燃料電池轎車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)仿真分析

殷婷婷

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燃料電池轎車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)仿真分析

殷婷婷

（上海汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，上海 201804）

文章介紹了燃料電池汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理，對(duì)燃料電池轎車(chē)進(jìn)行了動(dòng)力系統(tǒng)的參數(shù)確定和選型，最終通過(guò)仿真分析驗(yàn)證了選型結(jié)果的正確性。

燃料電池；動(dòng)力系統(tǒng)；仿真

引言

燃料電池汽車(chē)是以氫能發(fā)電和電機(jī)驅(qū)動(dòng)為動(dòng)力系統(tǒng)的新能源電動(dòng)汽車(chē)，具有零排放、無(wú)污染、高效節(jié)能、噪聲極低的突出優(yōu)點(diǎn)。發(fā)展燃料電池汽車(chē)，可實(shí)現(xiàn)交通能源結(jié)構(gòu)的多元化，消除傳統(tǒng)汽車(chē)能源短缺甚至枯竭之憂，從根本上應(yīng)對(duì)人類(lèi)面臨的環(huán)保和能源兩大嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

1 動(dòng)力系統(tǒng)架構(gòu)

目前常見(jiàn)的架構(gòu)有三種，如下圖所示。架構(gòu)一：同豐田MIRAI架構(gòu)，電機(jī)電壓平臺(tái)高（額定電壓650V），開(kāi)發(fā)成本大；同時(shí)需要兩個(gè)DC/DC，體積和成本較大。架構(gòu)二：燃料電池電壓特性較軟，變載時(shí)電壓波動(dòng)較大不利于電機(jī)運(yùn)行；現(xiàn)有燃料電池電壓較低，導(dǎo)致母線電壓平臺(tái)低，需選擇電壓平臺(tái)低的電機(jī)系統(tǒng)。架構(gòu)三：DC/DC置于燃料電池一側(cè)，母線電壓由動(dòng)力電池決定，電壓波動(dòng)范圍較小；DC/DC控制燃料電池功率，減少燃料電池載荷劇烈變動(dòng)，提高壽命。

圖1 架構(gòu)一

圖2 架構(gòu)二

圖3 架構(gòu)三

圖4 動(dòng)力系統(tǒng)架構(gòu)圖

綜合考慮各架構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)、開(kāi)發(fā)難易程度和成本，選擇采用架構(gòu)三。包括燃料電池輔助系統(tǒng)后的架構(gòu)如圖4所示，動(dòng)力系統(tǒng)匹配原則如下：燃料電池系統(tǒng)輸出功率滿足車(chē)輛巡航車(chē)速運(yùn)行功率匹配；在滿足安全的前提下，系統(tǒng)電壓平臺(tái)盡可能提高；核心零部件協(xié)同原則。

圖4中，F(xiàn)C：燃料電池電堆；Aux：燃料電池輔助系統(tǒng)，包括空壓機(jī)、氫循環(huán)泵等；Acc：整車(chē)附件，包括12DC、PTC、空調(diào)等；Bat：動(dòng)力電池。

燃料電池的輸出功率經(jīng)DC/DC（或稱(chēng)為DCF）輸出到高壓母線，這部分能量可以流向電機(jī)，也可以流向蓄電池。DCF的作用一方面對(duì)燃料電池進(jìn)行升壓，另一方面能夠通過(guò)控制燃料電池的輸出功率，起到蓄電池與燃料電池能量分配的作用。燃料電池高壓輔助系統(tǒng)掛在母線端，即DCF的輸出端。這是因?yàn)槿剂想姵叵到y(tǒng)的輸出電壓較低，并且電壓隨功率增加下降較快，特性較軟。同時(shí)在啟動(dòng)燃料電池前，需要空壓機(jī)先工作起來(lái)，這樣將空壓機(jī)放于母線端后，就能通過(guò)動(dòng)力電池給空壓機(jī)供電。如果空壓機(jī)放于燃料電池輸出端，則需要雙向DCF，增加了開(kāi)發(fā)的技術(shù)難度以及成本。

2 設(shè)計(jì)目標(biāo)

