燃料電池轎車動力系統結構設計

盧 冶，干 頻，劉 奮

(上海汽車集團股份有限公司新能源汽車事業部，上海204801)

燃料電池汽車可以做到整車功率密度接近傳統汽車并且效率高，清潔無污染。然而，目前國內外燃料電池系統的應用成本、可靠性和使用壽命仍處開發優化期。設計燃料電池轎車動力系統結構，動力源如過度依賴燃料電池系統，則整車成本高、性能會受限，不利于大量應用。

動力源采用動力蓄電池和燃料電池雙電源組合、以動力蓄電池為主，降低燃料電池系統的功率，將大幅降低燃料電池轎車動力系統開發成本，并且整車使用壽命和可靠性提高;增加動力系統Plug-in外電網充電能力、利用充電的能量增加續駛里程會進一步提高燃料電池轎車的性能。

1 燃料電池轎車動力系統結構

1.1 燃料電池轎車動力系統結構的雙電源系統功率分配

目前，燃料電池轎車動力系統的電源一般由燃料電池和動力蓄電池兩種電源構成，以燃料電池系統為主要功率電源，其簡化結構如圖1。

圖1 動力系統結構Fig.1 The powertrain structure

圖1(a)、(b)的區別在于電源變換器的放置位置不同。假設燃料電池系統FCS的功率為1，動力蓄電池Battery的功率為其1/n(n為自然數)，DC/DC或雙向BDC電源變換器的效率為x。

經研究發現:①圖1(a)比圖1(b)的電源系統效率高;②由于以燃料電池系統的功率為主，致使動力系統總成本提高;③蓄電池的容量和功率雖小，但車輛對蓄電池的充放電倍率要求反而相對變大。

1.1.1 DC/DC配置在小功率電源側的動力系統結構具有較高的電源效率

假設圖1中燃料電池系統的功率為Pa(t)，蓄電池的功率為Pb(t)。動力系統輸出驅動功率時，母線上圖1(a)、(b)的電源功率總和(負載輸入)為:

電源效率為:

一般情況，DC/DC變換器的效率x=90% ～98%，則效率差值大于0。顯然，圖1(a)(DC/DC配置在小功率電源側的動力系統結構)的電源變換效率比圖1(b)高，隨結構中兩種電源功率分配差別的增大更明顯。

設DC/DC的效率值分別為x=1(理想值)，x=0.9 和 x=0.7，n=1 ～9(整數)，計算并繪出兩種結構電源效率值的對比趨勢如圖2。

效率差:

圖2 兩種動力系統結構的電源效率值對比Fig.2 Comparison between the power efficiency of the two powertrain structures

由圖2不難看出:①圖1(a)結構的效率高;②DC/DC效率越低，圖1(a)、(b)結構的效率差別越明顯;③DC/DC效率不變，電源功率分配值越大，圖1(a)效率越高。

1.1.2 蓄電池功率小易導致充放電倍率高

圖1動力系統結構在實際應用中，蓄電池的性能衰減較快，圖1(a)中因采用BDC，對蓄電池的充放電流保護，蓄電池性能衰減情況不明顯，但是對電源變換器的性能要求高，BDC成本也較高。分析圖1(b)的特點得知:受圖1結構限制，蓄電池功率在電源中所占比例小，造成蓄電池的充放電倍率比相差很大。

根據能量守恒定律，整車由驅動行駛轉為制動行駛過程中，需要將汽車的動能轉化為電能存儲在蓄電池中或者聯合機械制動裝置共同消耗。

不考慮機械制動和輔助功率消耗，當汽車運行于最大設計功率點的瞬間，所需功率由電源提供，其值為Pb0，根據公式(2)有:蓄電池放電功率Pb=。

為方便說明，假設此時電壓值U恒定，則蓄電池最大放電電流為:

在由驅動轉為電機再生制動運行的瞬間，系統母線上的最大瞬時功率為Pb0，只有被蓄電池單獨吸收(燃料電池系統的功率只能單向流動)。

最大充電功率為:

很明顯，蓄電池的最大充電電流是最大放電電流的(nx+1)倍。

燃料電池系統配電源變換器DC/DC作為主要電源的動力系統結構［圖1(b)］，其電源功率分配值變化所引起的蓄電池充電倍率改變規律如圖3。

蓄電池最大充電電流為:

