文章來源：《12m氫燃料電池城市客車電電混合動力系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案》

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隨著氫燃料電池技術(shù)的進(jìn)步，氫燃料電池客車的優(yōu)勢越發(fā)明顯，和傳統(tǒng)客車比，零污染､零排放;和純電動客車比，加注燃料速度快､續(xù)航里程更長｡未來在公路客運(yùn)領(lǐng)域，它的優(yōu)勢會更加明顯｡

1整車動力系統(tǒng)開發(fā)

本文基于整車商品化開發(fā)原則研制的氫燃料城市客車動力系統(tǒng)如圖1所示，采用燃料電池+動力電池的電電混合方案，燃料電池功率等級中等，動力電池容量能滿足一定續(xù)駛里程的純電動驅(qū)動，可外接充電｡

1.1電電混合系統(tǒng)能量控制原則

本電電混合動力系統(tǒng)方案中，燃料電池單獨(dú)或與動力電池共同提供持續(xù)功率，且在車輛啟動､爬坡和加速等峰值功率需求時(shí)，動力電池提供峰值功率;在車輛起步功率需求量不大時(shí)，蓄電池可以單獨(dú)輸出能量;制動能量回收由動力電池來完成;蓄電池技術(shù)比較成熟，可以在一定程度上彌補(bǔ)燃料電池技術(shù)上的不足｡

具體能量分配時(shí)，VCU根據(jù)當(dāng)前動力電池的SOC､電機(jī)需求功率､輔件功率以及車速作為輸入，計(jì)算當(dāng)前燃料電池系統(tǒng)的輸出功率，以保證動力電池SOC在某區(qū)間范圍內(nèi)平衡，最優(yōu)地滿足整車動力性指標(biāo)及經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)｡

1.2電驅(qū)動系統(tǒng)匹配

對于電動汽車的驅(qū)動電機(jī)，需要確定的特性參數(shù)主要包括驅(qū)動電機(jī)的功率､扭矩和轉(zhuǎn)速｡根據(jù)整車動力性能設(shè)計(jì)需求，通過最高車速､需求功率､需求扭矩等相關(guān)計(jì)算，確定驅(qū)動電機(jī)的相關(guān)參數(shù)｡根據(jù)汽車?yán)碚?#xff0c;汽車的功率平衡關(guān)系如下:

將整車參數(shù)代入上式，即可分析整車在中國典型城市客車循環(huán)工況下動力性指標(biāo)對應(yīng)的車輛功率需求｡通過計(jì)算選取驅(qū)動電機(jī)額定功率為100kW､峰值功率為200kW;額定扭矩為950Nm､峰值扭矩為2400Nm;額定轉(zhuǎn)速為1005r/min､峰值轉(zhuǎn)速為3000r/min;額定電壓為380V(AC)｡

1.3液冷動力鋰電池系統(tǒng)匹配

考慮到城郊客車運(yùn)營時(shí)間長､使用環(huán)境相對復(fù)雜的特點(diǎn)，本項(xiàng)目選用安全性高､放電倍率大的錳酸鋰電池｡動力電池總線電壓主要由電機(jī)､動力電池的特性決定｡現(xiàn)有動力電池要滿足電機(jī)最大功率輸出需求，同時(shí)參照電池廠家的電芯特性和電池箱規(guī)格確定動力電池的額定總電壓｡動力電池容量的確定必須考慮路況､純電動里程､電池組一致性､最低SOC等幾個(gè)因素，按中國城市客車典型工況[4]純電續(xù)駛里程和等速工況純電續(xù)駛里程需求計(jì)算，最終選定電池容量為96Ah/525.6V，總電量50.456kWh;電池系統(tǒng)具備峰值功率3C充放電能力，并且滿足在外界環(huán)境溫度-30~45℃范圍內(nèi)正常工作，防護(hù)等級IP68｡

