燃料電池重卡工況運行燃料經濟性仿真計算分析及評估

李鐘信　張偉強　程嘉祺　王領　張成平　劉博

摘 要：氫燃料電池汽車具有零排放、無污染、高效節能、噪聲低等優點。氫氣消耗量是燃料電池汽車重要的經濟性評估指標。本文采用由雄川氫能科技（廣州）有限公司、南京金龍客車制造有限公司、新源動力股份有限公司共同開發完成的31噸燃料電池重卡實車數據，基于國家重型車C-WTVC測試標準工況，結合仿真軟件建立了燃料電池重卡整車動態仿真模型，計算了整車在循環工況下的氫氣消耗量，并且和同類型的柴油重卡的柴油經濟性進行了基于仿真計算的對標，結果表明：按照目前到站的氫氣價格來看，傳統柴油重卡占據優勢，根據本文的仿真計算結果評估當氫氣價格下降到29元/公斤時該款燃料電池重卡的運行成本和同類型的柴油重卡持平。本文提出的工況仿真計算可以作為簡單快速評價燃料電池汽車經濟性的一種方法。

關鍵詞：燃料電池重卡 循環工況 仿真計算分析 經濟性評估

1 引言

氫能作為一種清潔低碳、熱值高、來源多樣、儲運靈活的綠色能源，被譽為21世紀的“終極能源”。目前國際氫能委員會指出[1]：預計到2030年，全球氫能領域的投資更將激增至5000億美元，其中交通領域的氫能應用將占到主要份額。目前全球的燃料電池汽車市場得到快速發展，全球關于氫能產業的發展都積極制定計劃政策以及實施，根據國際氫能委員會關于《Explore key policies and measures for EV deployment》的報告中[2]，明確探索全球各國電動汽車包含燃料電池汽車推廣的關鍵政策和措施，美國2019年11月發的《NATIONAL HYDROGEN ENERGY ROADMAP》[3]，氫能產業每年創造1400 億美元收入和70萬個就業機會，到2050年滿足美國15%的能源需求。歐洲2019年發布的《Hydrogen Roadmap Europe： A Sustainable Pathway for the European Energy Transition》[4]，計劃到2050年氫能可占歐洲最終能源需求的24%擁有8200億歐元市場。日本2021年發布《2050年碳中和帶來的綠色增長戰略》[5]提出預計2050年時燃料電池卡車累計安裝最多1，500萬輛。同時中國燃料電池汽車也發展迅猛，由2018年3896輛燃料電池汽車迅速增加到2021年的7352輛。根據國家發改委、能源局在《氫能產業發展中長期規劃（2021-2035年）》中明確“十四五”時期，預計到2025年我國燃料電池車輛保有量達到約5萬輛，到2035年我國燃料電池汽車將累計達到100萬輛[6]。

關于燃料電池汽車氫氣消耗量的測量評估方法，國標《GB/T 35178-2017燃料電池電動汽車氫氣消耗量測量方法》明確了燃料電池重卡采用C-WTVC標準循環工況進行測試[7]。目前國內外氫氣消耗量相關標準中最常使用外部供氫實測法包括質量分析法、溫度壓力法以及流量法[8]，[9]，[10]，這些方法雖然可操作性強，測量精度較高，但是需要對汽車進行改裝，存在測試成本高和周期長的問題。其次，該方法雖然可以測得汽車氫氣的消耗量，但是在計算動態的氫氣消耗量方面存在欠缺。因此，本文提出一種標準工況結合仿真計算的方法來實現對燃料電池汽車關于氫氣消耗量經濟性的評估。該方法通過仿真軟件搭建燃料電池汽車整車仿真模型，對汽車行駛狀態進行仿真分析，計算各標準循環工況下汽車的氫氣消耗量。該方法主要有以下兩點優勢：第一，可以快速調試各零部件匹配燃料電池汽車動力系統自由性能和匹配經濟性，給出設計優化方案；第二，可以有效避免測試時不必要的改裝制造成本、場地不便、測試周期長等問題。