圖3 不同動力系統電源分配值的蓄電池最大充電倍率規律Fig.3 Battery charging current trend-lines of the FCS with DC/DC powertrain varying with the powers’ratio

總之，燃料電池系統和DC/DC作為主要電源的動力系統，從結構分析結果看，不利于燃料電池轎車動力系統降低設計成本、延長使用壽命和提高運行安全。

1.2 燃料電池轎車動力系統設計原則

燃料電池轎車具有新能源、零排放的特征。然而，燃料電池系統目前的結構還比較復雜、成本很高，可靠性和壽命還有待繼續做深入的試驗和開發研究;蓄電池的技術和產業化開發也在發展過程當中。在實際應用時，必須根據具體情況，綜合考慮其性能、功率和體積密度、應用安全性、產品價格等因素以便擇優選用;驅動和輔助部分產品和方案種類較多，在確定零部件選用方案時，更應當在符合系統整體要求的前提下加以選擇以發揮其最優性能。所以，燃料電池轎車動力系統設計，應當遵循高效、經濟、高性能的設計原則。

良好的整車和動力系統性能，與零部件的高性能、動力系統優化匹配設計緊密相關。動力系統結構設計應當結合高效率、經濟性原則，發揮零部件的高性能，目標是通過所設計的動力系統使整車體現新能源汽車的所有優點。

1.3 Plug-in燃料電池轎車動力系統結構分析

如果選擇圖4的結構設計燃料電池轎車動力系統，能夠充分體現前述動力系統基本設計原則，該結構即為Plug-in燃料電池轎車動力系統結構。

圖4 PFCV動力系統結構簡圖Fig.4 Simplified diagram of the PFCV powertrain structure

圖4的燃料電池轎車動力系統結構與圖1(a)十分相似，只是其燃料電池系統和蓄電池電源的位置互相交換，即:

由前面動力系統結構的分析可見，該結構:①動力系統效率高;②蓄電池功率占比大，蓄電池最大充放電電流之比小(詳見2.2.2節，實際系統一般為機電聯合制動，限定最大制動功率值，蓄電池運行條件相對好);③DC/DC比BDC的成本低。另外，Plug-in燃料電池轎車的蓄電池可由外網和燃料電池系統充電，比傳統燃料電池轎車純電動行駛里程長，使用靈活，只要車載儲氫裝置存儲足夠的燃料，通過燃料電池系統，就能夠保證整車設計的續駛里程等。

2 動力系統結構設計應用——Plug-in燃料電池轎車動力系統設計

Plug-in燃料電池轎車的動力系統結構優于以往結構，因此工程化開發燃料電池轎車，其Plug-in動力系統結構則是必然之選。根據燃料電池轎主要應用于城市主干道，采取有針對性的設計［1］，一方面能夠發揮電動汽車低速性能好的特點，解決擁堵造成的車輛起停和排放問題;另一方面，適當匹配動力系統結構參數，很好地解決燃料電池轎車性能、應用和成本之間的矛盾。

具體的Plug-in燃料電池轎車動力系統結構如圖5。系統主要包括(儲氫系統未在圖中示出):①電源。燃料電池系統、DC/DC電源變換器、蓄電池和充電器;②驅動系統。電機和控制器、減速器(Reducer);③輔助系統。包括未在圖中示出的空調、各子系統輔助消耗和低壓系統等內容。

動力系統設計分析中，必須考慮Plug-in燃料電池電動轎車的輔助消耗。

圖5 PFCV動力系統結構Fig.5 Powertrain structure of the given PFCV

2.1 動力系統設計分析原理

首先將圖5的PFCV動力系統結構在直流母線上簡化為圖6所示結構［2－9］(可對比參考圖4)。

圖6 PFCV動力系統簡化母線功率平衡示意Fig.6 Diagram of the PFCV power flow balancing in BUS

由圖6和能量守恒定律可知，任意時刻動力系統直流母線處:

假設燃料電池系統、蓄電池向負載輸出功率時，數值為正，輸入功率時，數值為負。

穩態時，動力系統母線上的功率平衡關系為:

