冉 昊 陳嘉輝 唐 科 楊金龍

（重慶交通大學(xué) 機(jī)電與車輛工程學(xué)院，重慶400074）

面臨世界能源危機(jī)與大氣環(huán)境污染問題，電動(dòng)汽車是汽車未來發(fā)展的重要方向。為達(dá)到無污染、零排放的目標(biāo)，燃料電池混合動(dòng)力汽車已成為城市公交車的一個(gè)重要發(fā)展方向。由城市公交車運(yùn)行工況的特點(diǎn)可知，車輛需要頻繁地進(jìn)行起停、加減速，導(dǎo)致車輛的功率動(dòng)態(tài)變化較快。受限于燃料電池的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性和耐久性，以燃料電池為唯一能源的電動(dòng)汽車的性能會(huì)受到明顯影響[4]。

基于上述原因，本文提出了一種采用燃料電池與蓄電池和超級(jí)電容混合驅(qū)動(dòng)（FC+B+C）的插電式電動(dòng)汽車結(jié)構(gòu)，并以某型城市公交車的性能要求進(jìn)行構(gòu)型與參數(shù)設(shè)計(jì)，并建立模型進(jìn)行仿真，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的可行性。

1 動(dòng)力系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

插電式燃料電池混合動(dòng)力客車設(shè)計(jì)方案的動(dòng)力系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。燃料電池具有高效率、高能量密度的特點(diǎn)，主要提供客車巡航時(shí)所需的平均功率。蓄電池具有高比功率、高負(fù)載的優(yōu)點(diǎn)，與超級(jí)電容作為峰值電源滿足峰值功率需求，并且蓄電池能驅(qū)動(dòng)客車一定續(xù)駛里程，儲(chǔ)存回收制動(dòng)能量所產(chǎn)生的電能。超級(jí)電容具有快速大電流充放電的特性，為客車起步時(shí)提供大電流，完善了蓄電池的不足并延長其壽命[1]。

圖1 動(dòng)力系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

整車動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)屬于串聯(lián)式混合動(dòng)力結(jié)構(gòu)，整車能源由燃料電池和輔助電源共同或單獨(dú)提供，故需要電耦合裝置進(jìn)行調(diào)節(jié)，保證車輛在行駛工況下的功率需求。

因此電壓總線需要通過DC/DC 轉(zhuǎn)換器控制電流的流動(dòng)進(jìn)行功率分配。出于對(duì)系統(tǒng)的效率、控制的難易程度等考慮，本文采取的電電耦合方案，如圖2 所示。

圖2 電耦合方案

該結(jié)構(gòu)使輔助電源電壓與總線電壓相同，且DC/DC 轉(zhuǎn)換器可控制燃料電池的放電電流，使燃料電池和輔助電源都能正常工作。輔助電源直接與電壓總線連接，沒有其他元器件的能量損耗，提高了能量利用率。因?yàn)槿剂想姵氐哪芰繂蜗蛄鲃?dòng)，且能明確在整車動(dòng)力系統(tǒng)中承擔(dān)的最大輸出功率，故單向DC/DC 轉(zhuǎn)換器滿足燃料電池的額定功率即可[3]。

2 能量控制策略及整車控制系統(tǒng)

為使燃料電池工作在最佳工作區(qū)間，以及輔助電源能滿足整車的峰值功率的需求，需要對(duì)能量進(jìn)行控制分配?；陔娏骺刂频哪芰抗芾聿呗允墙oDC/DC 轉(zhuǎn)換器設(shè)置目標(biāo)電流指令來控制燃料電池的輸出功率。由峰值電源提供功率需求的高頻部分，在滿足功率需求的同時(shí)，改善了燃料電池的效率及安全性，且燃料電池能及時(shí)補(bǔ)充峰值電源消耗的能量[4]。

3 整車參數(shù)設(shè)計(jì)

3.1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選型匹配?？紤]到車內(nèi)空間、多種工作模式切換等因素，綜合考慮選擇異步電動(dòng)機(jī)作為整車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

