基于ADVISOR 的氫能燃料電池汽車性能仿真

魏添，于蓬,2，裴馮來，張元元

（1.250022 山東省 濟南市 萊蕪技師學院；2.266427 山東省 青島市 青島黃海學院；3.201800 上海市 上海機動車檢測認證技術研究中心有限公司 4.255314 山東省 淄博市 淄博職業學院）

0 引言

無污染零排放的氫能燃料電池汽車是新能源汽車未來發展的方向之一[1]。在有關研究中，TURKMEN[2]等利用ADVISOR 軟件對燃料電池系統進行建模仿真，分析燃料電池系統的重要性，結果表明燃料電池類型對車輛性能有不同的影響；YAZDANI[3]等利用Simulink 軟件對由燃料電池堆和輔助元件組成的燃料電池電力系統及混合動力汽車的其它各部件進行建模和仿真，結果表明車輛的混合配置在加速、爬坡、擴大行駛范圍等方面改善了性能；楊坤[4]等人以燃料電池、動力電池以及超級電容系統為研究對象搭建整車數學模型，提出相關控制策略，基于中國典型城市循環工況進行了仿真驗證，整車動力經濟性指標均滿足文中設計目標；孫海波[5]等人對氫燃料電池客車的動力傳動系統進行參數設計，建立動力系統仿真模型，對整車進行仿真分析，結果表明氫燃料電池客車最高車速、加速度等參數滿足其所需的目標性能。

本文主要利用ADVISOR 軟件對氫能燃料電池車整車及動力系統進行參數設置、建模與仿真，驗證氫能燃料電池汽車動力系統設計的動力經濟合理性。

1 氫能燃料電池車動力系統結構

為整車提供動力的動力系統是氫能燃料電池車的核心部分，氫能燃料電池車按照動力系統的結構形式分為4 類：純燃料電池動力系統、燃料電池蓄電池混合驅動系統、燃料電池和超級電容混合動力系統、燃料電池蓄電池超級電容混合動力系統[6]。本文研究的是燃料電池蓄電池混合驅動動力系統結構（FC+B 驅動系統），依托某40 kW 燃料電池車，研究其結構與動力系統布置，其結構如圖1 所示。

圖1 燃料電池蓄電池混合動力系統（FC+B）結構圖Fig.1 Structure diagram of fuel cell battery hybrid power system (FC+B)

采用以燃料電池為主、蓄電池為輔的混合制動系統，能夠有效解決燃料電池系統在冷啟動時回收再生制動能量的缺陷，依托燃料電池與蓄電池相互搭配運行輸出能源動力。一般情況下，僅由燃料電池提供能源動力；在需要大功率的情況下（如爬坡、急加速工況）由二者共同發揮作用。在燃料電池系統出現質量問題時，以蓄電池代替燃料電池為驅動系統提供動力，避免了車輛動力系統性能不足的問題。蓄電池不僅可以啟動燃料電池系統，還能吸收再生制動的能量，為車內各類電器設備供電。

2 氫能燃料電池車動力系統部件選型及參數確定

2.1 整車性能參數及設計指標

本文研究的某款氫能燃料電池車的整車結構參數如表1 所示，性能設計指標如表2 所示。

表1 氫能燃料電池車整車結構參數Tab.1 Structure parameters of hydrogen fuel cell vehicle

表2 氫能燃料電池車性能設計指標Tab.2 Performance design index of hydrogen fuel cell vehicle

2.2 驅動電機的選型及參數確定

氫能燃料電池車動力的直接來源是驅動電機，它將電能直接轉化成驅動汽車的動能，為車輛提供強大的驅動力。驅動電機作為唯一輸出動力，有一定的性能控制要求。首先，能快速響應制動踏板和油門信號，能頻繁啟停，具有良好的可控性；其次，低成本、高制動功率、便于養護維修、系統設備整體運行效率高且較可靠的性能特性。故本文選擇技術成熟、易保養、不易損壞的永磁無刷同步電機作為整車驅動電機。

