氫燃料電池客車的動(dòng)力系統(tǒng)匹配設(shè)計(jì)

劉 峰,侯永坤,郭清成,管 勇

(1.中國(guó)公路車輛機(jī)械有限公司,北京 100011;2.廈門豐泰國(guó)際新能源汽車有限公司,福建 廈門 361026)

氫燃料電池客車如何合理匹配氫燃料電池使其更高效更節(jié)能是開發(fā)商們研究的重點(diǎn),本文根據(jù)用戶的實(shí)際需要,結(jié)合用戶的具體使用工況對(duì)氫燃料電池客車的動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行匹配設(shè)計(jì),確定更合理的燃料電池功率和控制策略,在滿足用戶需求的同時(shí)使氫燃料電池更節(jié)能、更高效。

1 用戶需求

整車車長(zhǎng)12 m,滿載總質(zhì)量18 t,最大載客量不小于53人,最高車速不低于100 km/h,最大爬坡度不小于18%,原地起步加速到80 km/h的時(shí)間不大于27 s,續(xù)駛里程不低于450 km。要求采用氫燃料電池作為動(dòng)力系統(tǒng)。客車的實(shí)際使用工況路譜如圖1車速曲線所示。

圖1 客車實(shí)際使用工況路譜

2 整車動(dòng)力系統(tǒng)架構(gòu)的確定

根據(jù)燃料電池輸出特性,燃料電池工作時(shí)需要輔助能源系統(tǒng)參與工作。輔助能源系統(tǒng)通常為蓄電池組或超級(jí)電容,主要方式有[1]：燃料電池+動(dòng)力電池、燃料電池+超級(jí)電容、燃料電池+動(dòng)力電池+超級(jí)電容,目前應(yīng)用最多的結(jié)構(gòu)是“燃料電池+動(dòng)力電池”。由于鋰電池在純電動(dòng)汽車上的廣泛應(yīng)用使其具有較好的性價(jià)比,因此,動(dòng)力電池大多采用的是鋰電池[2],本文即采用“燃料電池+動(dòng)力鋰電池”的方案。

由氫燃料電池作為主能源,鋰電池作為輔助能源的動(dòng)力系統(tǒng)架構(gòu)主要有4種,如圖2～圖5所示。

圖2 動(dòng)力系統(tǒng)架構(gòu)1

圖3 動(dòng)力系統(tǒng)架構(gòu)2

圖4 動(dòng)力系統(tǒng)架構(gòu)3

圖5 動(dòng)力系統(tǒng)架構(gòu)4

結(jié)合客車的使用特點(diǎn),本文選擇圖2所示的架構(gòu)1,這種結(jié)構(gòu)也是目前客車普遍采用的,特點(diǎn)是燃料電池將氫氣轉(zhuǎn)化為電能,輸出的電能先通過DC/DC升壓再與動(dòng)力電池并聯(lián)輸入到電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),電機(jī)輸出扭矩來驅(qū)動(dòng)車輛行駛;DC/DC為單向升壓輸出;燃料電池電堆承受的負(fù)載穩(wěn)定可控,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單[3]。

后橋速比及驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選定與普通純電動(dòng)客車一樣,目前電車用的ZF后橋常用速比為6.19,本文暫選這個(gè)速比。根據(jù)該后橋速比及整車主要參數(shù)計(jì)算可知,要滿足最高車速100 km/h的要求,電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速應(yīng)不小于3 200 r/min;按照最大爬坡度不小于18%的要求計(jì)算可知,電機(jī)的最大扭矩應(yīng)不小于2 800 N·m。

為滿足以上要求,初步選擇DANA TM4公司生產(chǎn)的TZ368XSPE260WH型號(hào)電機(jī),其主要參數(shù)如下：額定功率150 kW;額定扭矩1 000 N·m;峰值功率250 kW;峰值扭矩3 000 N·m;最高工作轉(zhuǎn)速3 500 r/min;額定電壓600 V。

根據(jù)電機(jī)及整車參數(shù),動(dòng)力性仿真的結(jié)果見表1。從表1中可以看出,選用后橋速比為6.19的TZ368XSPE260WH型號(hào)電機(jī)可滿足用戶的使用要求。

表1 動(dòng)力性仿真結(jié)果

3 動(dòng)力鋰電池和氫燃料電池的選定

3.1 動(dòng)力鋰電池的選定

動(dòng)力鋰電池是輔助能源,它的選擇與氫燃料電池的功率及工況有很大關(guān)系[4]。同時(shí),根據(jù)選擇的架構(gòu)1,動(dòng)力鋰電池的電壓要和電機(jī)電壓一致,需要滿足電機(jī)的電壓要求。前面選擇的電機(jī)的額定電壓為600 V,電壓范圍為550～750 V。因此,選擇寧德時(shí)代的173 Ah電芯的電池(3個(gè)C箱電池(1P63S)),其工作電壓為608.58 V,額定電量為105.3 kW·h,其他主要參數(shù)見表2。

表2 動(dòng)力鋰電池參數(shù)(50%SOC,25 ℃) A

3.2 燃料電池的選定

由于該車是長(zhǎng)途客車,高速路段較多,需要較大的燃料電池功率,根據(jù)目前燃料電池情況,選擇了2款燃料電池,其最大輸出功率分別為80 kW和110 kW。根據(jù)用戶提供的工況,最高車速100 km/h持續(xù)時(shí)間比較長(zhǎng),消耗功率較大,燃料電池功率不足時(shí)需要?jiǎng)恿﹄姵匮a(bǔ)充,所選燃料電池功率和動(dòng)力電池帶電量應(yīng)能滿足該工況的使用需要。經(jīng)驗(yàn)算,2款燃料電池功率在持續(xù)車速100 km/h時(shí)需要?jiǎng)恿﹄姵仉娏肯那闆r見表3。

