大功率型氫燃料電池重卡動力系統(tǒng)匹配設(shè)計*

劉世闖，孫桓五，2，王瑞鑫，李 昊，張東光

（1. 太原理工大學(xué)機械與運載工程學(xué)院，太原 030024；2. 煤炭資源開采利用與裝備工程國家級實驗教學(xué)示范中心，太原 030024）

前言

由于全球汽車的保有量日趨增多，能源匱乏現(xiàn)象也更加嚴(yán)峻［1］，且空氣污染隨之嚴(yán)重，因此普及新能源汽車已勢在必行。氫能作為低碳和零碳能源的典型代表，具有高效、無污染、可循環(huán)利用等特點，成為了新能源汽車的重要解決方案。雖然重卡數(shù)量只占全國機動車領(lǐng)域的13.9%，但其石油消耗量占比卻高達49.2%以上，成為所有汽車類型里污染最嚴(yán)重的車型。而純電動貨運車由于動力電池的能量密度較低，不能很好地滿足續(xù)航里程要求，因此能量密度高的燃料電池更適合大負載、遠距離行駛的重型卡車，且重卡領(lǐng)域也被業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為是氫燃料電池未來重要的應(yīng)用場景，更能發(fā)揮氫燃料的能源優(yōu)勢。

目前，國內(nèi)使用的氫燃料電池功率通常為30 kW 左右，而使用100 kW 的大功率型氫燃料電池進行動力系統(tǒng)匹配是國內(nèi)首次嘗試。在動力系統(tǒng)匹配設(shè)計過程中，大功率型氫燃料電池是主動力源，能夠滿足重卡在平坦路面運輸過程中的功率需求，但關(guān)于大功率型氫燃料電池重卡動力系統(tǒng)的匹配設(shè)計文獻不多。文獻［2］中對燃料電池大客車的動力總成部分開展了結(jié)構(gòu)設(shè)計和參數(shù)匹配。文獻［3］中面向燃料電池-蓄電池復(fù)合能源動力車輛提出了理論分析和仿真校驗相結(jié)合的參數(shù)匹配方法。

氫燃料電池在穩(wěn)態(tài)工況下壽命較長，但頻繁啟動會使氫燃料電池的壽命急劇衰減。而重卡實際工況復(fù)雜，氫燃料電池常運行在低效率區(qū)間，降低了其使用壽命和重卡整車經(jīng)濟性。因此，本文中以配有100 kW 的大功率型氫燃料電池重卡為研究對象，根據(jù)大功率型氫燃料電池保護優(yōu)先的控制策略對其動力系統(tǒng)進行了匹配設(shè)計和優(yōu)化，完成了氫燃料電池重卡動力系統(tǒng)主要零部件的參數(shù)確定和選型。同時運用Cruise 軟件建立動力系統(tǒng)各零部件的仿真模型和整車模型，然后進行分析和優(yōu)化。最后在此基礎(chǔ)上完成了大功率型氫燃料電池重卡原型車的設(shè)計和制造，并初步進行了總體性能參數(shù)的道路試驗。

1 大功率型氫燃料電池重卡基本構(gòu)成及整車參數(shù)設(shè)計目標(biāo)

100 kW 大功率型氫燃料電池重卡的動力系統(tǒng)較為復(fù)雜，因此進行動力匹配設(shè)計時，應(yīng)在大功率型氫燃料電池保護優(yōu)先的控制策略基礎(chǔ)上，根據(jù)整車性能指標(biāo)對主要動力組成部件（氫燃料電池、動力電池和電機）進行參數(shù)匹配［4-7］。

1.1 基本構(gòu)成

燃料電池汽車動力系統(tǒng)構(gòu)型可分為串聯(lián)和并聯(lián)。串聯(lián)式中燃料電池的輸出電壓由DC/DC 對轉(zhuǎn)換后為動力電池充電，進而驅(qū)動整車。并聯(lián)式中的燃料電池和動力電池共同驅(qū)動整車。目前燃料電池汽車多采用并聯(lián)式，該構(gòu)型下的整車動力性強、啟動快，且燃料電池可穩(wěn)定工作。綜上所述，本文選用并聯(lián)式構(gòu)型的動力系統(tǒng)，其中的大功率型氫燃料電池是主動力源，動力電池是輔動力源。整個大功率型氫燃料電池重卡動力系統(tǒng)包括氫燃料電池、動力電池、電機、減速器、差速器、車輪等組件。大功率型氫燃料電池重卡動力系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 大功率型氫燃料電池重卡動力系統(tǒng)