針對電池系統(tǒng)滿足高低溫充放電功率要求，低溫采用電加熱方式，高溫采用液冷方式對電池系統(tǒng)進(jìn)行散熱｡選用PTC加熱，提高加熱速率，提高電池系統(tǒng)低溫環(huán)境充放電性能｡針對電池系統(tǒng)高比能量的要求，通過提高成組效率，減少每個(gè)電池分?jǐn)偟闹亓?#xff0c;提高模組與電池箱空間利用率;采用結(jié)構(gòu)合理的鈑金沖壓箱體，減少焊接位置，達(dá)到結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求的同時(shí)又能減輕重量，系統(tǒng)能量密度達(dá)到140Wh/kg｡采用高質(zhì)量發(fā)泡硅橡膠密封圈設(shè)計(jì)，提高抗壓縮變形性能和反彈衰減性能;采用限位設(shè)計(jì)，防止密封圈壓縮過量，提高密封圈使用壽命;選用高防護(hù)等級和高安全性的高低壓連接器，提高電池系統(tǒng)防護(hù)等級，達(dá)到IP68防護(hù)等級要求｡

1.4燃料電池系統(tǒng)參數(shù)匹配

在燃料電池混合動力客車中，燃料電池提供整車需求的平均功率｡根據(jù)汽車?yán)碚揫3]，可分別計(jì)算燃料電池客車在10~69km/h不同車速下平均需求功率，并據(jù)此選定燃料電池系統(tǒng)的額定功率｡

根據(jù)汽車?yán)碚?#xff0c;最高車速需求功率可用下面公式求得:

通過計(jì)算可得最高車速69km/h時(shí)需求功率為49.6kW｡根據(jù)中國典型城市客車循環(huán)工況[4]，車輛運(yùn)行平均車速在15~20km/h左右，此時(shí)需求功率為13.6kW，考慮電機(jī)驅(qū)動效率及整車附件功率(電空調(diào)､電動助力轉(zhuǎn)向､電動制動氣壓泵等)，實(shí)際選取燃料電池系統(tǒng)的功率為50kW，可完全滿足12m城市客車需求｡

主DC/DC采用燃料電池系統(tǒng)專用升壓DC/DC，DC/DC輸入電壓120~240V(DC)，輸出電壓430~605V(DC)｡其主要作用是通過升壓與系統(tǒng)直流母線的電壓等級進(jìn)行匹配，從而使得燃料電池系統(tǒng)功率輸出與系統(tǒng)直流母線的電壓之間不再有耦合關(guān)系｡從原理上說，可以把燃料電池與主DC/DC組合看作一個(gè)供電電源，該電源具有恒流源輸出特性｡主DC/DC同時(shí)也通過對電堆輸出工作點(diǎn)的調(diào)整，延長了電堆的壽命｡

通過上述分析，最終確定燃料電池系統(tǒng)額定輸出功率為50kW，質(zhì)量200kg，儲存溫度-30~60℃，燃料電池系統(tǒng)低溫啟動溫度為-30℃，系統(tǒng)噪聲≤85dB(A)，DC/DC額定功率50kW｡

1.5供氫系統(tǒng)開發(fā)

供氫系統(tǒng)分成氫存儲､供應(yīng)子系統(tǒng)和氫安全預(yù)警子系統(tǒng)兩個(gè)相對獨(dú)立的子系統(tǒng)｡氫存儲､供應(yīng)子系統(tǒng)包括氫氣的加注､儲存和供應(yīng)部分;氫安全預(yù)警子系統(tǒng)包括用于監(jiān)測氫氣泄漏的傳感器及其信號處理部分｡以保證系統(tǒng)安全､可靠､實(shí)用及經(jīng)濟(jì)的要求｡氫系統(tǒng)須通過溫度､壓力､濃度傳感器，過流閥，釋放接口以實(shí)現(xiàn)超溫保護(hù)､超壓保護(hù)､過流保護(hù)和防碰撞等功能｡

為保證氫系統(tǒng)安全性，需要遵循以下設(shè)計(jì)原則:

1)碰撞安全防護(hù)｡增加后碰撞檢測裝置，當(dāng)檢測到碰撞發(fā)生時(shí)，主動關(guān)斷氫燃料系統(tǒng)供氣閥門｡

2)防泄漏措施｡保證零部件配合精度，按照規(guī)范進(jìn)行高低壓泄漏檢測，各個(gè)連接點(diǎn)均不得有泄漏，管路采用防振設(shè)計(jì)，尤其是在管路拐彎的地方｡

3)防氫氣積聚措施｡對于系統(tǒng)零部件應(yīng)盡可能集中安裝，分區(qū)布置｡

4)防點(diǎn)火源措施｡實(shí)行氫電隔離，防止在可能泄漏的區(qū)域出現(xiàn)火花;將系統(tǒng)進(jìn)行可靠接地，防止產(chǎn)生靜電｡電磁閥等電氣零部件和溫度､壓力傳感器均采用防爆型｡