表3 2款燃料電池所需動(dòng)力鋰電池電量計(jì)算結(jié)果

從以上計(jì)算結(jié)果可知,2款燃料電池理論上都可以滿足實(shí)際運(yùn)行需要,但功率小的需要?jiǎng)恿︿囯姵馗嗟貐⑴c工作,考慮到實(shí)際運(yùn)行時(shí)動(dòng)力鋰電池的SOC狀態(tài),一旦上高速,動(dòng)力電池的帶電量小于61 kW·h將不能滿足實(shí)際需要,同時(shí),110 kW的燃料電池要比80 kW的效率高(見圖6)。因此,推薦采用110 kW的燃料電池。

圖6 2款燃料電池效率對(duì)比

4 控制策略的優(yōu)化

電動(dòng)汽車運(yùn)行過程中,電機(jī)的輸出功率是隨著工況而變化的,而根據(jù)燃料電池的功率輸出特性,燃料電池輸出的功率應(yīng)盡量減少波動(dòng);在電機(jī)功率需求的變化中,燃料電池與輔助電池(動(dòng)力鋰電池)2種能源的特性處于動(dòng)態(tài)變化,如何保證燃料電池和動(dòng)力電池合理協(xié)調(diào)工作,使燃料電池性能穩(wěn)定、壽命更長(zhǎng)、可靠性更好是整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)的關(guān)鍵[5]。當(dāng)燃料電池輸出功率穩(wěn)定在一個(gè)值且需求功率較大時(shí),需要更多的動(dòng)力電池功率輸出;而更多的動(dòng)力電池功率輸出又會(huì)導(dǎo)致動(dòng)力電池帶電量無法滿足最小電量需求。因此,需要確定一個(gè)更優(yōu)的系統(tǒng)控制策略(能量管理方法)[6]。

根據(jù)選定的燃料電池(110 kW)和動(dòng)力鋰電池,首先按照原有的控制策略對(duì)用戶提供的工況進(jìn)行了2種情況的仿真分析,圖7和圖8分別是動(dòng)力鋰電池初始SOC為60%和100%時(shí)整車運(yùn)行的燃料電池輸出功率和氫耗的關(guān)系曲線,最后的氫耗結(jié)果見表4。

表4 動(dòng)力鋰電池初始電量不同的整車氫耗

圖7 動(dòng)力鋰電池初始電量SOC 60%時(shí)的燃料電池功率輸出及氫耗關(guān)系曲線

圖8 動(dòng)力鋰電池初始電量SOC 100%時(shí)的燃料電池功率輸出及氫耗關(guān)系曲線

實(shí)際上,這2種狀態(tài)是無動(dòng)力電池充電口的燃料電池車輛投入使用的常用狀態(tài)。圖8是新車投入使用動(dòng)力電池滿電運(yùn)行的狀態(tài),后期是按照?qǐng)D7狀態(tài)持續(xù)運(yùn)行的。也就是后期運(yùn)行時(shí),氫的消耗要達(dá)到6.65 kg/100 km。

另外,從圖7和圖8可知,為了保持動(dòng)力鋰電池最后的SOC狀態(tài)不小于60%,燃料電池的輸出功率變化較大(詳見圖上燃料電池輸出功率曲線),這對(duì)燃料電池是不利的,將大大影響其使用壽命[7]。

為了避免燃料電池輸出功率的大幅波動(dòng),使燃料電池盡量在恒定功率(或較小的功率變化)下工作[8],同時(shí),還要滿足動(dòng)力電池剩余電量不小于20%的要求。對(duì)燃料電池輸出功率及動(dòng)力電池輸出功率進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整,經(jīng)過幾輪優(yōu)化,按照目前動(dòng)力鋰電池的帶電量,優(yōu)化后的最理想結(jié)果如圖9和表5所示。

表5 優(yōu)化后的氫氣消耗

圖9 優(yōu)化后的燃料電池功率輸出曲線

從上面優(yōu)化結(jié)果可知,氫燃料電池的輸出功率波動(dòng)大幅減少,在路段運(yùn)行后期,燃料電池基本維持恒功率輸出,這對(duì)燃料電池是非常有利的,系統(tǒng)優(yōu)化后的百公里耗氫為5.31 kg,與圖7的狀態(tài)相比,氫耗減少20%,能耗大大降低。但為了達(dá)到這個(gè)結(jié)果,動(dòng)力鋰電池的最后SOC狀態(tài)最多只能達(dá)到33.9%,無法滿足不小于60%的持續(xù)運(yùn)行需要。為了滿足車輛持續(xù)運(yùn)行,需要額外增加動(dòng)力電池充電口,經(jīng)與客戶溝通,根據(jù)加氫成本與充電成本對(duì)比,客戶同意增加動(dòng)力電池充電口,這樣可以使運(yùn)營(yíng)成本大幅降低。而增加了充電口以后,動(dòng)力電池的剩余電量(33.9%)還可以繼續(xù)降低到20%左右,這樣更能節(jié)省氫氣的消耗,但考慮到后期電池電量的衰減,不再繼續(xù)優(yōu)化。

5 結(jié)束語

雖然選擇了合適的燃料電池功率和動(dòng)力鋰電池的帶電量,但不同的控制策略對(duì)燃料電池正常運(yùn)行和整車的能耗影響還是較大。因此,氫燃料客車的動(dòng)力系統(tǒng)匹配不僅要考慮選擇合適的燃料電池和動(dòng)力鋰電池,還要根據(jù)用戶的實(shí)際使用工況去優(yōu)化控制策略,以滿足燃料電池的使用要求和用戶的低成本運(yùn)行需要。