來(lái)源：《機(jī)電工程技術(shù)》，熊 潔，楊天峰

目前國(guó)內(nèi)全功率燃料電池技術(shù)發(fā)展不成熟，因此介紹一種基于電-電混合全功率氫燃料電池汽車動(dòng)力系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)方法，采用燃料電池為主，動(dòng)力電池為輔的整車動(dòng)力系統(tǒng)方案，設(shè)計(jì)了適用于電-電混合全功率燃料電池車型高壓架構(gòu)以及對(duì)應(yīng)架構(gòu)下能量管理策略，整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)利用升壓DCDC 中集成的SiCIPM 模塊以及高壓配電模塊將燃料電堆輸出進(jìn)行升壓后給驅(qū)動(dòng)電機(jī)以及整車負(fù)載供電。同時(shí)詳細(xì)講述了該高壓架構(gòu)下各動(dòng)力系統(tǒng)匹配計(jì)算方法，并通過(guò)仿真分析驗(yàn)證燃料電池車型匹配設(shè)計(jì)結(jié)果以及性能要求，驗(yàn)證電-電混合全功率燃料電池汽車動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案和能量管理策略可靠性、合理性、準(zhǔn)確性。

引言

為了響應(yīng)國(guó)家碳中和碳達(dá)峰目標(biāo)要求，未來(lái)新能源汽車會(huì)由純電動(dòng)向燃料電池車型轉(zhuǎn)化，隨著燃料電池技術(shù)的不斷發(fā)展，燃料電池車型已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)發(fā)展的主要趨勢(shì)。目前氫燃料電池車國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)主要為“電-電混合”的模式為主，即燃料電池為主，動(dòng)力電池為輔的混合模式。氫燃料電池是一種將氫氣和氧氣在催化劑作用下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能的能源設(shè)備，動(dòng)力電池則作為輔助儲(chǔ)能設(shè)備，如何設(shè)計(jì)整車動(dòng)力系統(tǒng)以及能量管理策略成為電電混合燃料電池車型首要任務(wù)之一。

針對(duì)混合電動(dòng)、純電動(dòng)和氫燃料電池車型技術(shù)對(duì)比分析，可知：燃料電池車型和純電動(dòng)車型相比，電子電器部件以及低壓電氣架構(gòu)基本一致，公用平臺(tái)化優(yōu)勢(shì)明顯；燃料電池車型保留了純電動(dòng)車的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)克服了在續(xù)航里程和充電方面的缺陷。純電動(dòng)和混合動(dòng)力車型的發(fā)展為燃料電池技術(shù)解決了蓄電池、電機(jī)、電控等關(guān)鍵技術(shù)[1]；部件、成本、可靠性等重要問(wèn)題奠定了驅(qū)動(dòng)電氣化的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)。針對(duì)純電動(dòng)和PHEV高壓架構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)也對(duì)燃料電池車型高壓架構(gòu)設(shè)計(jì)提供了重要支撐技術(shù)[2-4]。

目前，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)對(duì)燃料電池汽車動(dòng)力系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了充分的研究，2014年發(fā)布的豐田Mirai車型是作為典型代表的量產(chǎn)燃料電池車型[5]。同時(shí)國(guó)內(nèi)已建立了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的FCV 動(dòng)力總成技術(shù)平臺(tái)[6-7]；形成了燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)、動(dòng)力電池、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、儲(chǔ)氫與供氫系統(tǒng)等關(guān)鍵零部件配套研發(fā)體系；具備了百量級(jí)燃料電池整車生產(chǎn)能力，并完成了大規(guī)模示范運(yùn)營(yíng)。

武漢理工大學(xué)與同濟(jì)大學(xué)分別研發(fā)出燃料電池與動(dòng)力電池混合的“楚天一號(hào)”、“超越三號(hào)”、“超越二號(hào)”、“超越一號(hào)”等氫燃料電池車。清華大學(xué)汽車安全與節(jié)能國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室承擔(dān)“燃料電池城市客車”-國(guó)家“863”電動(dòng)汽車項(xiàng)目，其中混合動(dòng)力控制系統(tǒng)是重點(diǎn)研究的核心技術(shù)。開(kāi)發(fā)出“清華ECU”的功率混合型和能量混合型動(dòng)力系統(tǒng)，并且各主要性能指標(biāo)、整車行駛故障率以及制作成本故障率都十分優(yōu)秀[12]。華南理工大學(xué)與廣州益維電動(dòng)汽車有限公司共同合作，研發(fā)出燃料電池-鋰離子電池混合動(dòng)力輕型電動(dòng)汽車[8]。東風(fēng)汽車集團(tuán)承接國(guó)家課題——高效率燃料電池乘用車整車開(kāi)發(fā)，重點(diǎn)技術(shù)為大功率燃料電池系統(tǒng)整車集成，致力于整車動(dòng)力匹配、動(dòng)力適配性研究。