1.2 整車參數(shù)及設(shè)計目標(biāo)

本文的研究對象為大功率型氫燃料電池重卡，其市場定位是大載重、固定路線和遠距離的重卡運輸領(lǐng)域。根據(jù)其市場定位及屬性設(shè)計要求，大功率型氫燃料電池重卡整車基本參數(shù)如表1所示。

表1 大功率型氫燃料電池重卡整車基本參數(shù)

2 大功率型氫燃料電池重卡動力系統(tǒng)參數(shù)匹配

2.1 動力系統(tǒng)參數(shù)匹配控制策略

相比于小功率型氫燃料電池，100 kW 的大功率型氫燃料電池可滿足重卡在常用路況的動力需求，因此可作為主動力源使用。而由于重卡載質(zhì)量大、載荷波動范圍大、路況復(fù)雜，因此整車功率需求常頻繁大幅波動。因此實際工況下的氫燃料電池常處于功率波動大、連續(xù)高負荷低效率運行、頻繁快速變載等劣化工況，致使其系統(tǒng)效率偏低。氫燃料電池在穩(wěn)態(tài)工況下壽命較高，而高頻變載工況下其壽命會急劇衰減，且由于氫燃料電池存在技術(shù)壁壘，導(dǎo)致其成本相對較高，因此堅持氫燃料電池保護優(yōu)先控制策略會降低整車成本，提升經(jīng)濟性。

綜上所述，重卡動力系統(tǒng)進行匹配設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)大功率型氫燃料電池保護優(yōu)先的控制策略，使其從啟動至停車關(guān)機期間一直工作在高效區(qū)間，且整個運行過程應(yīng)盡可能減少劣化工況的出現(xiàn)，以提高動力系統(tǒng)工作效率和氫燃料電池使用壽命。

2.2 電機參數(shù)匹配

并聯(lián)式大功率型氫燃料電池重卡動力系統(tǒng)的匹配設(shè)計應(yīng)先計算電機相關(guān)參數(shù)。電機功率包括最高車速消耗功率、等速爬坡功率和水平路面加速功率，三者中最高功率即為驅(qū)動電機額定功率［8-9］。

（1）最高車速消耗功率為

式中：m為重卡整車質(zhì)量；f為滾動阻力系數(shù)；CD為空阻系數(shù)；A為空阻面積；ηt為傳動系機械效率；ηmot為電機效率，取0.96。

（2）等速爬坡功率（恒速15 km/h，imax為20%）為

（3）水平路面加速功率（水平路面上20 s內(nèi)勻加速到50 km/h）為

式中δ為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)，取1.02。

大功率型氫燃料電池重卡的電機最大輸出功率須同時符合最高車速、加速度和最大爬坡度的行駛要求，條件如下：

（4）電機額定轉(zhuǎn)矩和最大轉(zhuǎn)矩

根據(jù)電機的額定功率和額定轉(zhuǎn)速可確定其額定轉(zhuǎn)矩：

式中：Pn為額定功率；nN為額定轉(zhuǎn)速；Tn為額定轉(zhuǎn)矩。

氫燃料電池重卡驅(qū)動力與電機最大轉(zhuǎn)矩的計算公式為

式中：Tmax為電機最大轉(zhuǎn)矩；i0為總傳動比；F為驅(qū)動力；r為車輪滾動半徑。

（5）電機額定轉(zhuǎn)速和最高轉(zhuǎn)速

氫燃料電池重卡車速越高，電機的轉(zhuǎn)速越高。電機額定轉(zhuǎn)速計算公式為

根據(jù)電機額定轉(zhuǎn)速求最高轉(zhuǎn)速公式為

式中：nmax為最高電機轉(zhuǎn)速；β為電機擴大恒功率區(qū)系數(shù)。

綜合大功率型氫燃料電池重卡的動力性和經(jīng)濟性要求，考慮動力系統(tǒng)損耗和大轉(zhuǎn)矩爬坡等需求，選用額定功率為150 kW 的永磁同步低速電機，其性能參數(shù)如表2 所示。

