劉世闖，孫桓五，2，王瑞鑫，李 昊，張東光

（1. 太原理工大學機械與運載工程學院，太原 030024；2. 煤炭資源開采利用與裝備工程國家級實驗教學示范中心，太原 030024）

前言

由于全球汽車的保有量日趨增多，能源匱乏現(xiàn)象也更加嚴峻［1］，且空氣污染隨之嚴重，因此普及新能源汽車已勢在必行。氫能作為低碳和零碳能源的典型代表，具有高效、無污染、可循環(huán)利用等特點，成為了新能源汽車的重要解決方案。雖然重卡數(shù)量只占全國機動車領域的13.9%，但其石油消耗量占比卻高達49.2%以上，成為所有汽車類型里污染最嚴重的車型。而純電動貨運車由于動力電池的能量密度較低，不能很好地滿足續(xù)航里程要求，因此能量密度高的燃料電池更適合大負載、遠距離行駛的重型卡車，且重卡領域也被業(yè)內(nèi)普遍認為是氫燃料電池未來重要的應用場景，更能發(fā)揮氫燃料的能源優(yōu)勢。

目前，國內(nèi)使用的氫燃料電池功率通常為30 kW 左右，而使用100 kW 的大功率型氫燃料電池進行動力系統(tǒng)匹配是國內(nèi)首次嘗試。在動力系統(tǒng)匹配設計過程中，大功率型氫燃料電池是主動力源，能夠滿足重卡在平坦路面運輸過程中的功率需求，但關于大功率型氫燃料電池重卡動力系統(tǒng)的匹配設計文獻不多。文獻［2］中對燃料電池大客車的動力總成部分開展了結(jié)構(gòu)設計和參數(shù)匹配。文獻［3］中面向燃料電池-蓄電池復合能源動力車輛提出了理論分析和仿真校驗相結(jié)合的參數(shù)匹配方法。

氫燃料電池在穩(wěn)態(tài)工況下壽命較長，但頻繁啟動會使氫燃料電池的壽命急劇衰減。而重卡實際工況復雜，氫燃料電池常運行在低效率區(qū)間，降低了其使用壽命和重卡整車經(jīng)濟性。因此，本文中以配有100 kW 的大功率型氫燃料電池重卡為研究對象，根據(jù)大功率型氫燃料電池保護優(yōu)先的控制策略對其動力系統(tǒng)進行了匹配設計和優(yōu)化，完成了氫燃料電池重卡動力系統(tǒng)主要零部件的參數(shù)確定和選型。同時運用Cruise 軟件建立動力系統(tǒng)各零部件的仿真模型和整車模型，然后進行分析和優(yōu)化。最后在此基礎上完成了大功率型氫燃料電池重卡原型車的設計和制造，并初步進行了總體性能參數(shù)的道路試驗。

1 大功率型氫燃料電池重卡基本構(gòu)成及整車參數(shù)設計目標

100 kW 大功率型氫燃料電池重卡的動力系統(tǒng)較為復雜，因此進行動力匹配設計時，應在大功率型氫燃料電池保護優(yōu)先的控制策略基礎上，根據(jù)整車性能指標對主要動力組成部件（氫燃料電池、動力電池和電機）進行參數(shù)匹配［4-7］。

1.1 基本構(gòu)成

燃料電池汽車動力系統(tǒng)構(gòu)型可分為串聯(lián)和并聯(lián)。串聯(lián)式中燃料電池的輸出電壓由DC/DC 對轉(zhuǎn)換后為動力電池充電，進而驅(qū)動整車。并聯(lián)式中的燃料電池和動力電池共同驅(qū)動整車。目前燃料電池汽車多采用并聯(lián)式，該構(gòu)型下的整車動力性強、啟動快，且燃料電池可穩(wěn)定工作。綜上所述，本文選用并聯(lián)式構(gòu)型的動力系統(tǒng)，其中的大功率型氫燃料電池是主動力源，動力電池是輔動力源。整個大功率型氫燃料電池重卡動力系統(tǒng)包括氫燃料電池、動力電池、電機、減速器、差速器、車輪等組件。大功率型氫燃料電池重卡動力系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 大功率型氫燃料電池重卡動力系統(tǒng)

