氫燃料電池整車動力系統參數匹配方法研究

摘 要：燃料電池整車動力匹配在燃料電池整車研發設計中屬于十分重要的一環，直接關系到燃料電池整車動力性和經濟性，但目前市面上暫無成熟的動力系統參數匹配方法。基于上述情況，結合已開發的全功率和混合動力架構車型，以整車指標為基礎，結合動力學理論以及測試經驗，提出燃料電池汽車動力系統參數匹配方法，并選擇全功率和混合動力車型進行實車驗證，進一步證實了該整車動力匹配方法的合理性，對燃料電池整車動力匹配集成以及參數選型有較好的借鑒意義。

關鍵詞： 氫燃料電池汽車；動力源；匹配設計

中圖分類號：U473.4" " " "文獻標識碼：A" " " "文章編號：1005-2550（2024）01-0010-06

Research on Parameter Matching Method for Hydrogen Fuel Cell Vehicle Power System

ZHOU Feng1， JIANG Pei2， HU Jiong-tao2， WEN Kai-kai1， ZHANG Ying-qian1

（1.National Automobile Quality Inspection and Test Center （Xiangyang）， Xiangyang 441004， China;2. Dongfeng Motor Corporation Researchamp;Development" Institute，

Wuhan 430058， China）

Abstracts： The power matching of fuel cell vehicles is a very important part of the research and development design of fuel cell vehicles， which directly affects the power and economy of fuel cell vehicles. However， there is currently no mature method for power system parameter matching on the market. Considering the above situation， combined with the developed full power and hybrid architecture models， based on vehicle indicators， combined with dynamic theory and testing experience， a fuel cell vehicle powertrain parameter matching method is proposed. Full-power and hybrid models are selected for actual vehicle verification， further confirming the rationality of the vehicle power matching method， It has good reference significance for the integration of fuel cell vehicle power matching and parameter selection.

Key Words： Hydrogen Fuel Cell Vehicle; Power Source; Matching Design

1" " 概述

氫燃料電池作為我國能源結構轉型中的重要一環，備受國家層面重視，近年來，相關產業政策密集發布。2022年3月，發改委和能源局牽頭發布的《氫能產業發展中長期規劃（2021-2035年）》明確指出：預計2025年氫燃料電池汽車保有量5萬輛。燃料電池汽車具有效率高、零排放、加氫快等優點，在各大企業高校中被廣泛研究[1-12]。其動力系統參數匹配選型是整車開發設計中的重點，直接關系到整車動力經濟性以及成本[10，13-15]。本公司以整車基本參數和性能參數為輸入，基于正向開發流程，采用約束匹配法進行動力參數匹配選型，設計出較為理想的整車動力參數匹配選型方案，隨后通過仿真分析和實車驗證，進一步驗證了參數的合理性。

2" " 動力架構的選擇

目前燃料電池整車動力架構主要有全功率和混合動力兩種構型，市面上的產品商用車以混合動力為主，乘用車以混合動力和全功率為主，其動力系統結構如圖1所示[5，6，12，16]。全功率動力架構由燃料電池系統和小容量的動力電池組成，該構型對燃料電池系統要求較高，通常搭配功率跟隨的控制策略，燃料電池系統的輸出功率隨著整車功率波動較大，對燃料電池系統性能和壽命要求較高；混合動力架構以燃料電池系統和大容量動力電池并聯為主，小功率拉載時，燃料電池系統輸出的電流電壓通過DC/DC升壓降流后給驅動電機供電，同時向動力電池充電，在整車需要大功率拉載時，燃料電池系統和動力電池同時向驅動電機供電以保證整車正常運行。

3" " 動力系統參數匹配計算流程

3.1" "整車設計參數和性能參數

為方便確定后續的動力零部件參數閾值，首先需對整車參數輸入約定，同時根據燃料電池汽車的動力性目標和經濟性目標確定動力系統的性能參數，相關參數見表1和表2：

3.2" "驅動電機參數設計匹配

根據汽車動力學相關知識，電機的額定功率應該滿足30min最高車速要求，峰值功率需滿足最高車速、最大爬坡度最高車速以及百公里加速時間所需功率要求，功率需求見公式（1）～（5）：