2 研究方法

2.1 測試工況

本文借鑒聯合國規定的重卡WTVC測試程序基礎上，結合我國重卡的實際運行工況以及綜合考慮燃料電池重卡的市場定位及性能要求，最終選擇重型混合動力商用車測試工況 C-WTVC 為仿真標準工況。C-WTVC 是我國對重型混合動力商用車進行能量消耗量測試的推薦循環工況[11]，[12]，此循環工況共包括市區循環、公路循環和高速循環三個部分。C-WTVC 循環工況的單個運行周期累計運行時間為1800s，行駛距離為20.55km，具體的工況數據特征如表1所示。本次按照C-WTVC標準工況進行反復交替運行100km，完成對重卡百公里的燃料消耗量的經濟性評估。

2.2 仿真方法

本文采用Amesim仿真軟件，搭建燃料電池重卡汽車以及柴油重卡汽車仿真模塊，導入標準循環工況對汽車的燃料消耗進行計算，其中燃料電池重卡汽車運行的氫氣消耗量是由燃料電池系統測試數據與電機、蓄電池等部件特性曲線數據共同計算得出，從而得到燃料電池整車做功與能量轉換的關系和燃料氫氣的消耗量。本文利用該軟件建立相關模塊，建立適合于分析計算重卡燃料消耗經濟性的計算，軟件的仿真流程如圖1所示。

3 模型搭建

3.1 燃料電池重卡模型搭建

本模型主要由整車框架①、行駛環境②、百公里運行控制③、駕駛艙控制④、變速機構⑤、整車電機⑥、磷酸鐵鋰動力電池⑦、燃料電池⑧以及各類的控制信號ECU/VCU等模塊如圖２所示，暫時不考慮整車燃料電池輔件以及散熱輔件的影響。根據各自的聯系和相互作用的關系連接起來，組成整車系統的模型。

如圖２所示，整車框架①通過輸入重卡的相關車輛信息以及行駛的環境條件，則該模塊將計算出重卡相應的行駛阻力包括行車風阻、滾動阻力及爬坡阻力以及行車扭矩等，整車的具體參數信息如表2所示：本文以南京金龍的31噸重型泥頭車燃料電池整車已知參數為例進行氫氣消耗量作為計算依據；

整車的行駛狀態包括行車勻速、加速、減速、制動停車等將由駕駛艙控制④的C-WTVC工況設定控制以及VCU中央信號控制處理器進行指令操作；整車的動力將由整車電機⑥提供，電機通過輸入實驗真實的電機運轉數據包括電機轉速、扭矩以及功率等，本文采用由綠控傳動科技有限公司提供的電機參數信息如表3，圖3電機額定電動特性曲線；

這些數據將匹配行車所對應的C-WTVC工況速度下的扭矩，對應消耗需求的電機功率將由磷酸鐵鋰動力電池⑦和燃料電池⑧共同協調提供，本文采用匹配南京金龍燃料電池泥頭車的新源動力公司的燃料電池運行參數，該燃料電池的基本參數如表4，燃料電池輸出功率與氫氣消耗量特性曲線關系如圖４所示；

電機運轉的轉速和扭矩所需的功率信號將反饋給ECU和VCU，ECU控制燃料電池的工作狀況（工作與否、輸出功率等），VCU控制ECU的控制指令發出和蓄電池SOC狀態和電池充放電狀態，對于蓄電池充放電臨界值涉及蓄電池剩余容量SOC狀態以及電池SOC與穩定放電效率關系，根據蓄電池較穩定放電效率高的SOC區間作為電池放電輸出工作區間控制，本文采用4組匹配南京金龍燃料電池泥頭車的寧德時代公司的磷酸鐵鋰蓄電池組運行參數，該蓄電池的基礎參數如表5，且電池電壓輸出相對高效且穩定的基本處于電池容量的80%-90%之間，電壓波動相對小，可作為該模型中ECU的充放電SOC的控制參考值使用。在上述涉及相關數據以及匹配關系均由各部件實驗測試數據表格錄入。

在該軟件模塊化仿真計算中，功率Pm是由駕駛艙提供的C-WTVC工況控制對應的電機輸出功率，燃料電池輸出功率Pc、蓄電池輸出功率Pbattery的輸出均由輔助控制器ECU和中央控制VCU進行控制，設定功率Plow為燃料電池開始工作邊界功率值，控制可分為以下幾種情況：