1.2 整車參數(shù)及設計目標

本文的研究對象為大功率型氫燃料電池重卡，其市場定位是大載重、固定路線和遠距離的重卡運輸領域。根據(jù)其市場定位及屬性設計要求，大功率型氫燃料電池重卡整車基本參數(shù)如表1所示。

表1 大功率型氫燃料電池重卡整車基本參數(shù)

2 大功率型氫燃料電池重卡動力系統(tǒng)參數(shù)匹配

2.1 動力系統(tǒng)參數(shù)匹配控制策略

相比于小功率型氫燃料電池，100 kW 的大功率型氫燃料電池可滿足重卡在常用路況的動力需求，因此可作為主動力源使用。而由于重卡載質(zhì)量大、載荷波動范圍大、路況復雜，因此整車功率需求常頻繁大幅波動。因此實際工況下的氫燃料電池常處于功率波動大、連續(xù)高負荷低效率運行、頻繁快速變載等劣化工況，致使其系統(tǒng)效率偏低。氫燃料電池在穩(wěn)態(tài)工況下壽命較高，而高頻變載工況下其壽命會急劇衰減，且由于氫燃料電池存在技術壁壘，導致其成本相對較高，因此堅持氫燃料電池保護優(yōu)先控制策略會降低整車成本，提升經(jīng)濟性。

綜上所述，重卡動力系統(tǒng)進行匹配設計時，應根據(jù)大功率型氫燃料電池保護優(yōu)先的控制策略，使其從啟動至停車關機期間一直工作在高效區(qū)間，且整個運行過程應盡可能減少劣化工況的出現(xiàn)，以提高動力系統(tǒng)工作效率和氫燃料電池使用壽命。

2.2 電機參數(shù)匹配

并聯(lián)式大功率型氫燃料電池重卡動力系統(tǒng)的匹配設計應先計算電機相關參數(shù)。電機功率包括最高車速消耗功率、等速爬坡功率和水平路面加速功率，三者中最高功率即為驅(qū)動電機額定功率［8-9］。

（1）最高車速消耗功率為

式中：m為重卡整車質(zhì)量；f為滾動阻力系數(shù)；CD為空阻系數(shù)；A為空阻面積；ηt為傳動系機械效率；ηmot為電機效率，取0.96。

（2）等速爬坡功率（恒速15 km/h，imax為20%）為

（3）水平路面加速功率（水平路面上20 s內(nèi)勻加速到50 km/h）為

式中δ為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)，取1.02。

大功率型氫燃料電池重卡的電機最大輸出功率須同時符合最高車速、加速度和最大爬坡度的行駛要求，條件如下：

（4）電機額定轉(zhuǎn)矩和最大轉(zhuǎn)矩

根據(jù)電機的額定功率和額定轉(zhuǎn)速可確定其額定轉(zhuǎn)矩：

式中：Pn為額定功率；nN為額定轉(zhuǎn)速；Tn為額定轉(zhuǎn)矩。

氫燃料電池重卡驅(qū)動力與電機最大轉(zhuǎn)矩的計算公式為

式中：Tmax為電機最大轉(zhuǎn)矩；i0為總傳動比；F為驅(qū)動力；r為車輪滾動半徑。

（5）電機額定轉(zhuǎn)速和最高轉(zhuǎn)速

氫燃料電池重卡車速越高，電機的轉(zhuǎn)速越高。電機額定轉(zhuǎn)速計算公式為

根據(jù)電機額定轉(zhuǎn)速求最高轉(zhuǎn)速公式為

式中：nmax為最高電機轉(zhuǎn)速；β為電機擴大恒功率區(qū)系數(shù)。

綜合大功率型氫燃料電池重卡的動力性和經(jīng)濟性要求，考慮動力系統(tǒng)損耗和大轉(zhuǎn)矩爬坡等需求，選用額定功率為150 kW 的永磁同步低速電機，其性能參數(shù)如表2 所示。