“電-電混合”全功率燃料電池車型是燃料電池發(fā)展的必須趨勢(shì)，氫燃料電池汽車動(dòng)力系統(tǒng)的能量管理技術(shù)及其方案不成熟，針對(duì)不同的高壓架構(gòu)其變化性較大，本文提供一種適合于全功率燃料電池車型高壓架構(gòu)及該架構(gòu)下的燃料電池汽車能量管理系統(tǒng)控制方法，燃料電池-鋰離子電池混合動(dòng)力系統(tǒng)充分結(jié)合了鋰離子電池和燃料電池的優(yōu)點(diǎn)，能更高效地使氫燃料電池工作在高效工作區(qū)間，并兼顧輔助鋰離子電池使用特性，使得在保證高效能量利用率的同時(shí)提升整車動(dòng)力系統(tǒng)可靠性，以及延長(zhǎng)燃料電池和鋰離子電池的使用壽命，同時(shí)可滿足汽車能量回收等方面的要求[9]。

1 動(dòng)力系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1.1 整車動(dòng)力系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于X37FCV 項(xiàng)目進(jìn)行，采用全功率燃料電池和動(dòng)力電池并聯(lián)共同為驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供能量，同時(shí)也為整車負(fù)載提供能量，驅(qū)動(dòng)電機(jī)將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能傳遞給傳動(dòng)系統(tǒng)，從而驅(qū)動(dòng)汽車前進(jìn)。

整車動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)架如圖1 所示。在該動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)架中，燃料電堆（Fuel Cell）通過(guò)空氣和氫氣進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，燃料電堆輸出電壓經(jīng)過(guò)燃料電池升壓DCDC 中集成的SiCIPM 模塊電路進(jìn)行升壓穩(wěn)壓后，部分電能通過(guò)燃料電池升壓DCDC 內(nèi)部電源分配模塊提供給燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)高壓附件，這些高壓附件包含PTC 加熱器、空壓機(jī)控制器、水泵控制器以及氫泵控制器供電，燃料電池系統(tǒng)凈輸出功率提供給整車驅(qū)動(dòng)電機(jī)以及其他用電負(fù)載。

圖1 整車動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)架

動(dòng)力電池總成中集成有動(dòng)力電池包Pack、PDU 配電模塊，12VDCDC 以及24VDCDC。燃料電池系統(tǒng)對(duì)整車輸出能量與動(dòng)力電池輸出能量并聯(lián)接到PDU 配電模塊，由PDU 模塊進(jìn)行二次配電，PDU 輸出1 給驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器MCU 供電為驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供動(dòng)力源、PDU 輸出2 通過(guò)12 V DCDC 將350 V 高壓轉(zhuǎn)化為12 V 低壓電為整車12 V低壓系統(tǒng)電器部件供電，同時(shí)PDU輸出3通過(guò)24 V DCDC將350 V 高壓轉(zhuǎn)化為24 V 低壓后接到整車24 V 低壓配電盒，經(jīng)過(guò)二次配電后給整車熱管理的水泵和風(fēng)扇供電。

整車控制器VCU、燃料電池系統(tǒng)控制器FCCU、動(dòng)力電池管理系統(tǒng)BMS以及儲(chǔ)氫系統(tǒng)控制器HMS之間通過(guò)CAN 總線進(jìn)行信息交互，其中VCU 作為整車控制器進(jìn)行整車能量管理，根據(jù)整車工況進(jìn)行功率分配。燃料電池控制器FCCU 響應(yīng)VCU 下發(fā)的開(kāi)機(jī)、關(guān)機(jī)等控制指令以及功率需求指令，執(zhí)行響應(yīng)的開(kāi)關(guān)機(jī)流程以及功率響應(yīng)程序，F(xiàn)CCU 接收到整車VCU 下發(fā)的功率需求指令后，控制氫氣子系統(tǒng)和空氣子系統(tǒng)提供所需的氫氣量和氧氣量，通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能對(duì)外輸出，同時(shí)控制FCS 內(nèi)部熱管理系統(tǒng)為電堆工作提供合適的環(huán)境問(wèn)題，保證其效率和壽命。BMS 對(duì)電池充放電、上下電進(jìn)行控制，是電池各部件運(yùn)行參數(shù)監(jiān)控單元，同時(shí)還起到電安全保護(hù)作用。儲(chǔ)氫系統(tǒng)控制器HMS 主要完成氫氣加注、氫氣瓶閥開(kāi)啟和關(guān)閉以及氫氣泄漏檢測(cè)，為燃料電池系統(tǒng)提供足夠的氫氣量，同時(shí)還負(fù)責(zé)整車氫安全監(jiān)測(cè)。