1）Pm≦Plow

當Pm≦Plow時，汽車電機行駛所需的功率僅由蓄電池提供，燃料電池出休眠狀態，重卡在此運行中不存在氫氣消耗；除非蓄電池不足以維持該狀態（包括充電狀態），燃料電池才開始以較經濟功率進行工作，同時給蓄電池充電，充電過程中燃料電池需要消耗氫氣轉換成電能給重卡和電池供應。

2）Pbattery≥Pm≥Plow

當Pbattery≥Pm≥Plow時，汽車電機行駛所需的功率僅由蓄電池提供，燃料電池出休眠狀態，重卡在此運行中不存在氫氣消耗；除非蓄電池不足以維持該狀態（包括充電狀態），燃料電池才開始以較經濟功率進行工作，同時給蓄電池充電，充電過程中燃料電池需要消耗氫氣轉換成電能給重卡和電池供應。

3）Pm≥Plow、Pbattery

當Pm≥Plow、Pbattery時，汽車電機行駛所需的功率由蓄電池與燃料電池共同提供，此時又分為2種情況：

1））若燃料電池較經濟功率與蓄電池輸出功率之和無法滿足當前電機所需功率，燃料電池將以最大功率輸出，蓄電池將一直持續輸出直到SOC≦20%，重新充電（燃料電池優先滿足行駛需求）。

2））若燃料電池較經濟功率與蓄電池輸出功率之和無法滿足當前電機所需功率，且蓄電池已無法提供能量，燃料電池將以最大功率輸出，將僅由燃料電池工作輸出，直到蓄電池充電符合重新工作。

上述的這兩種情況，這整個電能供應過程，燃料電池重卡始終在消耗氫氣供應電力。目前在廣州黃埔區運行的120KW燃料電池泥頭重卡實車見圖5。

本文搭建的燃料電池重卡整車模型，通過該仿真軟件可以輕松得到燃料電池重卡的氫氣消耗量的結果。該軟件功能的強大不止于此，我們完全可以通過調試本文模型的系統零部件的不同參數設置，由于系統零部件的更換或參數的不同均會對最終仿真結果造成影響，進而得到燃料電池重卡匹配不同動力或電力時的氫氣消耗量不同仿真結果，在這些結果中探找設計的最優方案。例如保持本文的搭建模型系統，調試蓄電池的不同充放電臨界值SOC為50%、60%、70%、80%等或設置蓄電池的不同容量值10AH、20AH、30AH、40AH、50AH、60AH等以及蓄電池輸出功率的類型是容量型或功率型等。通過輸入蓄電池不同參數，都可以對燃料電池汽車經濟性產生影響，在有限資源下給燃料電池汽車匹配最優蓄電池（優選容量、優選材料、優選功率輸出、優選購買價格參考等），在能滿足燃料電池動力需求下，氫氣消耗量的經濟性最優。其他零部件匹配燃料電池汽車動力系統運行上的經濟性也可以按照上述方法進行匹配優化仿真計算，根據所有的仿真結果，給出設計冗余，即可給出較優設計方案。

3.2 柴油重卡模型搭建

本文柴油整車系統模型主要發動機模塊、變速器模塊、循環工況模塊以及油箱、油耗顯示器等部件，組成整車系統的模型，如圖６所示。

本文建立的柴油重卡仿真整車模型，確保整車參數（長、寬、高、軸距、輪距、軸載荷、迎風面積、質量、空氣阻力系數、汽車最高車速等）、輪胎參數（半徑、轉動量等）、傳動系參數（各擋傳動比、主減速器傳動比、傳動效率等）、控制運行工況、路試環境等參數和燃料電池汽車基本一致，才有比較的意義以及可比性。本文柴油發動機的參數采用該軟件模塊化中的柴油重卡的發動機的性能參數。

