燃料電池公交車電源配置生命周期評價優化

朱 昊， 余卓平

(同濟大學 汽車學院，上海 200092)

在市場的強烈拉動和各級政府的大力推動下，我國新能源客車產銷量增長迅猛，2017年新能源公交車的銷量超過7.6萬輛[1].作為新能源公交車未來重要的發展方向之一，燃料電池公交車已在世界上越來越多的城市中進行了示范運營和推廣.

燃料電池公交車的電源系統，目前主流的設計方案是采用燃料電池系統與動力電池組配置在一起組成“電-電”混合配置方案.若將燃料電池發動機額定功率與車載電源系統峰值總功率的比值定義為電源分配系數，用β表示.當β=0時，即燃料電池發動機功率為零，表示車輛為純電動公交車；當β=1時，表示車輛為純燃料電池公交車；當0<β<1時，表示車輛為“電-電”混合的燃料電池公交車.但是β值該如何選取目前還沒有統一的設計方案.國內外不少學者對燃料電池汽車的電源配置進行了分析研究.文獻[2-3]依據已有的性能指標，對燃料電池汽車進行了動力系統匹配.文獻[4]考慮了燃料經濟性和使用成本對電源配置的影響，對燃料電池汽車的電源分別進行了匹配.文獻[5-8]基于行駛工況的功率需求和能量需求對燃料電池汽車的電源配置進行了分析. 可見，目前國內外已有的相關研究僅考慮了車輛行駛過程中的動力性和燃料經濟性，沒有考慮車用燃料生產、車輛及零部件生產、維護等階段過程中的能耗和排放問題.這些階段過程中的能耗與排放也會直接影響到燃料電池公交車的節能減排效果，因此需要從全生命周期角度對燃料電池公交車電源配置方案進行深入分析和優化.

本文基于生命周期評價方法(life cycle assessment, LCA)，計算分析燃料電池公交車生命周期內各個階段的能耗和排放，并采用遺傳算法計算求解在能耗最低和排放最少目標下的燃料電池公交車最優電源配置方案.

1 燃料電池公交車LCA模型建立

汽車的生命周期評價涵蓋2個部分，一是燃料周期，也被稱為油井到車輪周期(well to wheel, WTW)，包括了車用燃料生產階段和車輛行駛階段；二是車輛周期，包括了關鍵零部件及車身主體的生產裝配、運輸分配、維護保養和回收報廢等階段.2個周期內的能耗與排放共同構成了汽車生命周期內的總能耗和對環境的綜合影響量.

在分析燃料電池公交車生命周期各階段時，只考慮與研究對象直接相關的環境影響，而間接相關的環境影響(例如工廠建設、基礎設施建設、機器設備制造等)則不在本文的研究范圍內.燃料電池公交車生命周期系統邊界如圖1所示.

圖1 燃料電池公交車生命周期系統邊界

研究過程以車輛在道路上行駛1 km作為評價的功能單位，以車輛行駛1 km的能源消耗(MJ·km-1)、溫室氣體排放和常規氣體污染物排放(g·km-1)這三方面作為研究燃料電池公交車生命周期內的能耗和對環境影響的評價指標.

1.1 燃料周期

燃料周期又可細分為2個階段，一是車用燃料生產階段，即油井到油泵(well to pump, WTP)階段，包括了一次能源生產、運輸和存儲、車用燃料的生產、運輸、存儲和加注；二是車輛行駛階段，即油泵到車輪(pump to wheel, PTW)階段，該階段主要表現為車輛行駛過程中的能量轉換.

1.1.1WTP階段

燃料電池公交車所涉及的車用燃料主要為電能和氫氣.在計算電能生產的生命周期能耗和排放時，以2015年國家電力結構為基準.當年全國發電量為58 145.7億千瓦時，其中火電占73.68%、水電占19.44%、核電占2.94%、風電占3.19%.輸配電損失率為5.14%[9].在計算氫氣生產的生命周期能耗和排放時，采用的制氫方式為利用工業副產物富氫氣體通過變壓吸附工藝來獲得氫氣[10]，制氫效率為70%[11].工廠生產出的氫氣通過長管拖車運送到加氫站，模型中運輸距離按100 km計算，壓縮機的壓縮效率為92.5%[12].其他一次能源(煤炭、石油、天然氣)的開采、加工、運輸和車用燃料(汽油、柴油)的生產、運輸等數據均來源于國家統計局、國家交通運輸部發布的相關數據以及文獻[13].