公式(10)可在應用中分別按照驅動、制動模式連續和最大功率平衡要求，設計有關參數。

2.2 Plug-in燃料電池轎車動力系統參數設計

按照top-down設計原則，動力系統參數設計首先根據整車動力性能指標要求，選取動力系統和主要零部件參數［10］。但在工程化開發過程中，還必須根據仿真和試驗測試結果反復驗證，逐步改進優化。

圖7表示滿足整車指標要求的動力系統連續和最大的轉矩、功率、車速值。一般情況，整車動力性指標要求與圖7所示動力系統性能曲線相對應。

圖7 PFCV動力系統性能要求Fig.7 Dynamic performance requirements for PFCV powertrain

表1為Plug-in燃料電池轎車根據應用要求設計的整車動力性能指標。

表1 Plug-in燃料電池轎車動力性能參數Table 1 Performance data of the Plug-in Fuel Cell Vehicle

Plug-in燃料電池轎車動力系統參數設計的內容主要是動力系統及主要零部件參數設計和動力系統電源能量及功率分配設計兩個部分。

2.2.1 動力系統主要參數設計

Plug-in燃料電池轎車主要在城市主干道應用。首先要根據該城市的工況仿真結果及功能樣車輪轂試驗測試的經驗數據，得到車輪上所需連續、最大驅動功率和制動功率值P3'。經實測和仿真分析校核，滿足要求的連續驅動和制動功率以及最大驅動和制動功率分別為11，－11，53，－38 kW。

按高效率、經濟性和高性能相結合的原則，設計傳動系統電機、減速器等零部件的結構，確定性能參數，然后，將P3'換算至動力系統直流母線上變成P3。

2.2.2 電源能量分配設計

同樣根據動力系統設計原則，設計電源能量分配。參考式(8)，對應于最大驅動和制動功率，電源總功率應滿足:

綜合分析產品的性能和成本，設計n=2.4并分配蓄電池和燃料電池系統的電源功率，并根據整車動力系統性能要求，確定適當的蓄電池容量。

以動力系統驅動運行模式為例(制動模式同理)，設計蓄電池的最大輸出功率60 kW，保證整車具有32 km的EV續駛里程;燃料電池系統的最大輸出功率為25 kW，與蓄電池配合，實現HEV運行模式，達到整車續駛里程240 km。百公里最小加速時間小于15 s的要求。

另外，假設只利用再生制動回收汽車的能量，DC/DC的效率為0.96，忽略蓄電池電壓變化，蓄電池最大充電與放電電流的比例僅為1.37。

2.3 Plug-in燃料電池轎車動力系統及整車動力性能仿真和測試

對于所設計Plug-in燃料電池轎車動力系統，利用ADVISOR軟件，按某城市循環工況、NEDC工況，進行動力性能仿真;改變燃料電池系統和蓄電池的功率和能量比例，仿真校核動力系統的能量分配結果。

Plug-in燃料電池轎車功能和工程化開發期間，還在動力系統測試平臺進行動力系統和整車動力性能測試，以驗證所設計的燃料電池轎車動力系統的功能和控制性能。測試結果表明:動力系統滿足設計要求，燃料電池轎車動力系統結構分析設計方法正確。

Plug-in燃料電池轎車整車經由第3方按照國際和國家標準，進行包括Plug-in燃料電池轎車動力性試驗、燃料經濟性試驗、制動性試驗和整車道路試驗在內的一系列嚴格檢測，順利通過公告認證。

3 結論

燃料電池轎車動力系統結構設計，應著重考慮燃料電池系統、蓄電池的技術成熟度、產品的成本和可靠性等要素，在動力系統匹配設計時按照效率、成本和性能優先的原則，綜合考慮以確定架構。對比以往燃料電池轎車動力系統結構，實際DC/DC產品在動力系統中所處位置不同，會導致動力系統效率、蓄電池使用要求變化。在Plug-in燃料電池轎車動力系統工程化開發實例中，應用具有效率較高、蓄電池控制簡便、成本適宜的燃料電池動力系統結構并發揮PFCV的其它優點，貫徹動力系統設計原則，實踐動力系統結構設計和參數設計方法以及燃料電池系統和蓄電池的能量分配設計方法。仿真結果和整車檢驗證明Plug-in燃料電池轎車動力性能較好、可靠性較高，整車和動力系統價格合理，設計分析方法實用、正確。

該系統設計分析方法也可用于串聯混合動力、多動力源新能源汽車動力系統的設計和分析。

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