表2 電機性能參數(shù)

2.3 傳動比的確定

大功率型氫燃料電池重卡動力系統(tǒng)可根據(jù)電機功率和傳動比計算其動力源需求功率。而傳動比可由最高車速、最大爬坡度等動力性設(shè)計目標(biāo)來計算。

（1）最小傳動比的確定

最小傳動比根據(jù)電機最高轉(zhuǎn)速和最高車速確定，計算公式為

（2）最大傳動比的確定

最大傳動比可根據(jù)最大爬坡度的行駛阻力和電機最大輸出轉(zhuǎn)矩來計算，其計算公式為

式中：Fimax為最大爬坡度的行駛阻力；nmin為電機最低穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速；umin為重卡最低穩(wěn)態(tài)車速。本設(shè)計選取的傳動比參數(shù)如表3所示。

表3 傳動比參數(shù)

2.4 氫燃料電池參數(shù)匹配

由于大功率型氫燃料電池重卡車行駛過程中，氫燃料電池提供主驅(qū)動力，因此先基于穩(wěn)態(tài)工況對其進行選型。根據(jù)氫燃料電池保護優(yōu)先的控制策略，其應(yīng)工作于最高效率點和最大功率之間，此時可保護氫燃料電池，并提升整車動力性和經(jīng)濟性［10］。

氫燃料電池的功率設(shè)計應(yīng)滿足：

式中：ηDC為 DC/DC 效率；Pch為其它用電單元耗電功率?？紤]到大功率型氫燃料電池系統(tǒng)附件較多，因此其輸出功率Pfc為95 kW。綜合考慮功率需求和國家法規(guī)對氫燃料商用車的規(guī)定，其最大功率為100 kW。本設(shè)計氫燃料電池選型參數(shù)如表4所示。

表4 氫燃料電池參數(shù)

2.5 動力電池組參數(shù)匹配

動力電池作為大功率型氫燃料電池重卡的輔助動力，其功率可由整車動力源功率和氫燃料電池功率求得。在進行動力參數(shù)匹配時須綜合考慮電壓、容量、數(shù)目和其成組方式等關(guān)鍵因素［11-12］。

（1）電池能量確定

動力電池須滿足最大行駛功率下的輔助功率需求和純電動模式的續(xù)駛里程要求。

（a）根據(jù)輔助功率需求計算電池最大放電功率：

式中：Plmax為動力電池最大放電功率；Pmmax為電機峰值功率；Pimax為動力電池附件峰值功率；ηb為動力電池放電效率。

（b）根據(jù)純電動模式續(xù)駛里程計算動力電池電量：

式中：Qb為動力電池電量；L為續(xù)駛里程；uh為行駛車速；Ph為uh下的電機功率；SOC為剩余電量。

整車設(shè)計的電壓平臺是560 V，純電動模式下，等速半載工況下的續(xù)航里程應(yīng)滿足50 km。以恒勻速u行駛的電機功率P計算公式為

電機及控制器的使用效率λ為96%，其電機需求功率Pem為

動力電池能量計算式為

式中：QZ為整車需求能量；QD為動力電池能量；QF為氫燃料電池能量。QD為90 kW·h。

（2）電池容量的確定

利用勻速工況法計算續(xù)駛里程進行動力電池容量確定，公式如下：

式中：C為動力電池額定容量；u為等速行駛速度；Pr為所需功率；Pa為電器負載消耗功率；UB為動力電池端電壓；λSOC為動力電池的容量允許放電深度。

已知動力電池能量為90 kW·h，為保護動力電池，因此電池容量設(shè)計應(yīng)留有20%余量。對比供應(yīng)商電池清單，選擇228 A·h能量型電池。

（3）電池電壓及數(shù)量的確定

由最大功率決定電池單體個數(shù)np應(yīng)滿足：

式中：Pemax為純電動模式下重卡動力系統(tǒng)最大需求功率；Pbmax為單個電池輸出功率；ηe為單個電池放電效率；ηec為單個電池放電深度系數(shù)；E為動力電池組系統(tǒng)電壓；Rint為電池組系統(tǒng)內(nèi)阻。