4 結果對比分析

為了減少仿真的不確定因素的影響，將燃料電池重卡與柴油重卡的仿真整車的車輛信息、路試工況等參數設置一致的狀態下，經過對其重卡在C-WTVC標準工況下燃料消耗的仿真，燃料電池重卡與傳統柴油重卡均按C-WTVC標準工況下循環運行百公里，該軟件仿真結果如圖７重卡C-WTVC標準工況周期實際運行狀況；圖８重燃料電池重卡C-WTVC標準工況下百公里氫氣消耗量；圖9柴油重卡C-WTVC標準工況下百公里柴油消耗量。

根據上述圖7可知，燃料電池重卡的仿真實際運行工況整體上與C-WTVC控制工況曲線基本重合，差異性極小可以忽略不計，只有在突然變速點稍有延遲不重合外，其余平穩運行，燃料電池重卡按該工況運行單個周期的行駛距離為20.5km，與控制工況行單個周期距離相差0.24%。傳統柴油重卡仿真實際運行與C-WTVC控制工況整體曲線基本吻合，與控制工況周期距離相差1.75%，存在極小偏離，偏差小到可以忽略不計。傳統柴油重卡仿真運行一個控制工況周期的行駛距離比控制工況下周期距離稍短，傳統柴油重卡仿真運行一個控制工況周期的行駛距離為20.19km，與燃料電池重卡仿真車單周期運行的仿真距離相差1.51%。傳統柴油重卡仿真實際工況整體運行曲線與燃料電池重卡的仿真實際運行工況整體運行曲線基本吻合，趨勢一致，且滿足工況的最大時速87.8Km/h的要求，符合燃料電池重卡與傳統柴油重卡工況運行下燃料經濟性評估微小差異允許范圍。

根據上述圖８可知，燃料電池重卡仿真實際行駛百公里只需4.88個工況周期，耗時總共8860.95s ，燃料電池重卡在C-WTVC測試控制工況下百公里氫氣消耗量為6.24Kg。整個運行過程，可以看出燃料電池重卡在測試工況下消耗氫氣的速率走勢不規律，第1第2運行周期的氫氣消耗速率波動較大，該波動主要有2部分原因造成。前半段主因體現在燃料電池重卡處于工況加速至最高控制時速87.8Km/h時，該階段的燃料電池以最高功率輸出工作，氫氣消耗速率最大。后半段主因體現燃料電池重卡由高速點制動減速轉為低速行駛，蓄電池的SOC已低于80%處于需要充電狀態。此時的燃料電池則以最高功率輸出工作，一邊為車輛供能低速行駛，一邊為蓄電池充電。第3第4周期的氫氣消耗速率走勢相對平穩，主要由于蓄電池的充放電頻率與處于運行加速狀態的共同作用下，燃料電池持續工作為車輛和蓄電池供能，使得燃料電池重卡氫氣消耗速率相對平穩一致。從圖中氫氣消耗量走勢可看出，存在有短小臺階層，主要是燃料電池重卡在運行過程中處于控制工況低速且蓄電池的SOC大于80%的狀態（蓄電池無需充電），燃料電池重卡運行的電機所需要的功率可直接僅由蓄電池提供，則燃料電池此時處于非工作狀態，不消耗氫氣。

根據上述圖9可知，傳統柴油重卡仿真實際行駛百公里只需4.95個工況周期，耗時總共8935.52s ，柴油重卡在C-WTVC測試控制工況下百公里柴油消耗量為28.34Kg。整個運行過程，可以看出柴油重卡在測試工況下消耗柴油的速率走勢相對平穩規律，整體比較線性，只有柴油重卡處于C-WTVC控制工況的加速至最高速的加速階段，柴油消耗速率快速變大。

將仿真結果與實際重卡路試的燃料消耗量進行對比分析（實車運行工況不一定與C-WTVC標準工況保持一致，但C-WTVC標準工況是相對符合國內重卡行車習慣和實際行駛情況的，具有一定的參考意義），以下是重卡實際燃料消耗量結果與燃料消耗量仿真結果經濟性差異如表6所示[13]，[14]以及廣州氫氣價格如圖10和表7廣州氫氣銷售價格情況[15]所示。