5)氫氣泄漏監(jiān)控｡在系統(tǒng)零部件密集布置的區(qū)域設(shè)置氫氣泄漏監(jiān)測探頭，將信號發(fā)送給控制器;控第1期朱鶴:12m氫燃料電池城市客車電電混合動力系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案5制器根據(jù)探頭探測到的氫氣濃度值，分別發(fā)出不同的報(bào)警信號，采取不同的處理措施｡

6)排空稀釋｡根據(jù)燃料電池的不同工況計(jì)算或?qū)嶋H測量得出燃料電池在不同工況下的排空稀釋｡通過清除空氣中的雜質(zhì)和實(shí)現(xiàn)氫氣安全混合，并通過控制系統(tǒng)來控制氫氣的排放路徑｡

為滿足整車?yán)m(xù)駛里程需求，采用目前商用車常用的35MPa高壓儲氫系統(tǒng)，由8只145L的高壓儲氫瓶存儲氫氣，有效儲氫量24.8kg，等效發(fā)電量在335kWh左右，可滿足整車300km工況續(xù)駛里程需求｡

2整車控制系統(tǒng)開發(fā)及性能仿真

2.1整車控制系統(tǒng)開發(fā)

氫燃料電池客車主要由整車控制系統(tǒng)､儲氫系統(tǒng)､燃料電池系統(tǒng)､輔助控制系統(tǒng)､動力電池系統(tǒng)､驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)等部件組成，各部件通過CAN總線組成一個(gè)分布式控制系統(tǒng)｡采用錳酸鋰電池與氫燃料電池的電電雙能量源結(jié)構(gòu)，燃料電池作為主能量源，提供車輛行駛的主要動力，動力電池組是輔助能量源，在汽車行駛中起到“削峰填谷”的作用，如圖2所示｡

整車控制系統(tǒng)是燃料電池電動客車的大腦，負(fù)責(zé)對燃料電池系統(tǒng)､電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)､動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)､再生制動系統(tǒng)和其他輔助系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測和管理｡整車控制器通過CAN網(wǎng)絡(luò)連接燃料電池系統(tǒng)､電機(jī)系統(tǒng)､操縱控制系統(tǒng)等動力系統(tǒng)主要零部件，對整車進(jìn)行功率控制､能量管理等檢測､診斷､控制｡

2.2整車性能仿真分析

1)仿真模型搭建｡基于符合城市實(shí)際的公交工況的燃料電池城市客車動力系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化及評價(jià)，采用Cruise､Matlab/Simulink等專業(yè)軟件，開展燃料電池客車動力系統(tǒng)需求建模與仿真分析(圖3)｡以動力性､經(jīng)濟(jì)性為優(yōu)化目標(biāo)，建立優(yōu)化模型，針對系統(tǒng)或零部件的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定最佳電電混合動力系統(tǒng)配置方案，基于動力系統(tǒng)仿真模型，對該方案進(jìn)行評價(jià)｡形成公交工況大數(shù)據(jù)驅(qū)動的動力系統(tǒng)匹配優(yōu)化與評價(jià)方法和建議。

2)性能仿真結(jié)果｡整車0~50km/h加速時(shí)間10.39s;最大爬坡度17.29%;最高車速85km/h;CCBC續(xù)駛里程(開空調(diào)，65%載荷)347km｡從仿真結(jié)果看，該車各項(xiàng)性能仿真參數(shù)滿足最初設(shè)計(jì)目標(biāo)要求，性能良好，能夠滿足城市客車日常的運(yùn)營需求｡

3結(jié)束語

相對目前新能源汽車中普遍應(yīng)用的鋰電池技術(shù)，氫燃料電池技術(shù)是一種清潔環(huán)保的戰(zhàn)略性高技術(shù)，氫燃料電池汽車因其具有的環(huán)境友好性､續(xù)航里程長､加注燃料時(shí)間短､無需充電等特點(diǎn)，被視為最有前景的新能源電動汽車，已被國際公認(rèn)是未來新能源汽車驅(qū)動技術(shù)的終極解決方案｡

技術(shù)前沿｜新能源汽車電池?zé)峁芾碓O(shè)計(jì)、測試與仿真培訓(xùn)

技術(shù)前沿｜鋰電儲能BMS與儲能系統(tǒng)集成技術(shù)高階培訓(xùn)

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總結(jié)

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