某B級燃料電池電動汽車匹配設計研究

楊 坤，王 杰，肖軍生，白國軍，田昭賢，李 敏

（1.山東理工大學 交通與車輛工程學院，山東，淄博 255049；2.一汽轎車股份有限公司，長春 130012；3.廣東省珠海市質量計量監督檢測所，廣東，珠海 519060）

燃料電池電動汽車因具有零排放、效率高、能源可再生、多元化等優點，成為全球各大汽車公司的研究熱點[1-3]。自20世紀80年代起，奔馳、豐田、本田、通用等汽車公司對燃料電池電動汽車進行了近40年的研究，其整車性能和可靠性已與傳統汽車相當，正處于產業化前期[4-6]，當前部分國家已開始進入技術與市場示范階段，重點在于完善基礎設施建設，建立區域性綜合加氫網絡[7]。近年來，中國政府、國內各大汽車公司和科研機構也開始關注燃料電池電動汽車的研究與開發[8-9]，但相關的匹配設計技術尚不完善。本研究基于傳統汽車設計流程和燃料電池電動汽車的特點，在對標國外主流燃料電池電動汽車技術的基礎上提出了燃料電池電動汽車的匹配設計流程；基于燃料電池特性對可用構型從整車性能和功能方面進行了對比分析，并提出了關鍵總成匹配方法；基于Matlab/Simulink搭建了燃料電池電動汽車模型及能量管理策略，從整車總布置和性能仿真方面對燃料電池電動汽車匹配設計的可行性進行了分析驗證。

1 燃料電池電動汽車的工作原理

燃料電池電動汽車是指由電動機驅動，由燃料電池提供部分或全部電能的新能源汽車[10]，主要由電機系統、燃料電池系統、儲氫系統、整車控制器（VCU）、燃料電池控制器（FC-ECU）、蓄電池、電池管理系統（BMS）等組成，如圖1所示。與常規電動汽車類似，燃料電池電動汽車的動力源為電機，整車控制器根據駕駛員需求，控制電機轉矩的大小，從而驅動整車運動；與常規電動汽車的不同之處在于，常規電動汽車的能量源為蓄電池，而燃料電池電動汽車為燃料電池或燃料電池和蓄電池的組合。燃料電池以氫氣和空氣為燃料，在燃料電池堆中通過電化學反應產生電流，通過DC/DC逆變器實現與蓄電池的耦合，共同為電機供電，從而實現整車驅動。燃料電池控制器根據VCU的控制指令，控制輸入燃料電池的氫氣和空氣的流量，從而實現對燃料電池輸出電流的控制。

圖1 燃料電池電動汽車工作原理

2 燃料電池電動汽車構型設計流程

目前，國內燃料電池電動汽車尚處于研發階段，相應的關鍵技術也處于探索階段，因此，本文基于成熟的傳統汽車設計開發流程，提出了如圖2所示的燃料電池電動汽車匹配設計流程。

圖2 燃料電池電動汽車匹配設計流程

由于目前國內在研發燃料電池電動汽車方面可借鑒的經驗較少，所以設計前期的工作步驟如下：（1）針對國外成熟的燃料電池電動汽車開展對標分析，為燃料電池電動汽車的開發提供參考，并確定合適的燃料電池電動汽車動力構型。（2）根據關鍵總成的技術現狀，確定包括動力性、經濟性、前后軸最大允許軸荷在內的燃料電池電動汽車的關鍵指標；基于整車性能指標，通過計算初步確定關鍵部件參數，并根據相應參數及可用資源選擇可用部件；基于選定的電機、電池、燃料電池等部件，進行總布置設計，以確定總布置的合理性，此時需要重點關注儲氫系統的布置方案。（3）根據總布置確定的整車參數，通過搭建仿真模型，對整車性能進行驗證。