根據(jù)汽車?yán)碚?，通過功率平衡來計(jì)算峰值功率。

帶入整車參數(shù)，可得：

根據(jù)額定功率與峰值功率的關(guān)系得出電動(dòng)機(jī)的額定功率。

驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的額定功率必須達(dá)到最高車速時(shí)的牽引功率，所以λ=3，pe=68kw。

電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩：

電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩：

電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速：

由于過高的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速會(huì)導(dǎo)致傳動(dòng)比增大，傳動(dòng)系的體積、質(zhì)量、傳動(dòng)損耗增大，故電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速為2700r/min。擴(kuò)大恒功率區(qū)系數(shù)β 取3，電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速ne=900r/min。

3.2 燃料電池。本文選擇質(zhì)子交換膜燃料電池。燃料電池單獨(dú)提供汽車最大速度穩(wěn)定行駛的功率時(shí)，還需留有一定的富余功率對(duì)蓄電池進(jìn)行充電。

最高車速行駛時(shí)，電機(jī)的功率為40kw，考慮到車輛電氣設(shè)備的功率消耗，并且燃料電池需留有一定的后備功率。故燃料電池的功率選取50kw。

3.3 輔助動(dòng)力源。（1）蓄電池的選型與參數(shù)確定?？紤]到車輛實(shí)際運(yùn)行情況，保證城市公交車的安全性等，本文選擇金屬氫化物鎳電池作為蓄電池。蓄電池的放電功率應(yīng)能滿足起步、加速等峰值功率需求；其最大充電功率能滿足制動(dòng)能量的回收。按中國城市客車典型工況純電續(xù)駛里程和等速工況純電續(xù)駛里程計(jì)算，選擇電池容量為120Ah/530V，總電量63.6kWh；電池系統(tǒng)具備峰值功率3C充放電能力。（2）超級(jí)電容數(shù)量的確定。在確定的車型結(jié)構(gòu)布置和系統(tǒng)電壓下，影響超級(jí)電容數(shù)量的因素主要為：超級(jí)電容輸出功率、充放電時(shí)間、車輛的加速與制動(dòng)時(shí)間的限制。通過設(shè)計(jì)目標(biāo)計(jì)算，選擇單體電容量為300F 超級(jí)電容197 個(gè)，單體工作電壓2.7V，單體電容工作電流17A，單體電容電量1.4Ah，單體電容內(nèi)阻0.028Ω。

3.4 儲(chǔ)氫系統(tǒng)。在滿足續(xù)駛里程的要求下，采用商用車常用的35MPa 高壓儲(chǔ)氫技術(shù)，由8 只145L 的高壓儲(chǔ)氫瓶儲(chǔ)存氫氣，有效儲(chǔ)氫量24.8kg，等效發(fā)電量在335kWh 左右，可滿足整車300km 工況續(xù)駛里程要求[2]。

4 整車仿真

4.1 仿真模型。本文采用CRUISE 仿真軟件，基于中國典型城市道路循環(huán)工況進(jìn)行動(dòng)力系統(tǒng)建模仿真。建立燃料電池混合動(dòng)力客車動(dòng)力系統(tǒng)模型如圖3 所示。

圖3 動(dòng)力系統(tǒng)仿真模型

4.2 動(dòng)力系統(tǒng)仿真結(jié)果。結(jié)果表明：超級(jí)電容的高效充放電特點(diǎn)，使車輛具有較好的經(jīng)濟(jì)性。蓄電池作為輔助電源，使汽車能達(dá)到所需的動(dòng)力性，并且燃料電池不會(huì)明顯受到其動(dòng)態(tài)變化的影響。總體性能滿足城市公交車的運(yùn)行要求。

5 結(jié)論

燃料電池電動(dòng)汽車具有高效、零排放、續(xù)駛里程長等特點(diǎn)，是未來電動(dòng)車發(fā)展與研究的重要方向。本文提出了一種燃料電池混合動(dòng)力客車的系統(tǒng)構(gòu)型，并通過CRUISE 進(jìn)行建模仿真，驗(yàn)證了其動(dòng)力系統(tǒng)的合理性。