1.2 需求分析以及設(shè)計(jì)流程

根據(jù)X37FCV 項(xiàng)目整車參數(shù)和性能需求指標(biāo)信息，如表1所示，計(jì)算出整車動(dòng)力模塊動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。燃料電池系統(tǒng)參數(shù)、動(dòng)力電池系統(tǒng)參數(shù)以及驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)，然后將動(dòng)力電池功率、燃料電池系統(tǒng)功率、驅(qū)動(dòng)電機(jī)扭矩、驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率以及驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速通過(guò)Matlab 平臺(tái)仿真，通過(guò)仿真結(jié)構(gòu)驗(yàn)證整車性能指標(biāo)。

表1 整車參數(shù)

根據(jù)整車參數(shù)和性能指標(biāo)計(jì)算驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)參數(shù)，根據(jù)整車能量管理策略得出燃料電池系統(tǒng)需求功率參數(shù)后，燃料電池系統(tǒng)會(huì)根據(jù)自身特點(diǎn)計(jì)算出燃料電池系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)和性能指標(biāo)，比如：動(dòng)力性參數(shù)額定功率、峰值功率；效率、動(dòng)態(tài)響應(yīng)性參數(shù)、可靠性參數(shù)、經(jīng)濟(jì)性參數(shù)、耐久性參數(shù)、環(huán)境適應(yīng)性、安全要求以及噪聲等性能指標(biāo)。

根據(jù)整車需求的續(xù)航里程以及百公里耗氫量可以計(jì)算出整車所需儲(chǔ)氫量（kg）。

圖2 動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程

1.3 整車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)過(guò)程

動(dòng)力系統(tǒng)各個(gè)動(dòng)力模塊參數(shù)計(jì)算有兩種方式：公式計(jì)算法和模型仿真計(jì)算法。其中公式計(jì)算法較為簡(jiǎn)單易行，可快速計(jì)算出系統(tǒng)所需電機(jī)參數(shù)。仿真計(jì)算法使用專業(yè)仿真軟件，例如Matlab、Cruise 等搭建整車模型，通過(guò)給定不同的輸入需求，仿真得出結(jié)果，適用于系統(tǒng)較為復(fù)雜的情況。本文設(shè)計(jì)采用公式法，計(jì)算過(guò)程如下。

1.3.1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)計(jì)算

首先通過(guò)最高車速需求利用傳動(dòng)比公式計(jì)算最高轉(zhuǎn)速；

式中：np為驅(qū)動(dòng)電機(jī)最大功率時(shí)的轉(zhuǎn)速，r/min；i為減速比，取9.061；ua為車速，取180 km/h；r為輪胎半徑，取0.364 m。

計(jì)算可以得出np=11 885 r/min。

由于電動(dòng)機(jī)不能長(zhǎng)時(shí)間在最大功率下運(yùn)行，因此最高車速時(shí)必須以額定功率運(yùn)行，峰值功率則由加速性和爬坡能力決定，為了保證車輛能夠以最高車速長(zhǎng)時(shí)間平穩(wěn)運(yùn)行，通常根據(jù)最高車速的功率需求來(lái)初步選擇電動(dòng)機(jī)的額定功率。

通過(guò)30 min 最高車速計(jì)算出X37 FCV 車所需驅(qū)動(dòng)功率Pe1：

式中：m為電動(dòng)汽車質(zhì)量，kg；g為重力加速度，m/s2；f為滾動(dòng)阻力系數(shù)；uamax為最高行駛車速，km/h；CD為空氣阻力系數(shù)；A為迎風(fēng)面積，m2；ηt為傳動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械效率。