3 燃料電池電動汽車構型方案選擇

3.1 燃料電池電動汽車對標分析

根據本研究提出的燃料電池電動汽車設計流程，首先對奔馳、豐田、本田、通用、現代等具備量產能力的燃料電池電動汽車的性能及關鍵部件進行對標分析，并得出以下對后續開發具有指導意義的結論：（1）燃料電池類型均采用質子交換膜燃料電池（PEMFC）。（2）儲氫系統采用高壓氣態儲氫。（3）整車構型均采用電電混合方案。（4）最高車速、續駛里程、冷啟動溫度等整車性能與傳統汽車接近。

3.2 燃料電池選型及特性

根據電解質的不同，燃料電池可分為質子交換膜燃料電池、堿性燃料電池、磷酸燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池、固體氧化物燃料電池[11]，其中PEMFC具有啟動時間短、比功率高、單位面積功率高、工作效率高、工作溫度適合車用等優點，因此，結合對標結果，本研究選用PEMFC。

燃料電池特性是合理使用燃料電池發動機、設計燃料電池電動汽車動力系統構型、開發整車控制系統的基礎。與其它能量源相比，PEMFC具有很高的能量密度，而其功率密度卻較小[11]，如圖3所示。因此，為了獲得較長的續駛里程和整車動力性，一般采用與蓄電池耦合的供電方式。

圖3 PEMFC特性1

由圖4可知，燃料電池的最佳運行區在中負荷區；當負荷較小（輕載區）時，由于空氣壓縮機等附件的寄生功率較大，所以系統總體效率較低；當負荷較大（重載區）時，雖然凈功率密度較大，但所需燃料及空氣量較大，其系統效率下降較快，又由于存在濃度損失，所以電壓下降較快。同時，燃料電池在重載區工作對其使用壽命影響較大[11]。因此，為了延長燃料電池的使用壽命，需要將燃料電池盡量控制在中負荷區工作。

圖4 PEMFC特性2

3.3 燃料電池電動汽車動力系統構型方案選擇

圖5 燃料電池電動汽車動力構型可行方案

根據整車供能系統的不同組合，燃料電池電動汽車動力系統目前有4種可行構型，如圖5所示。本研究基于圖3和圖4所示的燃料電池特性，從整車動力性、整車續駛里程、制動能量回收功能、燃料電池壽命、整車啟動速度等方面對4種構型進行了對比分析，結果見表1，表中“×”表示缺點，“√”表示優點。

表1 燃料電池電動汽車構型方案對比表

方案1和方案2以燃料電池作為唯一能量源，這需要由燃料電池獨自滿足整車功率需求，而燃料電池本身功率密度較低，會導致整車動力性弱、燃料電池壽命短、整車啟動速度慢等問題，且無法實現制動能量回收功能，整車續駛里程相對較短。方案3以燃料電池和蓄電池作為能量源，通過DC/DC調節蓄電池電壓以跟蹤燃料電池電壓變化，由燃料電池的工作特性可知，其電壓隨負載變化大，且不穩定，這會導致燃料電池壽命較短。方案4也以燃料電池和蓄電池作為能量源，通過DC/DC調節燃料電池發動機輸出電壓，以跟蹤蓄電池電壓，通過燃料電池與蓄電池的組合共同滿足整車功率需求，因此，整車啟動速度快、動力性強，可實現制動能量回收功能，續駛里程長，燃料電池可穩定工作在中負荷區域，燃料電池壽命長，同時該方案可減少燃料電池需求功率，從而降低整車成本，更易實現商業化。因此，本研究選用方案4。

4 燃料電池電動汽車參數匹配

根據圖2所示的燃料電池電動汽車匹配設計流程，明確燃料電池電動汽車構型后，需要根據表2所示的整車性能指標完成關鍵總成參數匹配，并根據總成資源確定關鍵總成。

4.1 燃料電池電動汽車動力系統參數匹配

燃料電池電動汽車只有一個動力源，因此，其動力系統參數的匹配主要是確定動力電機的參數，以便選擇合適的電機。相關參數包括峰值功率、額定功率、峰值轉矩、額定轉矩、最高轉速等，確定方法如下[12]。