通過以上計算仿真結果圖8、圖9與表6的對比可得出結論：重卡實際燃料消耗經濟性及仿真結果分析出：由仿真計算得出的柴油消耗量與實際運行時柴油消耗量相差不大，百公里柴油消耗量的值相差8.67％。仿真計算得出燃料電池重卡仿真得到的氫氣消耗量與燃料電池重卡實際運行的氫氣消耗量相差不大，百公里氫氣消耗量的值相差7.59％。無論是柴油消耗量對標還是氫氣消耗量的對標，差值均處于10%的可接受范圍內，因此，提出標準工況+軟件計算仿真評估其經濟性方法是具有實際參考意義的。

關于燃料電池汽車運行成本經濟性的評估可分為2種情況進行分析：

1）在廣州政府發布《廣州市黃埔區 廣州開發區促進氫能產業發展辦法實施細則》的氫氣銷售補貼政策下（2021年度，氫氣銷售價格補貼20元/kg；2022-2023年度，氫氣銷售價格補貼15元/kg。）[15]，目前項目120KW燃料電池泥頭車在廣州黃埔示范區運營，故而采用廣州氫能補貼政策。廣州黃埔區氫能補貼力度最大時期的燃料電池重卡運行成本都高達374.4元，而柴油重卡柴油（柴油價格8元/L）消耗的運行成本只有289.16元，補貼后的燃料電池重卡運行成本比傳統柴油重卡柴油運行成本高29.48%。由此看來傳統柴油重卡在運行成本方面占據很大優勢。

2）在沒有國家政府補貼政策支持的情況下，廣州氫氣銷售價格目前維持在80元/kg，柴油的價格銷售價格遠比氫氣銷售價格成本的低很多，傳統柴油重卡占據主導地位。但隨著全球關于氫能產業包括加氫站、制氫、氫氣運輸以及氫儲等政策的制定與落實[16]，[17]，燃料電池汽車的運行成本將在加氫站、制氫、氫氣運輸以及氫儲等方面的成本普遍降低中收益，未來氫氣價格下降到29元/kg時，該款燃料電池重卡的運行成本和同類型的柴油重卡持平。

5 總結

燃料電池汽車作為新能源汽車之一，與傳統柴油內燃機汽車一樣，柴油經濟性與燃料電池汽車的氫氣消耗量經濟性作為汽車的重要評估指標之一。本文采用由南京金龍、新源動力、雄川氫能共同開發完成的31噸燃料電池重卡實車數據，基于國家重型車C-WTVC測試標準工況，結合仿真軟件建立了燃料電池重卡整車動態仿真模型，計算了整車在循環工況下的氫氣消耗量，并且和柴油重卡的柴油經濟性進行了基于仿真計算的對標，結果表明：本文提出的工況仿真計算可以作為燃料電池汽車運營經濟性評估的一種具有實際參考意義的方法。目前按照國內氫氣銷售價格以及柴油銷售價格來看，傳統柴油重卡依舊占據主導位置，但在國家支持政策以及企業技術尤其在制氫、儲氫、運氫等技術逐漸成熟的相互扶持下，未來氫氣價格下降到29元/公斤時該款燃料電池重卡的運行成本和同類型的柴油重卡持平。

本文提出工況+仿真計算評估汽車燃料消耗經濟性的方法是非常適合推廣的，操作簡單，可行性強。該方法主要體現在不僅能省去很多實車制樣、改裝、實車測試等等繁瑣中間環節，還極大節約研發及修改方案以及試樣測試的時間成本，同時也在匹配燃料電池汽車動力系統經濟性動態分析方面發揮巨大優勢。

需要進一步說明的是，利用本文中工況+仿真方法評估汽車燃料消耗經濟性進一步進行如下問題的研究：

１）對燃料電池重卡的燃料經濟性進行預測，這對汽車產品的開發極為有利。

２）分析不同參數（蓄電池容量等）對燃料電池重卡燃料經濟性的影響，對車輛的相關參數進行合理的設計。

3）分析各零部件匹配燃料電池汽車動力系統良好自由性能、友好經濟性策略，對車輛的相關參數進行合理的設計。

課題來源： 雄川氫能科技（廣州）有限公司2021-2023年科研項目“氫燃料電池動力系統多合一集成控制器研發”項目（項目任務書編號：2020B0909040004）的階段性成果。

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