汽車(chē)是一種高效率的運(yùn)輸工具，運(yùn)輸效率之高低在很大程度上取決于汽車(chē)的動(dòng)力性。車(chē)輛的動(dòng)力性能通常采用最高車(chē)速、最大爬坡度和加速性能來(lái)衡量，其中加速性能一般是用百公里加速時(shí)間來(lái)評(píng)定，即0~100km/h 的加速時(shí)間來(lái)評(píng)價(jià)汽車(chē)的汽車(chē)的加速性能。在滿足動(dòng)力性的條件下，汽車(chē)以盡量少的燃油消耗量行駛的能力，稱(chēng)為汽車(chē)的燃油經(jīng)濟(jì)性。汽車(chē)的燃油經(jīng)濟(jì)性常用一定運(yùn)行工況下汽車(chē)行駛百公里的燃油消耗量或一定燃油量能使汽車(chē)行駛的里程來(lái)衡量。本文中燃料電池轎車(chē)的經(jīng)濟(jì)性是指NEDC工況下百公里的氫耗量。通過(guò)對(duì)比參考國(guó)內(nèi)外各種燃料電池汽車(chē)的性能參數(shù)和綜合考慮實(shí)際應(yīng)用情況，整車(chē)性能表如表1所示。

表1 整車(chē)性能

3 零部件選型與參數(shù)匹配

3.1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)匹配

表2 整車(chē)基本參數(shù)

選擇某轎車(chē)平臺(tái)進(jìn)行匹配設(shè)計(jì)，整車(chē)基本參數(shù)如表2所示。下文將根據(jù)整車(chē)性能目標(biāo)以及整車(chē)的基本參數(shù)進(jìn)行動(dòng)力系統(tǒng)的匹配。

驅(qū)動(dòng)電機(jī)的參數(shù)匹配主要是選擇合適的電機(jī)峰值扭矩、電機(jī)最高轉(zhuǎn)速、電機(jī)峰值功率、電機(jī)額定功率。當(dāng)這四個(gè)參數(shù)選定后，電機(jī)的基本動(dòng)力特性就確定了，從而整車(chē)的動(dòng)力性能也就基本能夠確定。

（1）電機(jī)峰值扭矩

為滿足整車(chē)28%的最大爬坡度要求（滿載@10km/h），可計(jì)算出，整車(chē)輪邊驅(qū)動(dòng)力大于6650N（左右輪之和）。

依據(jù)現(xiàn)有減速箱參數(shù)（數(shù)比9.07、效率90%），電機(jī)峰值扭矩選擇≥268Nm，考慮到余量以及可供選擇的電機(jī)，電機(jī)峰值扭矩選擇275Nm。

（2）電機(jī)最高轉(zhuǎn)速

為滿足160km最高車(chē)速，根據(jù)傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)，電機(jī)需求最高轉(zhuǎn)速為11701rpm，考慮電機(jī)選型，電機(jī)最高轉(zhuǎn)速定義為12000rpm。

（3）電機(jī)額定功率

電機(jī)的額定功率應(yīng)能滿足整車(chē)持續(xù)行駛的功率需求。不同車(chē)速下整車(chē)功率需求計(jì)算如下式：

其中，P為電機(jī)功率kW；η為傳動(dòng)系效率，取94%；為車(chē)速km/h；為滑行阻力曲線的二次項(xiàng)系數(shù)；為滑行阻力曲線的一次項(xiàng)系數(shù)；為滑行阻力曲線的常數(shù)項(xiàng)系數(shù)。由此畫(huà)出不同車(chē)速下電機(jī)的需求功率曲線圖，如圖3-1所示。

考慮整車(chē)更優(yōu)秀的動(dòng)力性能，以160km/h勻速行駛時(shí)的電機(jī)需求功率作為電機(jī)額定功率。如圖5所示，車(chē)速160km/h下電機(jī)需求功率為51.24KW。故電機(jī)的額定功率選擇不小于52kW。

圖5 滑行曲線下電機(jī)額定功率

（4）電機(jī)峰值功率

電機(jī)的峰值功率主要與整車(chē)的瞬時(shí)性能相關(guān)，如最高車(chē)速，加速性能。根據(jù)前述的分析，整車(chē)最高車(chē)速不高，其電機(jī)功率需求不高，電機(jī)的額定功率即可滿足。所以，電機(jī)峰值功率的選擇取決于整車(chē)的加速性能要求。

下式是整車(chē)加速方程，在傳動(dòng)比、整車(chē)質(zhì)量、車(chē)輪半徑等確定的條件下，加速性能取決于電機(jī)扭矩。

式中，為整車(chē)的質(zhì)量，單位是kg；為汽車(chē)轉(zhuǎn)動(dòng)質(zhì)量換算系數(shù)，取1.01；為重力加速度，取9.8m/s2；為滾動(dòng)阻力系數(shù)，取0.0083；為空氣密度，取1.2258kg/m3；C為風(fēng)阻系數(shù)，取0.32；為車(chē)輛的迎風(fēng)面積，單位是m3；為車(chē)速，單位是m/s；P為電機(jī)的峰值扭矩，單位是W；1為傳動(dòng)系速比，取9.07。為車(chē)輪半徑；()為電機(jī)扭矩，在全油門(mén)下，它是車(chē)速的函數(shù)，如下式：