表2 燃料電池電動汽車整車性能指標

4.1.1 電機峰值功率

電機峰值功率由最高車速、最大爬坡度、百公里加速時間確定。

式中：Pmax1為根據最高車速確定的電機峰值功率，kW；Pmax2為根據最大爬坡度確定的電機峰值功率，kW；Pmax3為根據百公里加速時間確定的電機峰值功率，kW；uamax為最高車速，m/s；η為整車傳動系傳動效率；M為整車質量，kg；g為重力加速度，9.8 m/s2；f為路面滾動阻力系數；CD為空氣阻力系數；A為整車迎風面積，m2；ρ為空氣密度，1.225 8 N·s2/m4；ur為汽車與空氣的相對速度，m/s；α為坡度，（°）；ua為爬坡車速，m/s；δ為旋轉質量換算系數；ta為百公里加速時間，s；Vb為電機基速對應的車速，m/s；Vf為加速終止的車速，m/s。

4.1.2 電機額定功率

電機額定功率由最高車速確定：

式中：Pe為電機額定功率，kW。

4.1.3 電機最高轉速

式中：nmax為電機最高轉速，r/min；ig變速器速比；i0為主減速器減速比；r為輪胎滾動半徑，m。

4.1.4 電機峰值轉矩

式中：Tmax為電機峰值轉矩，Nm。

4.1.5 電機的額定轉速和轉矩

式中：ne為電機的額定轉速，r/min；Te為電機的額定轉矩，Nm；Pe為額定功率，kW。

聲吶分辨力是指在多目標環境下對相鄰2個目標的最小可分辨能力，一般按照目標的方位、距離、速度和加速度等參數來分辨，其中距離分辨力和速度分辨力僅取決于信號的形式及其參數。在采用匹配濾波的條件下，模糊函數是與目標距離和速度有關的信號回波通過匹配濾波器之后的輸出[2]，可用來衡量信號對具有不同距離和不同速度的2個目標的分辨能力。當目標相對靜止時，回波信號僅體現出時間延遲和衰減;當目標相對運動時，回波信號還會產生多普勒頻移和時間上的壓縮或展寬。

4.2 能量系統參數

能量系統匹配是燃料電池電動汽車匹配的關鍵，包括燃料電池功率、動力電池功率和容量的確定[12]。

4.2.1 燃料電池功率

燃料電池功率需要在考慮總成資源的前提下，根據最高車速確定。

式中：Pfc為燃料電池的輸出功率，kW。

4.2.2 動力電池功率和容量

動力電池功率根據電機峰值功率和燃料電池功率的差值確定。

式中：i為余量系數。

動力電池最小容量由坡路起步工況和百公里加速所需能量確定，考慮到增大電池容量可減小燃料電池在重載區工作的比率，因此在總布置空間允許的前提下，要盡可能地增大動力電池容量。

4.3 儲氫系統參數

式中：V為儲氫容器容積，m3；P為儲氫壓力，Pa；EH為所需能量，kJ；R為氣體常數；T為絕對溫度，K；WH為氫的分子量；HV為氫的熱值，MJ/kg。

4.4 關鍵總成參數匹配結果

基于上述關鍵總成的匹配方法及國內關鍵總成的資源情況，選擇相應總成的參數見表3。

表3 燃料電池電動汽車關鍵總成參數表

5 燃料電池電動汽車匹配開發可行性驗證

燃料電池電動汽車匹配開發可行性主要從總布置和整車性能兩個方面進行驗證。

5.1 燃料電池電動汽車總布置驗證

在完成關鍵部件選型后，需要進一步從整車總布置方面對整車布置可行性進行驗證。本研究選擇將燃料電池堆、鋰電池等高壓電源零部件布置于底盤下面，這樣可以與氫氣區分開，同時降低非專業人員的觸電危險。此外，燃料電池電動汽車與傳統汽車及常規電動汽車不同，需要從安全角度考慮儲氫裝置和供氫管路的布置。主要遵循以下幾個原則：（1）氫管路要避開蓄電池及熱源（至少保持200 mm的距離）。（2）儲氫罐和管路不應裝在行李艙、乘客艙或其它通風不良的地方，否則必須設計通風管路或采取其它措施。（3）儲氫容器及附件的安裝位置距車輛邊緣至少100 mm。（4）燃料電池應盡量遠離運動部件（至少保持200 mm的距離）。本研究基于上述設計原則及傳統汽車布置原則，對燃料電池電動汽車在總布置方面進行了驗證。