1.1.2PTW階段

燃料電池公交車在行駛過程中排放的溫室氣體和常規氣體污染物為零，而行駛過程中電能與氫氣的消耗量則需要根據電源配置仿真計算得到.

1.2 車輛周期

車輛周期包含車身主體生產、車載電池的生產、車用流體生產、車輛裝配、車輛維護和車輛報廢6個階段.

1.2.1車身主體生產

在評價車身主體生產過程中的能耗和排放時，考慮的原材料包括鋼、鐵、鋁、銅、鎂、塑料、橡膠、玻璃和油漆等.各主要原材料生產過程中的能耗和排放數據來自于GREET軟件數據庫，但考慮到我國在鋼鐵和鋁的生產工藝上與美國有較大差距，能耗比美國高60%[14]，所以在GREET軟件數據的基礎上重新進行了計算調整.

1.2.2車載電池生產

在評價中涉及的車載電池包括啟動電池(12 V鉛酸電池)、動力電池(鋰離子電池)和燃料電池.3種電池的主要原材料及其生產過程中的能耗和排放數據來自于文獻[15-16]和GREET軟件數據庫.假設3種電池裝配時的能耗強度相同，均為2.67 MJ·kg-1，且工藝燃料均為電能[17].

1.2.3車用流體生產

在評價車用流體生產過程中的能耗和排放時，主要考慮了制動液、變速箱液、冷卻液、雨刷液和車用添加劑.各類車用流體的生產過程能耗和排放數據來自于文獻[18]和GREET軟件數據庫.

1.2.4車輛裝配

針對城市公交車輛在整車廠內裝配過程中產生的能耗和排放，主要考慮車身油漆生產、油漆噴涂、車身焊接、零部件裝配、物料輸配和車間供暖照明等過程.相關數據來自于文獻[19]和GREET軟件數據庫.

1.2.5車輛維護

按照《機動車強制報廢標準規定》[20]，假設燃料電池公交車的行駛壽命為40萬km.根據國家標準《汽車維護、檢測、診斷技術規范》[21]，假設每1.5萬km更換一次變速箱液和雨刷液，每5萬km更換一次制動液、冷卻液和輪胎.同時，考慮到我國目前純電動公交車的實際運營情況，結合文獻[22]，假設在燃料電池公交車的行駛壽命內燃料電池需更換1次、動力電池需更換2次、啟動電池需更換3次.

1.2.6車輛報廢

車輛報廢包括車身拆解和車載電池報廢2個過程.車身拆解的單位能耗為0.55 MJ·kg-1[22].假設3種電池的報廢單位能耗相同，均為31 MJ·kg-1[23].

在以上對燃料電池公交車各階段的分析基礎上，建立全生命周期能耗與排放的評價模型，如公式(1)～(4)所示：

Etotal=Efc(h)+Efc(e)+Evc

(1)

Efc(h)=Ewtp(h)+Eptw(h)

(2)

Efc(e)=Ewtp(e)+Eptw(e)

(3)

(4)

式中：Etotal為燃料電池公交車全生命周期能耗與排放；Efc(h)和Efc(e)分別為氫氣和電能在燃料周期的能耗與排放；Evc為燃料電池公交車在車輛周期的能耗與排放；Ewtp(h)和Ewtp(e)分別為氫氣和電能在WTP階段的能耗與排放；Eptw(h)和Eptw(e)分別為氫氣和電能在PTW階段的能耗與排放；Evi為第i個車輛周期各階段的能耗與排放，其中下標1為車身主體生產、2為車載電池生產、3為車用流體生產、4為車輛裝配、5為車輛維護、6為車輛報廢.

2 不同電源配置下的燃料電池公交車LCA分析

以整車整備質量為10 800 kg的12 m城市公交車為例，選取了3種不同的電源配置方案來分析燃料電池公交車生命周期能耗與排放.分析中以中國典型城市公交循環工況作為燃料電池公交車的目標運行工況，該工況的最大驅動功率需求為157.6 kW，平均驅動功率需求為30.4 kW.假設有20%[24]的制動能量被成功回收，車輛每日行駛250 km，則總能量需求為230 kWh.選取的3種電源配置方案分別為：方案1，燃料電池系統功率為零，即純電動公交車(β=0)方案；方案2，小功率燃料電池系統搭配中等容量動力電池組(β≈0.33)方案；方案3，大功率燃料電池系統搭配小容量動力電池組(β≈1.00)方案.3種方案的電源配置情況見表1.