式中，T為電機(jī)峰值扭矩，275Nm；n為電機(jī)額定轉(zhuǎn)速。可以看出在車(chē)輛低速情況下，整車(chē)加速性能主要取決于電機(jī)峰值扭矩；而當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速超過(guò)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速后，加速能力主要與電機(jī)的峰值功率相關(guān)，峰值功率越高，加速性能越好。

圖3-2為電機(jī)峰值扭矩選275Nm時(shí)，不同電機(jī)峰值功率下整車(chē)的百公里加速時(shí)間。從圖中可以看出，當(dāng)電機(jī)的峰值功率超過(guò)109kW后，整車(chē)的百公里加速時(shí)間小于12s，滿足性能要求。因此，選擇電機(jī)的峰值功率為110kW。電機(jī)的額定功率與峰值功率一般為兩倍關(guān)系左右，故電機(jī)的額定功率選50kW

綜述，電機(jī)的參數(shù)選型如下表3，扭矩外特性曲線如圖6。

圖6 不同電機(jī)峰值功率&百公里加速時(shí)間

圖7 電機(jī)外特性曲線

表3 電機(jī)參數(shù)

3.2 燃料電池系統(tǒng)匹配

（1）燃料電池凈功率帶寬

圖8 燃料電池的凈功率帶寬

對(duì)不同車(chē)型平臺(tái)初步匹配了燃料電池的凈功率，大致得到燃料電池凈功率帶寬圖。分析假設(shè)條件：所有車(chē)型均以燃料電池為主能源，優(yōu)先由燃料電池提供功率。選取上述功率的性能依據(jù)：乘用車(chē)（轎車(chē)，SUV和MPV）性能滿足：0-100km/h < 10.5s；最高車(chē)速>160km/h；30km/h爬坡度>30%；輕客性能滿足： 0-100km/h < 20s；最高車(chē)速>120km/h；20km/h爬坡度>20%；大巴性能滿足：0-50km/h<20s；最高車(chē)速>90km/h；10km/h爬坡度>20%。從圖中8來(lái)看，燃料電池凈功率在80kW-90kW范圍內(nèi)基本能覆蓋大部分車(chē)型。

（2）燃料電池系統(tǒng)最大凈輸出功率

要求常溫下，動(dòng)力電池功率 + 燃料電池系統(tǒng)凈輸出功率≥ 130kW，選擇動(dòng)力電池常溫下10s放電功率50kW，因此燃料電池系統(tǒng)最大凈輸出功率≥80kW，如圖9所示。

（3）燃料電池系統(tǒng)凈功率功率響應(yīng)

原則：燃料電池系統(tǒng)凈輸出功率拉載響應(yīng)跟隨整車(chē)功率需求。車(chē)輛百公里加速功率曲線如圖10所示：燃料電池系統(tǒng)凈輸出功率跟隨電機(jī)的功率響應(yīng)，由此，燃料電池系統(tǒng)凈輸出功率要求為30kW/s。

圖9 燃料電池系統(tǒng)凈輸出功率和動(dòng)力電池功率

圖10 百公里加速各系統(tǒng)的功率輸出

3.3 動(dòng)力蓄電池功率匹配

燃料電池系統(tǒng)凈功率為80kW，電機(jī)的峰值輸出功率為110kW，考慮電機(jī)的效率87%、整車(chē)DCF附件功率1kW、空調(diào)功率2.2kW，由下式可得：

其中，P為蓄電池峰值功率kW；P為電機(jī)輸出峰值功率kW；為電機(jī)效率；P為整車(chē)DCL附件功率kW；P為空調(diào)功率kW；P為DCF凈輸出功率kW。

因此，動(dòng)力蓄電池的峰值功率應(yīng)大于50kW。

考慮到燃料電池系統(tǒng)功率比較高，基本能夠覆蓋整車(chē)的絕大部分工況功率需求，動(dòng)力電池只需用來(lái)獲取制動(dòng)能量回饋、車(chē)輛急加速補(bǔ)充功率，因此動(dòng)力蓄電池的容量可以減小，可以采用HEV類(lèi)似的小容量電池。根據(jù)目前市場(chǎng)的產(chǎn)品，電池電量可在2kWh~4kWh之間。

