文章來源：《12m氫燃料電池城市客車電電混合動力系統(tǒng)設計方案》

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隨著氫燃料電池技術的進步，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｡未來在公路客運領域，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，動力電池提供峰值功率;在車輛起步功率需求量不大時，蓄電池可以單獨輸出能量;制動能量回收由動力電池來完成;蓄電池技術比較成熟，可以在一定程度上彌補燃料電池技術上的不足｡

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

1.2電驅動系統(tǒng)匹配

對于電動汽車的驅動電機，需要確定的特性參數(shù)主要包括驅動電機的功率､扭矩和轉速｡根據(jù)整車動力性能設計需求，通過最高車速､需求功率､需求扭矩等相關計算，確定驅動電機的相關參數(shù)｡根據(jù)汽車理論，汽車的功率平衡關系如下:

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)工況下動力性指標對應的車輛功率需求｡通過計算選取驅動電機額定功率為100kW､峰值功率為200kW;額定扭矩為950Nm､峰值扭矩為2400Nm;額定轉速為1005r/min､峰值轉速為3000r/min;額定電壓為380V(AC)｡

1.3液冷動力鋰電池系統(tǒng)匹配

考慮到城郊客車運營時間長､使用環(huán)境相對復雜的特點，本項目選用安全性高､放電倍率大的錳酸鋰電池｡動力電池總線電壓主要由電機､動力電池的特性決定｡現(xiàn)有動力電池要滿足電機最大功率輸出需求，同時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℃范圍內正常工作，防護等級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，減少每個電池分攤的重量，提高模組與電池箱空間利用率;采用結構合理的鈑金沖壓箱體，減少焊接位置，達到結構強度要求的同時又能減輕重量，系統(tǒng)能量密度達到140Wh/kg｡采用高質量發(fā)泡硅橡膠密封圈設計，提高抗壓縮變形性能和反彈衰減性能;采用限位設計，防止密封圈壓縮過量，提高密封圈使用壽命;選用高防護等級和高安全性的高低壓連接器，提高電池系統(tǒng)防護等級，達到IP68防護等級要求｡

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)汽車理論[3]，可分別計算燃料電池客車在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)汽車理論，最高車速需求功率可用下面公式求得:

通過計算可得最高車速69km/h時需求功率為49.6kW｡根據(jù)中國典型城市客車循環(huán)工況[4]，車輛運行平均車速在15~20km/h左右，此時需求功率為13.6kW，考慮電機驅動效率及整車附件功率(電空調､電動助力轉向､電動制動氣壓泵等)，實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系｡從原理上說，可以把燃料電池與主DC/DC組合看作一個供電電源，該電源具有恒流源輸出特性｡主DC/DC同時也通過對電堆輸出工作點的調整，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､供應子系統(tǒng)和氫安全預警子系統(tǒng)兩個相對獨立的子系統(tǒng)｡氫存儲､供應子系統(tǒng)包括氫氣的加注､儲存和供應部分;氫安全預警子系統(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､實用及經(jīng)濟的要求｡氫系統(tǒng)須通過溫度､壓力､濃度傳感器，過流閥，釋放接口以實現(xiàn)超溫保護､超壓保護､過流保護和防碰撞等功能｡

為保證氫系統(tǒng)安全性，需要遵循以下設計原則:

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

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

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

4)防點火源措施｡實行氫電隔離，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)設計方案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算或實際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和實現(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｡

為滿足整車續(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)､驅動電機系統(tǒng)等部件組成，各部件通過CAN總線組成一個分布式控制系統(tǒng)｡采用錳酸鋰電池與氫燃料電池的電電雙能量源結構，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，負責對燃料電池系統(tǒng)､電機驅動系統(tǒng)､動力轉向系統(tǒng)､再生制動系統(tǒng)和其他輔助系統(tǒng)進行監(jiān)測和管理｡整車控制器通過CAN網(wǎng)絡連接燃料電池系統(tǒng)､電機系統(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，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)濟性為優(yōu)化目標，建立優(yōu)化模型，針對系統(tǒng)或零部件的參數(shù)進行優(yōu)化設計，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，對該方案進行評價｡形成公交工況大數(shù)據(jù)驅動的動力系統(tǒng)匹配優(yōu)化與評價方法和建議。

2)性能仿真結果｡整車0~50km/h加速時間10.39s;最大爬坡度17.29%;最高車速85km/h;CCBC續(xù)駛里程(開空調，65%載荷)347km｡從仿真結果看，該車各項性能仿真參數(shù)滿足最初設計目標要求，性能良好，能夠滿足城市客車日常的運營需求｡

3結束語

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

技術前沿｜新能源汽車電池熱管理設計、測試與仿真培訓

技術前沿｜鋰電儲能BMS與儲能系統(tǒng)集成技術高階培訓

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總結

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