機參數(shù)計算及匹配與純電動客車的完全相同且方法已經(jīng)很成熟，本文不再介紹，僅介紹氫燃料電池和動力電池的計算和匹配。該車總的續(xù)駛里程參數(shù)要求是：燃料電池輸出功率時不低于400 km，純動力電池驅動時不低于100 km。輸出功率計算參照GB/T 18386—2017《電動汽車 能量消耗率和續(xù)駛里程 試驗方法》[7]，即在車輛載荷為滿載的50%，平均車速為40 km/h的整車功率需求。

3.1 燃料電池參數(shù)確定

1)以車輛需求的平均功率計算燃料電池輸出功率[8]。設車輛的平均車速為40 km/h，此時所需的功率為Pm1：

(1)

式中：η為機械傳動效率，0.92；f為滾動阻力系數(shù)，0.008 5；CD為風阻系數(shù)，0.65；A為迎風面積，8.8 m2；m為整車50%載荷，14 500 kg;g為重力加速度。

在混動模式下，燃料電池輸出功率應大于整車耗電功率，即燃料電池的額定功率Pfc1：

Pfc1=(Pm1/(ηmηmc)+Paux)/ηDC=27.86 kW

式中：ηDC為DC/DC變換器平均工作效率，0.96；ηm為電機效率，0.92；ηmc為電機控制器效率，0.99；Paux為輔助用電設施功率，取值5 kW。

2)根據(jù)最高車速V=69 km/h計算出由燃料電池提供全部能量(動力電池SOC≤40%時)的額定功率Pfc2：

依據(jù)上述計算結果，選定燃料電池的額定功率為Pfc=65 kW，工作電壓范圍142～305 V，額定電壓179 V、額定電流363 A。

3.2 動力電池計算及選型

1)在混動模式下，不允許燃料電池過載運行。動力電池的放電峰值功率應為驅動電機的峰值功率Pm2與燃料電池額定功率Pfc的差值[9]。經(jīng)計算Pm2=185 kW，則動力電池峰值功率Pb≥Pm2-Pfc=185-65=120 kW。采用磷酸鐵鋰電池，最大放電倍率為2 C。初步計算滿足混動模式時動力電池的電量為Eb1≥Pb/2=60 kW·h。

2)根據(jù)設計要求，在燃料電池不工作或因故障停機情況下，車輛在純動力電池驅動模式下行駛，其電量Eb2需滿足純電驅動的續(xù)駛里程要求：

①按照50%滿載，即m=14 500 kg，依據(jù)等速法V=40 km/h以純電驅動勻速持續(xù)行駛S=100 km計算Ebh：

Ebh=(Pm1·S/V)/(ηmηmc)=54.38 kW·h

式中：Pm1為式(1)計算結果，即Pm1=19.81 kW。

②低壓電器平均功率消耗Pl取值1 kW，其所消耗電量為Ebl：

Ebl=Pl·S/V=2.5 kW·h

③所需要的總電量為Eb2：

Eb2=(Ebh+Ebl)/ηb=59.87 kW·h

式中：ηb為動力電池效率，0.95。

3)根據(jù)上述計算結果，動力電池最終的總電量Eb≥max(Eb1，Eb2)=60 kW·h ?？紤]到動力電池實際使用過程的衰減因素及放電深度(按照80%計算)，則Eb≥60/0.8=75 kW·h。

對照配套商的產(chǎn)品系列，選取動力電池單體標稱電壓3.22 V，單體額定容量為130 Ah。根據(jù)驅動電機及控制器的電壓范圍，采用189節(jié)單體串聯(lián)方案，即電壓平臺為608.58 V，動力電池總電量Eb為79.12 kW·h。

3.3 升壓DC/DC參數(shù)確定

燃料電池具有工作電壓低，輸出電流大的特性，工作時需通過DC/DC升壓后與動力電池并聯(lián)輸出高壓電，共同為整車提供能源。升壓DC/DC的輸出電壓要滿足氫燃料電池系統(tǒng)高壓附件、動力電池及電機電壓等的要求。所以升壓DC/DC選型需綜合考慮燃料電池功率、動力電池電壓平臺，整車相關高壓部件功率、最大工作電流等參數(shù)。