表2 電機性能參數(shù)

2.3 傳動比的確定

大功率型氫燃料電池重卡動力系統(tǒng)可根據(jù)電機功率和傳動比計算其動力源需求功率。而傳動比可由最高車速、最大爬坡度等動力性設計目標來計算。

（1）最小傳動比的確定

最小傳動比根據(jù)電機最高轉(zhuǎn)速和最高車速確定，計算公式為

（2）最大傳動比的確定

最大傳動比可根據(jù)最大爬坡度的行駛阻力和電機最大輸出轉(zhuǎn)矩來計算，其計算公式為

式中：Fimax為最大爬坡度的行駛阻力；nmin為電機最低穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速；umin為重卡最低穩(wěn)態(tài)車速。本設計選取的傳動比參數(shù)如表3所示。

表3 傳動比參數(shù)

2.4 氫燃料電池參數(shù)匹配

由于大功率型氫燃料電池重卡車行駛過程中，氫燃料電池提供主驅(qū)動力，因此先基于穩(wěn)態(tài)工況對其進行選型。根據(jù)氫燃料電池保護優(yōu)先的控制策略，其應工作于最高效率點和最大功率之間，此時可保護氫燃料電池，并提升整車動力性和經(jīng)濟性［10］。

氫燃料電池的功率設計應滿足：

式中：ηDC為 DC/DC 效率；Pch為其它用電單元耗電功率?？紤]到大功率型氫燃料電池系統(tǒng)附件較多，因此其輸出功率Pfc為95 kW。綜合考慮功率需求和國家法規(guī)對氫燃料商用車的規(guī)定，其最大功率為100 kW。本設計氫燃料電池選型參數(shù)如表4所示。

表4 氫燃料電池參數(shù)

2.5 動力電池組參數(shù)匹配

動力電池作為大功率型氫燃料電池重卡的輔助動力，其功率可由整車動力源功率和氫燃料電池功率求得。在進行動力參數(shù)匹配時須綜合考慮電壓、容量、數(shù)目和其成組方式等關鍵因素［11-12］。

（1）電池能量確定

動力電池須滿足最大行駛功率下的輔助功率需求和純電動模式的續(xù)駛里程要求。

（a）根據(jù)輔助功率需求計算電池最大放電功率：

式中：Plmax為動力電池最大放電功率；Pmmax為電機峰值功率；Pimax為動力電池附件峰值功率；ηb為動力電池放電效率。

（b）根據(jù)純電動模式續(xù)駛里程計算動力電池電量：

式中：Qb為動力電池電量；L為續(xù)駛里程；uh為行駛車速；Ph為uh下的電機功率；SOC為剩余電量。

整車設計的電壓平臺是560 V，純電動模式下，等速半載工況下的續(xù)航里程應滿足50 km。以恒勻速u行駛的電機功率P計算公式為

電機及控制器的使用效率λ為96%，其電機需求功率Pem為

動力電池能量計算式為

式中：QZ為整車需求能量；QD為動力電池能量；QF為氫燃料電池能量。QD為90 kW·h。

（2）電池容量的確定

利用勻速工況法計算續(xù)駛里程進行動力電池容量確定，公式如下：

式中：C為動力電池額定容量；u為等速行駛速度；Pr為所需功率；Pa為電器負載消耗功率；UB為動力電池端電壓；λSOC為動力電池的容量允許放電深度。

已知動力電池能量為90 kW·h，為保護動力電池，因此電池容量設計應留有20%余量。對比供應商電池清單，選擇228 A·h能量型電池。

（3）電池電壓及數(shù)量的確定

由最大功率決定電池單體個數(shù)np應滿足：

式中：Pemax為純電動模式下重卡動力系統(tǒng)最大需求功率；Pbmax為單個電池輸出功率；ηe為單個電池放電效率；ηec為單個電池放電深度系數(shù)；E為動力電池組系統(tǒng)電壓；Rint為電池組系統(tǒng)內(nèi)阻。