由純電動模式續(xù)航里程決定的電池單體個數(shù)nL為

式中：W為純電動模式續(xù)航里程所需能量；We為單個電池能量。

綜上所述，大功率型氫燃料電池重卡的動力電池可用175節(jié)單體電池組成4個串聯(lián)的電池模組，且由模組組成的動力電池包被稱為標(biāo)準(zhǔn)箱（根據(jù)尺寸大小可分為C 箱和G 箱），同時采用加熱膜加熱和液冷的方式對電池進行熱管理。動力電池參數(shù)如表5所示。

表5 動力電池參數(shù)

3 建模仿真與結(jié)果分析

為全面評估大功率型氫燃料電池保護優(yōu)先控制策略下的重卡動力系統(tǒng)參數(shù)匹配合理性及有效性，由于Cruise 軟件更加貼近工程實際，利用Cruise 軟件建立大功率型氫燃料電池重卡動力系統(tǒng)各零部件模型和整車模型，并對其進行分析和優(yōu)化。

3.1 大功率型氫燃料電池重卡動力系統(tǒng)建模

根據(jù)大功率型氫燃料電池保護優(yōu)先控制策略完成了氫燃料電池選型和動力系統(tǒng)的匹配設(shè)計以及零部件參數(shù)確定，因此需對其匹配設(shè)計結(jié)果進行初步驗證。根據(jù)各部件參數(shù)建立了大功率型氫燃料電池重卡的Cruise 整車模型，包括：氫燃料電池、動力電池組、電機、制動器、變速器、車輪和整車控制器等模塊。大功率型氫燃料電池重卡動力系統(tǒng)仿真模型如圖2 所示。

圖2 大功率型氫燃料電池重卡動力系統(tǒng)仿真模型

3.2 仿真結(jié)果分析

3.2.1 C?WTVC工況分析

綜合考慮大功率型氫燃料電池重卡的市場定位及其性能要求，選用符合我國實際的中國典型重型車測試工況（C?WTVC）進行分析。大功率型氫燃料電池重卡的C?WTVC 工況動力性仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 速度、加速度和距離變化曲線

由圖3 可知，該循環(huán)工況時間為1 800 s，行駛距離為20.56 km，最高車速為87.78 km/h，平均車速為41.08 km/h，加速度絕對值的最大值為2.65 m/s2，平均加速度為0.015 m/s2。整個過程中，最高車速滿足≥85 km/h 的設(shè)計性能要求，且車速和加速度均與路譜變化趨勢具有很好的一致性。

大功率型氫燃料電池重卡在C?WTVC 工況下，其輔助能源動力電池組SOC 的變化曲線如圖4 所示，動力電池組SOC 從初始 60% 開始，一直在［58%，65%］區(qū)間內(nèi)波動，滿足動力電池組淺充淺放原則，說明氫燃料電池工作點位于高效工作區(qū)間內(nèi)。

圖4 動力電池SOC 變化曲線

圖5 為C?WTVC 工況下的氫燃料電池、動力電池和電機的功率圖。其中氫燃料電池功率范圍為14.25～55.7 kW，位于高效工作區(qū)間內(nèi)；動力電池功率范圍為-292～284 kW，大部分功率絕對值都小于228 kW，過充和過放時間很少；電機功率范圍是-207～320 kW，大部分功率絕對值均小于250 kW，過載時間很少。

圖5 氫燃料電池、動力電池和電機功率變化曲線

由圖可見，氫燃料電池、動力電池和電機大部分時間均工作于額定區(qū)間內(nèi)，過載時間很短，且電機功率與路面譜趨勢具有很強的一致性，同時氫燃料電池一直處于高效工作區(qū)域內(nèi)。

上述結(jié)果表明，大功率型氫燃料電池保護優(yōu)先控制策略下的重卡動力系統(tǒng)參數(shù)匹配滿足C?WTVC循環(huán)工況的行駛要求，證明該控制策略下的大功率型氫燃料電池重卡動力系統(tǒng)參數(shù)匹配設(shè)計合理有效。

3.2.2 動力性分析

（1）最高車速。圖6 中氫燃料電池重卡的最高車速為94.72 km/h，滿足最高車速≥85 km/h 的性能要求。

圖6 最高車速和行駛距離曲線

（2）最大爬坡度。圖7 中氫燃料電池重卡的最大爬坡度為24.28%，10 km/h 車速下的爬坡度為23.97%，滿足10 km/h 車速下，爬坡度≥20%的設(shè)計目標(biāo)。

