孫瑞曉

（金龍聯(lián)合汽車工業(yè)（蘇州）有限公司，江蘇 蘇州 215000）

2022年3月，我國(guó)首個(gè)國(guó)家層面的氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長(zhǎng)期規(guī)劃《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長(zhǎng)期規(guī)劃（2021—2035年）》發(fā)布，要求燃料電池汽車的保有量在2025年要達(dá)到五萬輛，在國(guó)家政策保障下，燃料電池汽車特別是自卸汽車等運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景具有很大的潛力。

本文在深入研究目前氫燃料電池、儲(chǔ)氫系統(tǒng)、電機(jī)、電池動(dòng)力系統(tǒng)相關(guān)部件的性能和成本的基礎(chǔ)上，考慮車輛使用場(chǎng)景，運(yùn)用Cruise軟件建立整車仿真計(jì)算模型，對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)部件進(jìn)行參數(shù)確定和選型，并進(jìn)行了動(dòng)力系統(tǒng)的布置。

1 整車總體設(shè)計(jì)方案

1.1 總體設(shè)計(jì)要求

主要針對(duì)城市建筑工地開發(fā)31 t氫燃料電池自卸汽車，采用8×4驅(qū)動(dòng)形式，建筑工地道路復(fù)雜，坑多，彎多，濕滑，且坡度大，對(duì)車輛綜合性能要求很高，目前加氫站距離作業(yè)地點(diǎn)較遠(yuǎn)，卸貨距離按單程40 km，每日來回3班計(jì)算。

總體設(shè)計(jì)需滿足以下要求：

（1）設(shè)計(jì)最高車速≥85 km/h，限速85 km/h；最大爬坡度≥50%；

（2）綜合續(xù)航里程大于250 km～300 km；

（3）考慮自卸車使用環(huán)境惡劣，部件特別是電器件布置盡可能離地距離超過1 m，1 m以內(nèi)的部件需考慮防水問題；

（4）整車運(yùn)營(yíng)時(shí)一般限速60 km/h，常用車速為30 km/h～50 km/h，新能源動(dòng)力系統(tǒng)匹配時(shí)考慮此車速區(qū)間內(nèi)的整車經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性；

（5）提高整車可靠性、安全性。

1.2 主要技術(shù)參數(shù)

根據(jù)使用場(chǎng)景及整車設(shè)計(jì)要求，31 t氫燃料電池自卸汽車整車主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

2 動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配

2.1 動(dòng)力系統(tǒng)基本構(gòu)型及能量控制策略

基于目前燃料電池反應(yīng)堆額定功率、響應(yīng)速度，電池充放電倍率等因素，研究車輛燃料電池動(dòng)力構(gòu)型如圖1所示，采用了電電混合高壓系統(tǒng)，系統(tǒng)主要包括氫燃料電池系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)及電機(jī)控制器、電池及電池管理系統(tǒng)、電動(dòng)真空泵、直流轉(zhuǎn)直流（DC/DC）轉(zhuǎn)換器、電動(dòng)空調(diào)、助力轉(zhuǎn)向泵、電除霜、電機(jī)冷卻液泵和整車控制器組成，動(dòng)力源由動(dòng)力電池系統(tǒng)提供，整車控制器通過識(shí)別車輛狀態(tài)信息及駕駛員操作意圖，控制電機(jī)及電動(dòng)附件實(shí)現(xiàn)車輛加減速、制動(dòng)、轉(zhuǎn)向等車輛運(yùn)行。

車輛能量控制的策略核心思路為減少燃料電 池功率調(diào)節(jié)頻率，減少開關(guān)機(jī)頻率，動(dòng)力電池盡量工作在高壽命區(qū)間，同時(shí)需要考慮電池的充放電倍率區(qū)間及電池溫度與充放電倍率的關(guān)系，目前電池的荷電狀態(tài)（State of Charge, SOC）控制循環(huán)如圖2所示。

當(dāng)SOC在0%～50% 時(shí)，燃料電池目標(biāo)功率為60 kW，15%的滯回處理；當(dāng)SOC在50%～60%時(shí)， 燃料電池目標(biāo)功率為30 kW或60 kW，滯回區(qū)間；當(dāng)SOC 在65%～85%時(shí)，燃料電池目標(biāo)功率為30 kW，15%的滯回處理；當(dāng)SOC 在85%～95%時(shí)，燃料電池目標(biāo)功率為10 kW或30 kW，滯回區(qū)間；當(dāng)SOC＞95%時(shí)，燃料電池關(guān)機(jī)。

2.2 電機(jī)選型及后橋速比匹配

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，選擇AB兩款電機(jī)進(jìn)行計(jì)算，其電機(jī)參數(shù)對(duì)比如表2所示?？紤]后橋供應(yīng)商能提供的速比，初選后橋速比為5.92和6.73。利用AVL Cruise軟件，搭建車輛的經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性仿真模型，如圖3所示，整車總質(zhì)量按3.5×10kg和超載5×10kg分別計(jì)算，仿真對(duì)比結(jié)果如表3所示，最大爬坡度按電機(jī)轉(zhuǎn)矩計(jì)算，未考慮輪胎打滑和其他新能源部件功率問題。