由純電動模式續(xù)航里程決定的電池單體個數(shù)nL為

式中：W為純電動模式續(xù)航里程所需能量；We為單個電池能量。

綜上所述，大功率型氫燃料電池重卡的動力電池可用175節(jié)單體電池組成4個串聯(lián)的電池模組，且由模組組成的動力電池包被稱為標準箱（根據(jù)尺寸大小可分為C 箱和G 箱），同時采用加熱膜加熱和液冷的方式對電池進行熱管理。動力電池參數(shù)如表5所示。

表5 動力電池參數(shù)

3 建模仿真與結(jié)果分析

為全面評估大功率型氫燃料電池保護優(yōu)先控制策略下的重卡動力系統(tǒng)參數(shù)匹配合理性及有效性，由于Cruise 軟件更加貼近工程實際，利用Cruise 軟件建立大功率型氫燃料電池重卡動力系統(tǒng)各零部件模型和整車模型，并對其進行分析和優(yōu)化。

3.1 大功率型氫燃料電池重卡動力系統(tǒng)建模

根據(jù)大功率型氫燃料電池保護優(yōu)先控制策略完成了氫燃料電池選型和動力系統(tǒng)的匹配設計以及零部件參數(shù)確定，因此需對其匹配設計結(jié)果進行初步驗證。根據(jù)各部件參數(shù)建立了大功率型氫燃料電池重卡的Cruise 整車模型，包括：氫燃料電池、動力電池組、電機、制動器、變速器、車輪和整車控制器等模塊。大功率型氫燃料電池重卡動力系統(tǒng)仿真模型如圖2 所示。

圖2 大功率型氫燃料電池重卡動力系統(tǒng)仿真模型

3.2 仿真結(jié)果分析

3.2.1 C?WTVC工況分析

綜合考慮大功率型氫燃料電池重卡的市場定位及其性能要求，選用符合我國實際的中國典型重型車測試工況（C?WTVC）進行分析。大功率型氫燃料電池重卡的C?WTVC 工況動力性仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 速度、加速度和距離變化曲線

由圖3 可知，該循環(huán)工況時間為1 800 s，行駛距離為20.56 km，最高車速為87.78 km/h，平均車速為41.08 km/h，加速度絕對值的最大值為2.65 m/s2，平均加速度為0.015 m/s2。整個過程中，最高車速滿足≥85 km/h 的設計性能要求，且車速和加速度均與路譜變化趨勢具有很好的一致性。

大功率型氫燃料電池重卡在C?WTVC 工況下，其輔助能源動力電池組SOC 的變化曲線如圖4 所示，動力電池組SOC 從初始 60% 開始，一直在［58%，65%］區(qū)間內(nèi)波動，滿足動力電池組淺充淺放原則，說明氫燃料電池工作點位于高效工作區(qū)間內(nèi)。

圖4 動力電池SOC 變化曲線

圖5 為C?WTVC 工況下的氫燃料電池、動力電池和電機的功率圖。其中氫燃料電池功率范圍為14.25～55.7 kW，位于高效工作區(qū)間內(nèi)；動力電池功率范圍為-292～284 kW，大部分功率絕對值都小于228 kW，過充和過放時間很少；電機功率范圍是-207～320 kW，大部分功率絕對值均小于250 kW，過載時間很少。

圖5 氫燃料電池、動力電池和電機功率變化曲線

由圖可見，氫燃料電池、動力電池和電機大部分時間均工作于額定區(qū)間內(nèi)，過載時間很短，且電機功率與路面譜趨勢具有很強的一致性，同時氫燃料電池一直處于高效工作區(qū)域內(nèi)。

上述結(jié)果表明，大功率型氫燃料電池保護優(yōu)先控制策略下的重卡動力系統(tǒng)參數(shù)匹配滿足C?WTVC循環(huán)工況的行駛要求，證明該控制策略下的大功率型氫燃料電池重卡動力系統(tǒng)參數(shù)匹配設計合理有效。