表1 燃料電池公交車3種電源配置方案

假設不同電源配置的燃料電池公交車除了電源系統外，其他例如車身質量、電機質量和車用流體質量等均相同.動力電池的比能量為115 Wh·kg-1[25]，燃料電池系統的比功率為400 W·kg-1[25],因此整車整備質量的計算如式(5)所示.

(5)

式中：mv為整車整備質量，kg；mb為除電源系統外的整車質量，kg；Ebat為動力電池組的能量，kWh；Pfc為燃料電池系統額定功率，kW.

3種電源配置方案的燃料電池公交車生命周期能耗和排放的計算結果如圖2、圖3和圖4所示.

圖2 3種電源配置方案的生命周期能耗

Fig.2Lifecycleenergyconsumptionforthreeschemesofpowersourceconfiguration

從圖2和圖3中可以發現，采用方案2的燃料電池公交車，其生命周期能耗和生命周期溫室氣體排放量在3種電源配置方案中都是最低，分別為17.45 MJ·km-1和1 465.61 g·km-1.方案1的生命周期能耗和溫室氣體排放量在3種電源配置方案中最高，分別達到21.44 MJ·km-1和1 915.81 g·km-1.同時可以發現，燃料周期的能耗在全生命周期的能耗中比重占到80%以上.

圖3 3種電源配置方案的生命周期溫室氣體排放

Fig.3Lifecyclegreenhousegasemissionsforthreeschemesofpowersourceconfiguration

從圖4可見，方案2在常規氣體污染物排放量上略微高于方案3的電源配置方案，主要是因為方案2在行駛過程中電能消耗較高，基于中國電力結構中火電比重大，因此在硫化物的排放量上較大.

圖4 3種電源配置方案的生命周期常規氣體污染物排放

Fig.4Lifecycleconventionalgaspollutantemissionsforthreeschemesofpowersourceconfiguration

從3種電源配置方案的生命周期能耗和排放結果的變化趨勢上可以看出，在0<β<1的范圍內，存在最優電源配置方案，且該方案的生命周期能耗最低、排放最少.

3 燃料電池公交車電源配置優化

采用遺傳算法，以燃料電池公交車全生命周期內能耗最低和排放最少為優化目標，來計算求解燃料電池公交車的最優電源配置方案.

在Matlab/Simulink軟件中建立遺傳算法優化模型.設定的遺傳算法約束條件有3個，分別是①燃料電池系統額定功率選取范圍為10 kW～150 kW；②動力電池組的能量選取范圍為10 kWh～200 kWh；③燃料電池系統功率與動力電池組功率之和滿足工況最大功率需求.

設定了2個車輛行駛場景，分別是車輛空載且空調關閉、車輛滿載且空調開啟，優化計算結果見表2.

由表2可以發現，在2個優化目標下得到的優化計算結果非常接近，主要是因為電能和氫氣生產路徑較為單一，且能耗和排放本身就具有一定的關聯性.因此，最終選取燃料電池系統功率71 kW搭配43 kWh的動力電池組作為燃料電池公交車的最優電源配置方案，在最優配置方案下β=0.62.

表2 燃料電池公交車電源配置優化結果

通過燃料電池公交車LCA模型計算，最優電源配置方案的燃料電池公交車生命周期能耗為16.11 MJ·km-1，比方案1降低了24.86%，比方案3降低了12.11%；生命周期溫室氣體排放量為1 422.33 g·km-1，比方案1降低了25.76%，比方案3降低了6.51%.

4 結論

基于生命周期能耗與排放，對不同電源配置的燃料電池公交車進行評價分析，并通過遺傳算法優化得到最優電源配置方案，結論如下：

(1)燃料周期在全生命周期中的比重超過80%，電能和氫氣的生產方式、生產工藝及生產過程中的能耗和排放對燃料電池公交車電源配置的選取有較大影響.

(2)根據工況功率需求得到的燃料電池公交車電源配置方案并不是最優，通過生命周期分析發現在0<β<1內存在最優電源配置方案.

(3)利用遺傳算法得到在中國典型城市公交循環工況下的最優電源配置方案為，燃料電池系統71 kW搭配43 kWh的動力電池組，此時β=0.62.

(4)最優電源配置方案的燃料電池公交車生命周期能耗和排放比純電動公交車分別降低了24.86%和25.76%，比大功率燃料電池系統方案的燃料電池公交車分別降低了12.11%和6.51%.