3.4 零部件參數(shù)

各零部件性能參數(shù)如表4所示。

表4 零部件參數(shù)

4 整車(chē)性能仿真

根據(jù)前文的匹配選型，各動(dòng)力系統(tǒng)的主要參數(shù)基本確定。接下來(lái)將會(huì)具體對(duì)整車(chē)的經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性進(jìn)行仿真，對(duì)比仿真結(jié)果和目標(biāo)值，檢查是否滿足要求。

4.1 經(jīng)濟(jì)性能

燃料電池轎車(chē)的經(jīng)濟(jì)性仿真是在NEDC工況下進(jìn)行，在一個(gè)NEDC工況運(yùn)行結(jié)束時(shí)SOC的起始狀態(tài)保持平衡。整車(chē)氫耗的優(yōu)化方向包括：降低整車(chē)質(zhì)量，提升電機(jī)、DCF、FC效率，改善整車(chē)能量分配策略。減重是目前降低能耗和提升動(dòng)力性的主要方向之一，減重100kg氫耗優(yōu)化約0.03 kg/ 100km。車(chē)輛的能量需求中效率損耗所占的比例最高，效率損耗是指各個(gè)零部件的效率損耗，包括燃料電池（FC）、DCF、電機(jī)等。考慮提升各零部件的效率和改善整車(chē)能量分配策略，最終優(yōu)化狀態(tài)下，整車(chē)NEDC工況氫耗為0.907kg/100km，能流圖如圖11所示。

圖11 整車(chē)能量流

4.2 動(dòng)力性能

（1）最高車(chē)速和加速性能

圖12 最高車(chē)速和加速時(shí)間仿真結(jié)果

最高車(chē)速指的是汽車(chē)在水平良好的路面（混凝土或?yàn)r青）上能達(dá)到的最高行駛車(chē)速。車(chē)輛的驅(qū)動(dòng)力一直大于車(chē)輛所受的阻力，但是限于電機(jī)最高轉(zhuǎn)速12000rpm，車(chē)輛的最高車(chē)速正好能到160km/h。如圖12所示，車(chē)輛百公里加速仿真結(jié)果，0-50km/h用時(shí)4.6s，0-100km/h用時(shí)12s。

（2）最高持續(xù)車(chē)速

車(chē)輛從靜止加速至130km/h后保持穩(wěn)定車(chē)速。在加速階段，整車(chē)需求功率最高，動(dòng)力電池和燃料電池共同給電機(jī)提供功率；當(dāng)車(chē)速穩(wěn)定到130km/h時(shí)，對(duì)電池的需求功率降低，最后整車(chē)維持130km/h的功率全部由燃料電池提供。

（3）最大爬坡能力

其中：

代入數(shù)據(jù)求得爬坡度為28%。

4.3 總結(jié)

通過(guò)上述分析，基本確定了整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)中關(guān)鍵子系統(tǒng)的性能參數(shù)。綜合整個(gè)系統(tǒng)，對(duì)整車(chē)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如表5所示。結(jié)果顯示所有性能參數(shù)均能滿足考核指標(biāo)。

表5 仿真結(jié)果

[1] 陳全世.先進(jìn)電動(dòng)汽車(chē)技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2007.

[2] 余志生.汽車(chē)?yán)碚?第三版) [M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2001.

[3] 殷婷婷,黃晨東,程偉等.燃料電池汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)運(yùn)行效率研究[J].上海汽車(chē),2012(8):2-5.

[4] 孫澤昌,魏學(xué)哲,鐘再敏.燃料電池汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)功率平衡控制策略[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2005(12).

[5] Xiong Yun,Zhong Zai-min,Yin Ting-ting,Sun Ze-chang.The Analysis of the Factors Impacting Energy Feedback Efficiency of Fuel Cell Vehicles[J].2009 IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference, 2009,7-10 Sept:1742-1748.

Simulation analysis of fuel cell vehicle powertrain

Yin Tingting

( SAIC motor technical centre, Shanghai 201804 )

The structure and working principle of the Fuel cell vehicle powertrain are introduced. The type and parameters of the fuel cell vehicle powertrain are selected in this article. Finally, the simulation analyze demonstrate the validity of the selection results.

A fuel cell; Power system; The simulation

A

1671-7988(2019)03-03-04

U473.4

A

1671-7988(2019)03-03-04

U473.4

殷婷婷，工程師，就職于上海汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，主要研究方向是新能源汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)匹配仿真。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.03.001