3.2.2 動力性分析

（1）最高車速。圖6 中氫燃料電池重卡的最高車速為94.72 km/h，滿足最高車速≥85 km/h 的性能要求。

圖6 最高車速和行駛距離曲線

（2）最大爬坡度。圖7 中氫燃料電池重卡的最大爬坡度為24.28%，10 km/h 車速下的爬坡度為23.97%，滿足10 km/h 車速下，爬坡度≥20%的設計目標。

圖7 最大爬坡度曲線

3.2.3 續(xù)駛里程分析

（1）動力電池組滿電續(xù)駛里程

選用60 km/h 勻速循環(huán)行駛工況，動力電池組SOC從初始值90%下降至15%時的行駛距離為其滿電續(xù)駛里程。該工況下，動力電池組SOC 值和行駛距離的變化曲線如圖8所示。由圖8可知，動力電池組滿電續(xù)駛里程為114.82 km，符合動力電池滿電單次續(xù)駛里程≥50 km 的設計目標。

（2）循環(huán)工況續(xù)駛里程

C?WTVC 循環(huán)工況下，動力電池組 SOC 值從90%降低至15%的SOC 和行駛距離變化曲線如圖9所示。

由圖9 可知，該工況下的SOC 值從90%降低至15%的行駛距離為72.03 km。由于重卡動力源包括氫燃料電池和動力電池，而設計目標是純電動模式續(xù)航里程達到50 km 即可，因此滿足續(xù)駛里程設計要求。

圖8 60 km/h 勻速工況SOC及行駛距離變化曲線

圖9 C?WTVC循環(huán)工況SOC及行駛距離變化曲線

4 試驗驗證

按照第2 節(jié)的參數(shù)進行零部件選型，選擇符合參數(shù)要求的氫燃料電池、動力電池組、電機和相應的電控系統(tǒng)。選型結(jié)果如表6所示。

表6 零部件選型

其中，動力電池選用CATL 品牌，同時配備加熱及冷卻系統(tǒng)，可在-30 ℃下正常工作；電機選用英威騰TZ368XS?PLM150G01型；傳動系統(tǒng)的變速器選用法士特6E150 型；氫氣供氣系統(tǒng)的氫氣瓶壓力標準為35 MPa，其加氫時間小于10 min。根據(jù)上述選型結(jié)果進行原型車的初步設計和制造，然后對其動力傳動系統(tǒng)進行調(diào)試和標定。大功率型氫燃料電池重卡原型車進行瞬態(tài)道路試驗。試驗結(jié)果如表7所示。

表7 原型車試驗結(jié)果

其中，滿載續(xù)航里程是由氫燃料電池和動力電池兩個動力源提供，只需滿足純電動形式運行續(xù)航里程即可。

以上試驗結(jié)果表明：本文中提出的大功率型氫燃料電池保護優(yōu)先控制策略下的重卡動力系統(tǒng)參數(shù)匹配設計結(jié)果滿足其性能要求，證明整個大功率型氫燃料電池重卡動力系統(tǒng)匹配設計是合理和有效的。

5 結(jié)論

針對大功率型氫燃料電池重卡動力系統(tǒng)設計尚無成熟控制策略問題，綜合考慮氫燃料電池的壽命和成本以及重卡動態(tài)行駛工況特點，提出了動力系統(tǒng)匹配設計中大功率型氫燃料電池保護優(yōu)先的控制策略。在此基礎上根據(jù)穩(wěn)態(tài)工況對氫燃料電池進行了選型，且在同時考慮重卡的工況和效率特性的基礎上提出了大功率型氫燃料電池重卡的參數(shù)匹配設計方法。然后利用Cruise 軟件建立大功率型氫燃料電池重卡模型進行性能分析和優(yōu)化。最后利用分析優(yōu)化后選型的零部件完成大功率型氫燃料電池重卡原型車的初步設計和制造。結(jié)果表明：大功率型氫燃料電池重卡動力系統(tǒng)的匹配設計結(jié)果滿足性能要求，證明根據(jù)大功率型氫燃料電池保護優(yōu)先控制策略提出的氫燃料電池重卡動力系統(tǒng)匹配設計過程是合理有效的。因此，本文可為大功率型氫燃料電池重卡動力系統(tǒng)的匹配設計研究提供一定的參考。