燃料電池電動汽車底盤總布置圖，如圖6所示。整車前部布置電機、逆變器、傳動系等總成，整車中部地板下方布置燃料電池和動力電池，整車后部布置氫罐，各部件布置滿足氫安全原則，符合布置要求。燃料電池電動汽車的氫罐布置圖和發動機艙布置圖，如圖7和圖8所示。

根據整車總布置得到燃料電池電動汽車的整車參數（表4），相關參數是整車性能仿真驗證的基礎。

圖6 燃料電池電動汽車底盤總布置圖

圖7 燃料電池電動汽車氫罐布置圖

圖8 燃料電池電動汽車發動機艙布置圖

表4 燃料電池電動汽車整車參數

5.2 燃料電池電動汽車整車性能驗證

在燃料電池電動汽車總布置完成后，整車裝配完成之前，為保證開發的可行性，需要通過性能仿真對整車性能進行驗證。因此，本研究搭建了如圖9所示的包括循環工況、駕駛員模型、VCU模型、電機模型、傳動系模型、車輛模型、DC-DC模型、燃料電池模型、電池模型等在內的燃料電池電動汽車仿真模型。圖中，Vgk為工況車速，V為實際車速，ΔV為工況車速與實際車速的差值，αb為制動踏板開度，αd為油門踏板開度，Tbtar為目標液壓制動力矩，Tb為實際液壓制動力矩，Pm為電機功率，Lmot為電機負荷率，Tm為電機轉矩，Td為傳動系輸出轉矩，Pfcdem為燃料電池需求功率，Pfc為燃料電池輸出功率，Pacc為電動附件消耗功率，Pbat為電池功率，SOC為電池荷電狀態，U為蓄電池電壓。

圖9 燃料電池電動汽車性能仿真模型原理圖

燃料電池電動汽車的能量管理策略是整車控制策略的核心，本研究基于燃料電池特性和選用構型制定了如圖10所示的整車能量管理策略。圖中，αb為制動踏板開度，αd為油門踏板開度，αbmin為判斷駕駛員是否踩下制動踏板的踏板開度下限值，V為車速，Vbmin為允許制動能量回收的車速門限（標定值），SOCmax為允許制動能量回收的SOC門限（標定值），k1、k2、k3、k4為標定系數，Pfc為燃料電池輸出功率，Pbat為電池輸出功率，Pd為整車需求驅動功率，kb為制動能量回收強度標定系數，αdmin為判斷駕駛員踩下油門踏板的踏板開度門限（標定值），Pfc_rate為燃料電池輸出的額定功率，SOCmin為允許蓄電池輸出電能的SOC下限值（標定值），Pbat_max1為在相應SOC狀態下電池能夠輸出的最大功率，V1為滑行狀態下進入充電模式時的車速門限值，Pbat_charge為蓄電池充電功率。

基于上述模型和能量管理策略對整車性能進行了仿真驗證，結果見表5。由表5可知，整車性能能夠達到相應的目標要求。

表5 燃料電池電動汽車整車性能

6 結論

本文針對國內外燃料電池電動汽車的研究現狀，提出了燃料電池電動汽車匹配設計開發流程，并從匹配、設計、驗證的角度開展了系統研究。

（1）基于國內燃料電池電動汽車研發現狀和成熟的傳統汽車開發流程，提出了考慮總成資源、總布置方案和性能仿真的燃料電池電動汽車匹配設計流程。

（2）基于燃料電池特性，對4種構型方案進行了對比分析，以某B級燃料電池電動汽車為研究對象，提出了匹配方法，并結合國內資源情況確定了關鍵總成。

（3）從整車總布置和整車性能角度出發，對燃料電池電動汽車可行性進行了驗證。

本研究提出的燃料電池電動汽車匹配設計流程和方法，可為燃料電池電動汽車開發提供參考。