2.2.1 功率的確定

（1）最高車速：能夠驅動氫能燃料電池車以最高車速行駛的驅動電機的功率為

式中：m——車輛總質量；g——重力常數；f——滾動阻力系數；CD——空氣阻力系數；A——迎風面積；η1——傳動系機械效率0.87。

將表1 中數據代入式（1），得P1=38.39 kW。

（2）爬坡度：能夠使氫能燃料電池車以恒定車速u=30 km/h 爬上一定坡度i的電動機功率為

式中：u——恒定車速；α——arctan（i）；η2——電機效率，取0.94。

將表1 中數據代入式（2），得P2=39.96 kW。

（3）加速時間：在0～100 km/h 內，氫能燃料電池車能夠達到的加速時間的電動機功率為

式中：u——100 km/h；——汽車加速度；δ——汽車旋轉質量換算系數，取1.2。

將表1 中數據代入式（3），得P3=112.2 kW。

綜上所述，驅動電機參數須滿足上述性能指標，才能滿足整車動力系統性能。取驅動電機最大功率為Pm=113 kW，取過載系數為1.8，額定功率為63 kW。

2.2.2 轉速的確定

為確定汽車驅動電機的最高驅動轉速，本文根據最高車速和傳動系尺寸因素，驅動電機的最高轉速為

式中：umax——120 km/h；r——輪胎滾動半徑；i0——主減速比，取7。

將表1 中數據代入式（4），得Nmax=7 427 r/min。

取基速比為2.5，計算得Ne=2 970 r/min。

綜上，選定驅動電機的最高轉速7 500 r/min，額定轉速3 000 r/min。

2.2.3 轉矩的確定

根據氫能燃料電池車的爬坡性確定汽車的最大轉矩，其最大轉矩為

將表1 中的數據代入式（5），得Tm=186 N·m

由于電機存在損耗，取最大轉矩為200 N·m。則驅動電機額定轉矩為Te=112 N·m。

2.3 燃料電池的選型及參數確定

質子交換膜燃料電池的原理是氫氧化學反應中化學能轉化為電能的過程，工作溫度較低且能量轉化率高[7]。質子交換膜燃料電池是目前應用最成熟的車用燃料電池，因其結構緊湊、質量較輕、功率高、能夠適應頻繁啟停，故作為氫能燃料電池車的主動力源，本文選擇質子交換膜燃料電池。

實際運行中，燃料電池提供的主動力應滿足氫能燃料電池車在最高車速行駛時所需的功率。如果功率較大，整車的設計制造使用成本可能會不斷增加；如果功率較小，不能充分滿足空氣動力學特性的最大功率控制需求，蓄電池的使用數量就可能會不斷增加，相應的成本也可能會不斷上升。最高行駛車速所需功率為：

將表1 中數據代入式（6），得Pfc=38.39 kW。

考慮到燃料電池自身的損耗，燃料電池的最大輸出功率為40 kW。

2.4 蓄電池的選型及參數確定

氫燃料電池車在起步、加速工況下，受反應時間限制，不能在短時間內提供足夠的功率，難以達到較好的行駛要求，在安裝燃料電池的前提下增加蓄電池，能夠吸收再生制動的能量，提高能源利用率、效率以及經濟性。本文選擇鋰電子電池作為蓄電池，存儲時間使用壽命長，綠色環保、對環境污染小。

本文研討設計的動力源以燃料電池為主，以蓄電池為輔，在某些路況二者共同提供氫能燃料電池車必要的最大功率。故蓄電池最大功率應滿足

式中：Pbmax——蓄電池最大功率。

由驅動電機最大功率、式（6）、式（7）可得，蓄電池的最大功率為80 kW。

氫能燃料電池車以60 km/h 勻速行駛時，蓄電池組的負載功率為

式中：η3——蓄電池組放電效率，取0.95。

蓄電池提供的能量應不小于行駛一定里程（40 km）所需能量，則蓄電池的容量為

式中：U——蓄電池放電電壓；C——蓄電池容量；ξ——蓄電池的放電深度，取0.8。

將參數代入，得蓄電池容量為23 A·h，最大功率為80 kW。

3 氫能燃料電池車建模與仿真

3.1 ADVISOR 軟件

ADVISOR 軟件以后向建模仿真設計為主、前向建模仿真設計為輔，采用模塊化流程設計，計算工作量小且設計精度高，在充分了解車輛各部分及零部件基本參數的情況下，分析氫能燃料電池車的經濟性和動力性[8-9]。

3.2 氫能燃料電池及整車仿真模型

3.2.1 燃料電池模型

本文選用功率-效率曲線模型，其燃料電池效率-輸出功率曲線如圖2 所示。

圖2 燃料電池效率-輸出功率曲線Fig.2 Fuel cell efficiency-output power curve

圖3 為燃料電池模型，輸入為燃料電池系統需求功率（fc_pwr_out_r），輸出為系統實際輸出功率（fc_pwr_out_a）。由圖3 可知，該模型主要由燃料電池子模塊（1）、燃料消耗計算及排放子模塊（2）以及輸入輸出控制接口模塊組成。燃料電池子模塊根據汽車當前的狀態、請求功率以及最大功率計算實際輸出功率，并對其進行限制；燃料消耗計算及排放子模塊能夠計算燃料消耗及排放數。