車輛以一定的速度爬上最大坡度所需要的功率Pmi為：

式中：αmax為最大爬坡度，rad；并且αmax= arctani，i為坡度，%；ui為爬坡車速，km/h。

根據(jù)車輛爬坡性能設(shè)計(jì)指標(biāo)：（1）爬坡度i=4%；爬坡車速ui=60 km/h；（2）爬坡度i=12%；爬坡車速ui=30 km/h；（3） 最大爬坡度αmax為30%，爬坡車速ui=15 km/h。

根據(jù)加速性能確定電機(jī)峰值功率Pma為：

式中：δ為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)，取1.04左右；ua為車輛加速末速度，km/h；ta為加速時(shí)間，s。

根據(jù)整車加速性能設(shè)計(jì)指標(biāo)，目標(biāo)車速ua=100 km/h，加速時(shí)間ta=11.2 s。

驅(qū)動(dòng)電機(jī)峰值功率Pm必須保證以上3 種性能指標(biāo)下最大功率，即：

根據(jù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)過(guò)載系數(shù)確定電機(jī)額定功率。由于驅(qū)動(dòng)電機(jī)的過(guò)載系數(shù)高，峰值功率通常是額定功率的數(shù)倍，但不能長(zhǎng)時(shí)間在最大功率狀態(tài)下運(yùn)行，因此一般根據(jù)整車動(dòng)力性要求先確定出額定功率，再得到峰值功率。根據(jù)前面求出的額定功率，可得驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定功率為：

式中：λ為電機(jī)的過(guò)載系數(shù)，一般取經(jīng)驗(yàn)值2.33；Pe為驅(qū)動(dòng)電機(jī)額定功率；Pm為驅(qū)動(dòng)電機(jī)峰值功率。

通過(guò)式（5）計(jì)算可以得出Pe=60 kW。

最后再利用電機(jī)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速關(guān)系計(jì)算出驅(qū)動(dòng)電機(jī)額定扭矩和峰值扭矩：

1.3.2 動(dòng)力電池參數(shù)計(jì)算

動(dòng)力電池在全功率燃料電池車中只是起到輔助作用，在車輛急加速時(shí)，燃料電池響應(yīng)速率無(wú)法滿足要求時(shí)，由動(dòng)力電池大功率放電能力彌補(bǔ)這一缺陷。輔助動(dòng)力模式下動(dòng)力蓄電池要求具有瞬時(shí)大電流充放電能力，雖然充放電電流很大，由于持續(xù)時(shí)間都很短，因此電池SOC的波動(dòng)范圍不大。

目前可以作為輔助能源的有三元鋰離子電池、磷酸鐵鋰電池、鎳氫電池以及超級(jí)電容，其中超級(jí)電容和三元鋰電具有出色的功率能量溪能，但超級(jí)電容成本太高，因此本系統(tǒng)采用三元鋰電方案。

動(dòng)力電池參數(shù)設(shè)計(jì)有3 個(gè)性能指標(biāo)：電壓等級(jí)、功率需求和能量需求。電池電壓等級(jí)要求和電機(jī)電壓等級(jí)保持一致，同時(shí)根據(jù)燃料電池系統(tǒng)需求，整車母線電壓必須高壓電堆輸出電壓，因此本系統(tǒng)需要電壓范圍為[325 V，450 V]。

混動(dòng)模式下，動(dòng)力電池最大放電功率必須滿足：

根據(jù)燃料電池系統(tǒng)啟動(dòng)、停機(jī)吹掃功率時(shí)間曲線、整車急加速時(shí)需求放電能力可以計(jì)算出動(dòng)力電池容量參數(shù)[10]。

1.3.3 燃料電池系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算

根據(jù)整車燃料電池系統(tǒng)功率要求需要滿足車輛最高車速下功率要求即可。本系統(tǒng)中燃料電池采用質(zhì)子交換膜型燃料電池（PEMFC），電-電混合模式下，燃料電池的凈輸出功率PFCE應(yīng)滿足：

式中：ηDCF為升壓DCDC 效率；uamax為最高行駛車速；ηt為傳動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械效率；PA為高壓附件功率，約為10 kW。

計(jì)算出凈輸出功率PFCV≈80 kW，其中PFCV=PStack-PBOP，其中PStack為電堆功率，PBOP為燃電系統(tǒng)附件功率，計(jì)算得到PStack=104 kW。

1.3.4 儲(chǔ)氫量計(jì)算

根據(jù)續(xù)航里程650 km 和整車耗氫量0.77 kg/100 km指標(biāo)，可以計(jì)算出儲(chǔ)氫量，如表2所示。

表2 儲(chǔ)氫系統(tǒng)參數(shù)