圖7 最大爬坡度曲線

3.2.3 續(xù)駛里程分析

（1）動力電池組滿電續(xù)駛里程

選用60 km/h 勻速循環(huán)行駛工況，動力電池組SOC從初始值90%下降至15%時的行駛距離為其滿電續(xù)駛里程。該工況下，動力電池組SOC 值和行駛距離的變化曲線如圖8所示。由圖8可知，動力電池組滿電續(xù)駛里程為114.82 km，符合動力電池滿電單次續(xù)駛里程≥50 km 的設(shè)計目標(biāo)。

（2）循環(huán)工況續(xù)駛里程

C?WTVC 循環(huán)工況下，動力電池組 SOC 值從90%降低至15%的SOC 和行駛距離變化曲線如圖9所示。

由圖9 可知，該工況下的SOC 值從90%降低至15%的行駛距離為72.03 km。由于重卡動力源包括氫燃料電池和動力電池，而設(shè)計目標(biāo)是純電動模式續(xù)航里程達到50 km 即可，因此滿足續(xù)駛里程設(shè)計要求。

圖8 60 km/h 勻速工況SOC及行駛距離變化曲線

圖9 C?WTVC循環(huán)工況SOC及行駛距離變化曲線

4 試驗驗證

按照第2 節(jié)的參數(shù)進行零部件選型，選擇符合參數(shù)要求的氫燃料電池、動力電池組、電機和相應(yīng)的電控系統(tǒng)。選型結(jié)果如表6所示。

表6 零部件選型

其中，動力電池選用CATL 品牌，同時配備加熱及冷卻系統(tǒng)，可在-30 ℃下正常工作；電機選用英威騰TZ368XS?PLM150G01型；傳動系統(tǒng)的變速器選用法士特6E150 型；氫氣供氣系統(tǒng)的氫氣瓶壓力標(biāo)準(zhǔn)為35 MPa，其加氫時間小于10 min。根據(jù)上述選型結(jié)果進行原型車的初步設(shè)計和制造，然后對其動力傳動系統(tǒng)進行調(diào)試和標(biāo)定。大功率型氫燃料電池重卡原型車進行瞬態(tài)道路試驗。試驗結(jié)果如表7所示。

表7 原型車試驗結(jié)果

其中，滿載續(xù)航里程是由氫燃料電池和動力電池兩個動力源提供，只需滿足純電動形式運行續(xù)航里程即可。

以上試驗結(jié)果表明：本文中提出的大功率型氫燃料電池保護優(yōu)先控制策略下的重卡動力系統(tǒng)參數(shù)匹配設(shè)計結(jié)果滿足其性能要求，證明整個大功率型氫燃料電池重卡動力系統(tǒng)匹配設(shè)計是合理和有效的。

5 結(jié)論

針對大功率型氫燃料電池重卡動力系統(tǒng)設(shè)計尚無成熟控制策略問題，綜合考慮氫燃料電池的壽命和成本以及重卡動態(tài)行駛工況特點，提出了動力系統(tǒng)匹配設(shè)計中大功率型氫燃料電池保護優(yōu)先的控制策略。在此基礎(chǔ)上根據(jù)穩(wěn)態(tài)工況對氫燃料電池進行了選型，且在同時考慮重卡的工況和效率特性的基礎(chǔ)上提出了大功率型氫燃料電池重卡的參數(shù)匹配設(shè)計方法。然后利用Cruise 軟件建立大功率型氫燃料電池重卡模型進行性能分析和優(yōu)化。最后利用分析優(yōu)化后選型的零部件完成大功率型氫燃料電池重卡原型車的初步設(shè)計和制造。結(jié)果表明：大功率型氫燃料電池重卡動力系統(tǒng)的匹配設(shè)計結(jié)果滿足性能要求，證明根據(jù)大功率型氫燃料電池保護優(yōu)先控制策略提出的氫燃料電池重卡動力系統(tǒng)匹配設(shè)計過程是合理有效的。因此，本文可為大功率型氫燃料電池重卡動力系統(tǒng)的匹配設(shè)計研究提供一定的參考。