綜合考慮動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、電機(jī)成本，最終電機(jī)選用A型永磁同步電機(jī)，匹配6.73速比。

2.3 動(dòng)力電池參數(shù)匹配

根據(jù)2.2仿真計(jì)算結(jié)果，車速為20 km/h，坡度為18%時(shí)所需功率最大，為357 kW。考慮車輛的通過性和整車布置，只能安裝4箱動(dòng)力電池，結(jié)合動(dòng)力電池廠家提供的電池型號(hào)，單回路電池組最大系統(tǒng)功率無法滿足整車需要。從現(xiàn)有產(chǎn)品中選擇，滿足4箱安裝空間，電量符合，功率性滿足，初選兩組電池方案162 kWh和100.91 kWh。

純電動(dòng)模式下電池電量決定續(xù)航里程，根據(jù)使用工況，需滿足SOC為60%，續(xù)駛里程大于50 km。

式中，為純電動(dòng)模式下最低電池電量；為每公量耗電量，取值1.70 kWh/km。

根據(jù)整車對(duì)峰值電源放電功率和續(xù)航要求，確定動(dòng)力電池參數(shù)如表4所示。

2.4 氫燃料電池及供氫系統(tǒng)匹配

氫燃料電池自卸汽車在穩(wěn)定時(shí)速行駛時(shí)，氫燃料電池提供驅(qū)動(dòng)力則能耗較低，本車選用氫燃料電池額定輸出功率為113 kW，工作環(huán)境溫度范圍為-30℃～45 ℃，設(shè)計(jì)壽命大于1 000 h。

氫能電能轉(zhuǎn)化率可以根據(jù)氫燃料電池電堆運(yùn)行效率確定為

式中，為氫耗與電耗轉(zhuǎn)化率；等于1.2×10kJ/kg（H的低位熱值）；為燃料電池電堆效率。此車匹配的燃料電池電堆效率為50%，得出為

16.6 kWh/kg。

根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果，百公時(shí)電耗為241.72 kWh，根據(jù)整車?yán)m(xù)駛里程要求及氫耗電耗轉(zhuǎn)化率，可以計(jì)算出整車載氫量至少為45.56 kg，一般氫瓶的壓力為35 MPa，確定采用9個(gè)210 L氫瓶。

3 動(dòng)力系統(tǒng)布置

氫燃料電池自卸汽車底盤布置難點(diǎn)在新能源相關(guān)部件，主要包括氫燃料電池系統(tǒng)、儲(chǔ)氫系統(tǒng)、動(dòng)力電池、電機(jī)、電控系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)（Auto Temperature Control System, ATS）、打氣泵、電池空調(diào)的布置，將以上系統(tǒng)按功能及布置位置劃分為五大模塊，如圖4所示，包括（1）駕駛室下方的氫燃料電池模塊；（2）駕駛室后方布置儲(chǔ)氫及控制模塊；（3）二三軸間車架兩側(cè)布置分裝模塊；（4）電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊；（5）傳統(tǒng)底盤部件。

本車總布置方案是在31 t氫燃料自卸汽車底盤上實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)。合理利用底盤空間，燃料電池布置在原發(fā)動(dòng)機(jī)位置，底盤更改量小。各模塊互相獨(dú)立，可便于快速拓展到其他車型。儲(chǔ)氫系統(tǒng)布置在駕駛室后方，使用儲(chǔ)氫總量達(dá)到9×210 L，且便于拓展其它品牌結(jié)構(gòu)的氫瓶。動(dòng)力電池在氫瓶下方布置兩塊電池、二三軸之間右側(cè)布置兩塊電池，使動(dòng)力電池的總?cè)萘窟_(dá)到162 kWh。電機(jī)冷卻系統(tǒng)、打氣泵、電池冷卻系統(tǒng)布置在二三軸左側(cè)形成模塊，可以提前分裝，提高生產(chǎn)制造效率。動(dòng)力系統(tǒng)采用中置后驅(qū)方式，驅(qū)動(dòng)電機(jī)布置在二三軸之間，車架中間，傳動(dòng)軸與后橋連接。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)31 t氫燃料電池自卸汽車設(shè)計(jì)尚無成熟方案，綜合考慮整車使用場(chǎng)景及整車性能指標(biāo)，兼顧相關(guān)部件的性能和成本。本文介紹了氫燃料電池自卸汽車總體設(shè)計(jì)方案，動(dòng)力系統(tǒng)匹配設(shè)計(jì)包括控制系統(tǒng)組成架構(gòu)、電機(jī)及速比選型、動(dòng)力電池選型、氫燃料電池及供氫系統(tǒng)匹配，動(dòng)力系統(tǒng)布置。