其中：

Pmc_e—驅動電機額定功率，單位：kW；

M—滿載質量，單位：kg；

A—迎風面積，單位：m2；

CD—空氣阻力系數；

f —滾動阻力系數；

ηr—傳動系效率；

V30max—30分鐘最高車速，單位：km/h；

Pmc_max1—最高車速下的功率需求，單位：kW；

Vmax—最高車速，單位：km/h；

Pmc_max2—最大爬坡度下的功率需求，單位：kW；

αmax —最大爬坡度對應的角度；

Vα_max—在最大爬坡度下的最高車速，單位：km/h。

Pmax3—百公里加速性需求下的功率需求，單位：kW；

tm—百公里加速時間，單位：s；

δ—旋轉質量換算系數。

電機的扭矩數值主要由其爬坡性能確定。

其中：

Tmc_e—驅動電機額定扭矩，單位：N·m；

αmaxL—整車最大長坡爬坡度；

Vα_maxL—最大長坡爬坡度對應的最大爬坡車速，單位：km/h。

Tmc_max1—驅動電機峰值扭矩，單位：N·m；

Tmc_max2—驅動電機峰值扭矩，單位：N·m；

α起步max—起步最大爬坡度；

f靜摩擦—起步靜滾動摩擦系數。

電機的轉速主要由各工況下最高車速確定。

其中：

ig—固定速比；

i0—主減速比；

r—車輪滾動半徑，單位：m；

nmc_max—驅動電機最高轉速，單位：r/min。

nmc_e1—驅動電機額定轉速，單位：r/min；

3.3" "燃料電池系統參數設計匹配

燃料電池系統關鍵參數為額定功率，其需滿足最高車速、最大爬坡度最高車速以及百公里加速時間所需功率要求。

其中：

PFCV_1—燃料電池系統凈輸出功率，單位：kW；

ηDC—燃料電池DCDC轉換效率；

ηfc_to_mc—燃料電池系統至電機效率。

PFCV_2—最大爬坡度下的功率需求，單位：kW；

PFCV_3—百公里加速性需求下的功率需求，單位：kW；

基于整車對燃料電池系統性能要求結合整車能量管理策略以及現有燃料電池系統產品序列選型得到最終的燃料電池系統。

3.4" "儲氫系統參數設計匹配

儲氫系統主要考慮整車經濟性以及續駛里程的要求，根據續駛里程和整車氫耗量指標，計算出儲氫量。

（16）

其中：

mH2—儲氫量，單位：kg；

L—續駛里程，單位：km；

mH2_100—百公里耗氫量，單位：kg。

3.5" "動力電池參數設計匹配

動力電池的主要依據整車動力性經濟性參數進行匹配設計，詳細方案如下：

1）根據驅動電機和燃料電池系統輸出功率差值初步計算動力電池輸出功率；

2）由能量管理策略分配燃電系統和動力電池功率；

3）根據純電續駛里程計算所需消耗電能量；

4）根據整車總布置的需求和參考國家電動汽車高壓系統電壓等級相關標準要求，預估和設計高壓系統電壓等級；

5）確定電池容量。

動力蓄電池需滿足燃料電池系統停機和啟動需求，以及純電續航需求；

3.5.1 全功率汽車動力電池

全功率車型的電池功率由電機功率動力電池功率結合能量管理策略共同確定。

（17）

其中：

Pbattery—動力電池放電功率，單位：kW；

ηB_to_mc—電池至電機的傳動效率；

ηfc_to_mc—燃料電池系統至電機傳動效率；

PA—整車高壓附件功率，單位：kW。

根據CLTC續駛里程目標計算整車需求的能量，電池可用的能量應大于CLTC工況續駛里程所需要消耗的電能量，見公式（18）：

其中：

Qbattery2—乘用車所需動力電池能量，單位：kWh；

S續駛_CLTC—CLTC總續駛里程，單位：km；

SCLTC—仿真計算單次CLTC循環的行駛距離，單位：km；

Qmc_CLTC—仿真計算單次CLTC循環電機端消耗的能量，單位：kWh。

動力電池電量應滿足最低使用溫度下燃料電池系統停機和啟動的電量需求，即至少應滿足燃料電池系統2次低溫起動和停機的電量需求，見公式（5-25）：

其中：

Qbattery3—2次低溫起動停機時所需要的能量；

Pair_compressor_起—空壓機起動時所需功率；

PPTC_起—PTC起動時所需功率；

Pair_compressor_停—空壓機停機時所需功率；

PPTC_停—PTC起動時所需功率；

t1—空壓機起動時時間；

t2—PTC起動時時間；

t3—空壓機停機時時間；

t4—PTC停機時時間；

對于乘用車，動力電池所需能量應為：

（20）

5.4.6 根據電壓等級和能量控制策略需求匹配設計動力電池容量需求