結合前述計算結果，選取升壓DC/DC額定功率為70 kW(額定電壓690 V)，輸入電壓范圍120～400 V DC，輸入電流范圍0～450 A；輸出電壓范圍400～690 V DC，輸出電流范圍0～200 A。

3.4 空壓機選型

空壓機為電堆陰極提供一定壓力和流量的壓縮空氣，需滿足以下條件：能量轉化率高、無油、流量范圍寬、質量密度高、可靠性高、噪聲低。考慮到流通壓力損失和影響因素，一定流量的空氣經(jīng)由空壓機從壓力P0進行空氣絕熱壓縮到壓力P1所需要的理論功率為W：

W=F·CP·T·[(P1/P0)(k-1)/k-1]

式中：F為空氣流量，95 g/s；CP為比熱容，1.044 J/(g·k)；T為壓縮前空氣溫度，300 K；k為比熱容比，1.4。

考慮實際壓縮過程中等熵效率、機械效率、電氣效率等因素導致的功率損耗，一般空壓機綜合效率按照60%計算，本文確定空壓機的額定功率為W/0.6≈10 kW。

空氣經(jīng)壓縮后溫度升高，最高可達150 ℃以上，而燃料電池工作溫度在70 ℃左右，高溫空氣直接入堆，不但會導致電堆性能下降，還可能損壞電解質膜，因此壓縮空氣需經(jīng)過中冷器降溫。此外，空氣供給系統(tǒng)中的增濕器也是必不可少的部件，以用于對干燥空氣加濕從而保證電堆內(nèi)質子的傳輸，本文選用膜加濕的方法，讓陰極出口的干燥尾氣與加濕膜接觸、浸潤。

3.5 車載供氫系統(tǒng)選型

按照整車50%載荷即m=14 500 kg，時速V=40 km/h勻速行駛核算氫氣消耗量及氫瓶容量[10]。

1)單位時間氫氣消耗量mfcu：

mfcu=(Pm1+Paux)/(ηfcqfclηDC)=0.431 g/s

式中：ηfc為燃料電池堆效率，取0.5；qfcl為氫氣低熱值，約為120 kJ/g；Pm1為40 km/h勻速行駛時的需求功率，按式(1)計算得19.81 kW；Paux為輔助用電設施功率，取值5 kW。

2)僅氫系統(tǒng)工作時，車輛行駛S=400 km所需氫氣總質量為MH：

MH=mfcu·S/V·3 600=15 516 g

3)氫瓶容積[11]V。由壓縮系數(shù)法及理想氣體公式得車輛運行前后氫罐提供的氫氣質量為MHt。

MHt=mH·V/R[P1/(Z1T1)-P2/(Z2T2)]

式中：mH為氫氣摩爾質量，2.016 g/mol；R為理想氣體常數(shù)，8.314 J/(mol·K)；P1為氫氣初始壓強，35 MPa；T1為氫氣初始壓縮溫度，293 K；P2為氫氣終了壓強，2 MPa；T2為氫氣終了壓縮溫度，313 K；氫壓縮系數(shù)Z1、Z2按插入法取值分別為1.223 9和1.012 3。

令MHt=MH，可以計算出氫瓶總容積V≥700.9 L。

由上述計算結果，結合鋼瓶供應商的產(chǎn)品規(guī)格，鋼瓶總容積選取為725 L，由5個145 L、35 MPa的標準瓶組成。

4 結束語

通過采用電電混動模式，有效彌補了氫燃料電池的性能缺陷。為驗證設計的合理性，采用MATLAB/Simulink軟件對控制策略進行動力性和經(jīng)濟性仿真分析，結果表明均符合設計輸入要求。有關動力源的匹配計算過程可為氫燃料客車相關設計提供參考。