1.3.5 X37 FCV車型動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)

通過(guò)以上匹配計(jì)算確認(rèn)“電-電”混合全功率燃料電池車動(dòng)力系統(tǒng)主要部件參數(shù)，如表3所示。

表3 動(dòng)力模塊參數(shù)表

2 整車動(dòng)力系統(tǒng)能量管理策略

在該混合動(dòng)力系統(tǒng)中，燃料電池系統(tǒng)作為主動(dòng)力源，鋰離子動(dòng)力電池組作為輔助動(dòng)力源，整車控制器VCU 進(jìn)行根據(jù)駕駛員意圖進(jìn)行電機(jī)扭矩解析和功率限制，根據(jù)動(dòng)力總成驅(qū)動(dòng)模式判斷模塊進(jìn)行整車能量管理以及功率分配，控制燃料電池以及動(dòng)力電池按照預(yù)測(cè)的功率輸出，同時(shí)進(jìn)行制動(dòng)能量回收管理。整車動(dòng)力系統(tǒng)控制框圖如圖3所示。

圖3 動(dòng)力系統(tǒng)控制框圖

整個(gè)控制采用功率跟隨式控制策略，汽車運(yùn)行時(shí)主要采用燃料電池系統(tǒng)提供電力；鋰離子動(dòng)力電池主要起調(diào)峰、增容、回收能量的作用。當(dāng)汽車加速、上坡時(shí)，鋰離子電池作為輔助電源提供電力；當(dāng)汽車下坡、減速時(shí)，鋰離子電池組回收燃料電池的富余電能；圖4 所示為混合動(dòng)力系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制原理，包含駕駛員意圖識(shí)別、動(dòng)力驅(qū)動(dòng)模式判斷、燃料電池功率預(yù)測(cè)、輔助電源協(xié)調(diào)管理模塊、驅(qū)動(dòng)電機(jī)扭矩解析和功率限制等模塊組成。

圖4 “電-電”混合動(dòng)力系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制原理

動(dòng)力驅(qū)動(dòng)模式判斷模塊主要根據(jù)駕駛員操作意圖實(shí)現(xiàn)如下工作模式的切換。

（1）啟動(dòng)模式：車輛啟動(dòng)時(shí)，燃料電池系統(tǒng)未開(kāi)機(jī)，燃電系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)其附件所需的高壓電均來(lái)源于動(dòng)力電池，燃料電池啟動(dòng)完成后進(jìn)行待運(yùn)行狀態(tài)。

（2）混合模式：在燃料電池響應(yīng)速度無(wú)法滿足整車功率需求的時(shí)候，會(huì)讓燃料電池和動(dòng)力電池同時(shí)放電。以0～100 km/h急加速工況為例，燃電系統(tǒng)從0 kW 開(kāi)始以10 kW/s速率進(jìn)行拉載，此時(shí)所有功率都需要?jiǎng)恿﹄姵靥峁姵胤烹姽β蕿?0 kW，整車電源總功率輸出為燃料電池系統(tǒng)輸出與動(dòng)力電池輸出的和。整車電源總輸出功率要覆蓋驅(qū)動(dòng)電機(jī)峰值功率和整車用電負(fù)載，其中燃料電池堆的最大可輸出功率與鋰離子電池組的最大可輸出功率之比為1∶0.1～1∶0.7[11]。

（3）正常行駛模式：車輛正常行駛過(guò)程，燃料電池系統(tǒng)輸出功率可以覆蓋到整車功率需求。動(dòng)力電池和燃料電池實(shí)行分段功率分配策略。

（4）低速段：燃料電池怠速運(yùn)行，動(dòng)力電池跟隨整車功率需求。

（5）中高速段：燃料電池驅(qū)動(dòng)整車，并且給動(dòng)力電池充電。

（6）停車模式：Key off 后，燃料電池系統(tǒng)進(jìn)入停機(jī)模式，停機(jī)吹掃所用的電量全部來(lái)源于動(dòng)力電池，動(dòng)力電池在燃料電池系統(tǒng)關(guān)機(jī)之前不能切斷高壓。

（7）能量回收模式：當(dāng)駕駛員踩剎車時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，給動(dòng)力電池進(jìn)行充電。