根據SOC變化量確定電池系統容量，見公式（21）：

（21）

其中：

C_Ah—動力電池容量，單位：Ah；

U—動力電池電壓，單位：V。

3.5.2 混合動力汽車動力電池

對于混合動力燃料電池的動力電池相關參數得選型，其功率和容量參數與全功率類型，其能量參數因由60km/h勻速行駛時能行駛里程數和CHTC確定。

（22）

其中：

Qbattery1—動力電池能量，單位：kWh；

S_60—按60km/h勻速行駛時能行駛里程數，單位：km；

Qbattery3—商用車所需動力電池能量，單位：kWh；

S續駛_CHTC—CHTC總續駛里程，單位：km；

SCHTC—仿真計算單次CHTC循環的行駛距離，單位：km；

Qmc_CHTC—仿真計算單次CHTC循環電機端消耗的能量，單位：kWh。

對于商用車，動力電池所需能量應為：

（24）

3.6" "構建仿真模型

基于上述理論以及實測測試構建仿真模型，電機、儲氫、燃電系統以及動力電池模型如圖2所示：

4" " 仿真結果分析

為了驗證上述動力參數的合理性，選取了全功率乘用車和混合動力商用車各一輛，通過上述的匹配結果與實際結果相比對以驗證所提方法的合理性，相關參數見表3和表4。

4.1" "整車參數輸入

4.2nbsp; "動力參數仿真匹配與實車驗證

經過在Matlab/Simulink搭建的參數匹配模型計算出各動力匹配參數閾值，經過整車能量管理策略調整和匹配選型后，已在整車上搭載，其性能經過整車路試，以滿足當初設計的整車動力性經濟性指標，參數見表5。

5" " 結論

通過對燃料電池現有動力架構的匹配研究，本公司以整車基本參數和性能參數為輸入，基于正向開發流程，采用約束匹配法進行動力參數匹配選型，設計出較為理想的整車動力參數匹配選型方案，隨后通過Matlab/Simulink仿真分析和實車驗證，進一步驗證了參數匹配的合理性，所選參數均滿足整車動力性經濟性指標要求。相關的匹配計算過程可為后續的燃料電池整車開發提供相關參考依據。

參考文獻：

[1]屠暢. 燃料電池混合動力汽車能量管理控制策略研究[D]，2023.

[2]周雅夫， 黃立建， 孫宵宵， et al. 一種提高氫氣平均利用效率的整車控制策略[J].哈爾濱工業大學學報，2022，（01）： 22-8.

[3]石磊. 增程式電動汽車動力系統參數匹配和整車控制策略研究[D]，2022.

[4]劉振. 燃料電池電動汽車能量控制策略及性能仿真 [D]，2022.

[5]高玉坤. 基于出行工況預測的全功率燃料電池汽車控制策略研究[D]，2022.

[6]陳本海. 電-電混合燃料電池客車動力系統建模與能量管理策略研究[D]，2022.

[7]鄒玲菠. 考慮能量源壽命的復合儲能燃料電池汽車動力系統參數匹配與能量管理策略研究[D]，2021.

[8]吳詩雨，郭婷，王國卓，et al. 燃料電池汽車能量管理測評研究分析[J]. 汽車文摘，2021，（11）： 59-62.

[9]唐捷旭. 車用增程式燃料電池混合動力系統能量管理策略優化研究[D]，2021.

[10]郭曉勐，郭長浩，王坤玉，et al. 氫燃料電池卡車動力傳動系統參數匹配和性能研究[J]. 重型汽車，2021，（04）： 5-7.

[11]陳準. 氫燃料電池重卡整車控制策略的研究 [D]，2021.

[12]張夢. 燃料電池混合動力汽車能量管理策略研究 [D]，2020.

[13]龍興利. 氫燃料電池電電混合城市客車動力源匹配設計[J].客車技術與研究，2021，（04）： 7-10.

[14]王成繼. 燃料電池拖拉機動力系統設計與研究 [D]，2020.

[15]溫延兵. 氫燃料電池轎車能源與動力系統優化匹配及控制策略研究[D]，2016.

[16]紀人桓. 全功率燃料電池汽車動力系統優化設計與能量管理[D]，2020.

專家推薦語

侯永平

同濟大學汽車學院教授

本文以整車基本參數和性能參數為輸入，基于正向開發流程，采用約束匹配法進行了兩種構型的燃料電池汽車動力參數匹配選型，設計出較為理想的整車動力參數匹配選型方案。本文的研究成果對于燃料電池汽車動力系統參數匹配設計具有較大的參考價值。

周" "鋒

畢業于武漢理工大學汽車工程學院，碩士研究生學歷，現就職于國家汽車質量檢驗檢測中心（襄陽），任責任工程師，研究方向：燃料電池整車動力系統匹配、性能仿真，燃料電池部件測試。