圖3 燃料電池模型Fig.3 Fuel cell model

3.2.2 整車模型

如圖4 所示，將車輛動力系統各個分部件整體模型導入模擬搭建的車輛整車系統模型各部件中，整車模型主要由汽車行駛狀態工況、車輛模型、車輪車軸模型、主減速器模型、變速箱模型、驅動電機模型、電子附件模型、功率總線模型、燃料電池控制策略、燃料電池模型、蓄電池模型以及排放系統等構成[10]。

圖4 ADVISOR 中氫能燃料電池車模型Fig.4 Hydrogen fuel cell vehicle model in ADVISOR

3.3 氫能燃料電池車仿真結果及分析

本文所研究的是某款氫能燃料電池汽車，選用功率跟隨能量管理策略作為其控制策略，當蓄電池SOC 值較低時，燃料電池供電驅動車輛行駛，并充電；當蓄電池SOC 值較高時，燃料電池與蓄電池根據工況條件搭配供電驅動車輛行駛。本文選用UDDS 城市公路循環工況作為測試工況，以評價氫能燃料電池車的性能[11]。

（1）圖5 所示為一個循環工況運行時的車輛仿真運行速度計算曲線，cyc_kph_r 是指循環工況運行時的仿真速度，即車輛需達到的速度；kpha為車輛在工況中能達到的速度。圖5 中只有一條實線，說明兩者完全重合。動力性能測試指標如表3 所示，汽車爬坡能力為23.2%，汽車最高車速為156.6 km/h，汽車最大加速度為5 m/s2。綜上所述，氫能燃料電池車能夠達到UDDS 循環工況要求的動力性能。

圖5 仿真車速曲線Fig.5 Simulation speed curve

表3 氫能燃料電池車性能測試結果Tab.3 Performance test results of hydrogen fuel cell vehicle

（2）燃油經濟性測試結果表明，氫燃料電池車在循環工況下總運行距離為12 km，百公里耗氫1.6 kg（25 MPa），等效燃油消耗5.8 L。

（3）從圖6、圖7、圖8 可以看出，蓄電池SOC 初始值0.7，在氫能燃料電池車起步時，燃料電池啟動時間長，輸出功率小，此時由蓄電池輸出功率，有助于提供燃料電池所需的功率并快速啟動車輛，故蓄電池SOC 初始值明顯下降，車輛行駛速度較低。隨后，燃料電池系統啟動，以提供車輛正常運轉所需的功率，多余的能量給蓄電池進行充電，此時蓄電池SOC 上升。當燃料電池車速較高，電機功率增大，燃料電池車所需峰值功率由燃料電池系統和蓄電池共同產生。由以上分析可知，動力系統各部件能夠滿足功率需求。圖9 為驅動電機輸入功率曲線變化圖，其中負值為車輛制動時為蓄電池充電的過程。

圖6 蓄電池SOC 變化曲線Fig.6 Battery SOC change curve

圖7 燃料電池輸出功率變化曲線Fig.7 Output power change curve of fuel cell

圖8 蓄電池輸出功率變化曲線Fig.8 Output power change curve of battery

圖9 驅動電機輸入功率變化曲線Fig.9 Input power change curve of drive motor

3.4 參數影響

氫能燃料電池車較為重要的關鍵部件是燃料電池，現以燃料電池的功率為變量進行仿真，觀察變量對動力性的影響。表4 為燃料電池功率對整車動力性影響。

表4 燃料電池功率性能測試表Tab.4 Fuel cell power performance test

由表4 可知，燃料電池的功率對最高速度和最大加速度沒有太大影響，但對最大爬坡度和0～100 km/h 加速時間有較大影響，隨著燃料電池功率的升高，爬坡度增加，加速時間相應減少。由此可以看出燃料電池的功率會影響整車的動力性能。

4 結語

本文以某款40 kW 氫能燃料電池車為研究對象進行研究，選取氫能燃料電池-蓄電池混合驅動的動力系統結構，對動力系統各零部件進行參數設計、初步選型及軟件仿真。在ADVISOR 軟件中利用UDDS 典型城市工況對氫能燃料電池車進行建模，分析其動力經濟性，仿真結果滿足設計指標要求且整車經濟動力性能良好，為氫能燃料電池車動力經濟問題的進一步研究奠定基礎。