動(dòng)力電池在燃料電池系統(tǒng)從燃料電池系統(tǒng)停機(jī)、靜置、冷啟動(dòng)、起步加速時(shí)的SOC變化如圖5所示。

圖5 動(dòng)力電池SOC變化曲線

轉(zhuǎn)矩解析以及功率限制模塊依據(jù)油門踏板開(kāi)度以及燃料電池、動(dòng)力電池實(shí)際狀態(tài)信息進(jìn)行綜合分析處理，得到驅(qū)動(dòng)電機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)矩，燃料電池系統(tǒng)和動(dòng)力電池系統(tǒng)的功率合理分配是動(dòng)力總成控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，動(dòng)力系統(tǒng)能量分配控制最終以燃料電池升壓DCDC 以及動(dòng)力電池輸出功率調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3 整車動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性仿真

由于道路環(huán)境的影響，車輛在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中需要頻繁地加速、減速、怠速和停車，很少以恒定車速長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行。因此，在對(duì)整車性能進(jìn)行仿真時(shí)應(yīng)合理的選擇仿真工況。本次仿真選取ECE 工況進(jìn)行仿真，ECE 工況：最高車速50 km/h；包含4 個(gè)同樣的循環(huán)，單個(gè)循環(huán)200 s，共計(jì)800 s；加速、減速頻繁，利于制動(dòng)能量回收。

根據(jù)圖6 所示搭建整車動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性模型，整車能量管理策略按照上述要求進(jìn)行，整車動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性模型中各個(gè)部件參數(shù)設(shè)定根據(jù)上述理論計(jì)算方法得出，最終仿真得到整車動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性結(jié)果用以驗(yàn)證理論計(jì)算得到匹配結(jié)果是否正確。

圖6 整車動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性模型

模型中燃電系統(tǒng)參數(shù)需要設(shè)置額定功率、峰值功率、效率、怠速功率、加減載速率等。動(dòng)力電池參數(shù)需要設(shè)置電池電壓范圍、電池容量、放電功率等。驅(qū)動(dòng)電機(jī)設(shè)置額定/峰值轉(zhuǎn)矩、額定/峰值功率。能量回收率設(shè)定為12%。整車參數(shù)需要設(shè)定整車重量、最高車速180 km/h，百公里加速時(shí)間最大值11.2 s，爬坡度以及對(duì)應(yīng)車速，迎風(fēng)面積A、空氣阻力系數(shù)Cd、滾動(dòng)阻力系數(shù)f，輪胎滾動(dòng)半徑m，傳動(dòng)效率等。

仿真工況按照?qǐng)D7 所示，采用ECE 循環(huán)工況。通過(guò)ECE 工況仿真，對(duì)續(xù)駛里程進(jìn)行測(cè)試。該項(xiàng)仿真測(cè)試應(yīng)滿足《GB/T 18386-2017 電動(dòng)汽車能量消耗率和續(xù)駛里程試驗(yàn)方法》中續(xù)駛里程測(cè)試要求。

圖7 ECE循環(huán)工況

在全功率電-電混合能量管理策略，整車啟動(dòng)以及百公里加速時(shí)，動(dòng)力電池和燃料電池共同輸出；低速段（25 km/h 以下）勻速行駛時(shí)，由動(dòng)力電池提供動(dòng)力，燃料電池怠速運(yùn)行，中高速段時(shí)，燃料電池單一輸出動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)整車并且給動(dòng)力電池充電。燃電系統(tǒng)怠速凈輸出功率5 kW、3 kW 和0 kW 時(shí)，仿真結(jié)果如表4 和圖8 所示，很顯然燃電系統(tǒng)怠速輸出功率對(duì)整車經(jīng)濟(jì)性影響很大?；陔?電混合全功率氫能源車型中燃料電池系統(tǒng)本身動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性對(duì)整車動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性影響巨大，因此需要持續(xù)優(yōu)化燃料電池系統(tǒng)參數(shù)。

表4 仿真結(jié)果

圖8 仿真結(jié)果曲線

4 結(jié)束語(yǔ)

“電-電”混合全功率燃料電池車型必然成為今后的發(fā)展趨勢(shì)，本文主要設(shè)計(jì)一種基于“電-電”混合燃料電池車動(dòng)力系統(tǒng)，講述如何進(jìn)行動(dòng)力模塊參數(shù)匹配選型，通過(guò)本動(dòng)力系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)模式，介紹了整車能量管理策略，不同的能量管理策略對(duì)應(yīng)著不同的動(dòng)力部件參數(shù)選型，選型時(shí)要充分考慮能量管理策略對(duì)零部件以及整車性能的影響，不斷進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化來(lái)提高整車動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。

審核編輯：湯梓紅