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增程式燃料電池電動汽車動力系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究
2020-07-08 23:31:43· 來源：汽車實(shí)用技術(shù)雜志社 作者：張微；董銘君；鄭志強(qiáng)；岳東東
摘要：動力系統(tǒng)的參數(shù)匹配是增程式燃料電池電動汽車設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，直接影響整車的動力性和燃料經(jīng)濟(jì)性。以某款增程式燃料電池轎車為研究對象，研究了增程式燃料
摘要：動力系統(tǒng)的參數(shù)匹配是增程式燃料電池電動汽車設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，直接影響整車的動力性和燃料經(jīng)濟(jì)性。以某款增程式燃料電池轎車為研究對象，研究了增程式燃料電池電動汽車動力系統(tǒng)設(shè)計(jì)中參數(shù)匹配與關(guān)鍵零部件選型。明確了FCV的動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作模式，依據(jù)整車動力性能及經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)開展了燃料電池發(fā)動機(jī)系統(tǒng)、驅(qū)動電機(jī)、電池的參數(shù)匹配與選型，使用ADVISOR2002汽車仿真軟件對整車的動力性與經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了仿真,仿真結(jié)果表明，所確定的動力系統(tǒng)方案能夠滿足整車性能要求,驗(yàn)證了整車參數(shù)匹配與選型的合理性。
引言
燃料電池電動汽車因具有零排放、效率高、能源可再生、多元化等優(yōu)點(diǎn)，成為全球各大汽車公司的研究熱點(diǎn)。自 20世紀(jì) 80年代起，奔馳、豐田、本田、通用等汽車公司對燃料電池電動汽車進(jìn)行了近 40 年的研究，其整車性能和可靠性已與傳統(tǒng)汽車相當(dāng)，正處于產(chǎn)業(yè)化前期，但相關(guān)的匹配設(shè)計(jì)技術(shù)尚不完善。
合理地選擇動力系統(tǒng)的參數(shù)，才能充分保證 FCV的整車動力性和續(xù)駛里程的要求。文中首先介紹了 FCV動力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)配置和工作模式; 然后以 FCV 整車動力性能指標(biāo)和續(xù)駛里程要求為約束條件，對 FCV開展了動力系統(tǒng)各部件的參數(shù)匹配設(shè)計(jì),最后，使用以ADVISOR2002汽車仿真軟件進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。
1 增程式燃料電池電動汽車動力結(jié)構(gòu)
增程式電動汽車( EREV) 一般采用串聯(lián)式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)相對較簡單，是混合動力汽的一種，其在純電動汽車的基礎(chǔ)上增加一套燃料電池發(fā)動機(jī)，目的是為了增加汽車的行駛路程，從而有效解決一般純電動汽車行駛路程較短，續(xù)航能力不足的問題。燃料電池發(fā)動機(jī)作為整車動力系統(tǒng)增程器( RE) 充當(dāng)備用能源角色，而動力蓄電池作為車輛驅(qū)動的主要能源。當(dāng)動力蓄電池電能不足或輸出功率難以滿足工況需求時(shí)，增程器開始工作，為動力蓄電池充電或直接驅(qū)動車輛，從而增加車輛的續(xù)駛里程.
圖1 增程式燃料電池電動汽車動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
2 增程式燃料電池電動汽車動力系統(tǒng)匹配計(jì)算與選型
2.1 整車性能指標(biāo)分析
（1）整車基本參數(shù)及性能指標(biāo)
本文以某增程式燃料電池轎車為研究對象，其基本參數(shù)如表1所示。
表1 整車基本參數(shù)
考慮所設(shè)計(jì)車型的乘用用途，并參考了其它同類型車型的性能指標(biāo)，提出了FCV的整車性能設(shè)計(jì)指標(biāo)，如表2所示。
表2 整車性能設(shè)計(jì)指標(biāo)
2.2增程式燃料電池電動汽車動力系統(tǒng)參數(shù)匹配
本文所研究的增程式燃料電池電動汽車是全新開發(fā)的增程式燃料電池電動轎車，因此需要根據(jù)整車基本參數(shù)及設(shè)計(jì)目標(biāo)對動力系統(tǒng)進(jìn)行匹配選型。
2.2.1驅(qū)動電機(jī)參數(shù)匹配
燃料電池電動汽車只有一個(gè)動力源，因此，其動力系統(tǒng)參數(shù)的匹配主要是確定動力電機(jī)的參數(shù)，以便選擇合適的電機(jī)。相關(guān)參數(shù)包括峰值功率、額定功率、峰值轉(zhuǎn)矩、額定轉(zhuǎn)矩、最高轉(zhuǎn)速等，確定方法如下。
2.2.1.1驅(qū)動電機(jī)額定功率
驅(qū)動電機(jī)額定功率由30min最高車速所需的功率確定：
（1）式中：Prate驅(qū)動電機(jī)額定功率，kw；為整車傳動系傳動效率；m為實(shí)驗(yàn)質(zhì)量，kg;g為重力加速度，9.8m/s2;f為路面滾動阻力系數(shù)；CD為空氣阻力系數(shù)；A為整車迎風(fēng)面積，m2；Vmax為30min最高車速，km/h。
2.2.1.2驅(qū)動電機(jī)峰值功率
驅(qū)動電機(jī)峰值功率由1km最高車速，最大爬坡度，加速時(shí)間確定：
式中：Pmax1為根據(jù)最高車速確定驅(qū)動電機(jī)的峰值功率，kw；Pmax2為根據(jù)最大爬坡度確定的驅(qū)動電機(jī)峰值功率，kw；pmax3為根據(jù)0-50km/h加速時(shí)間確定的電機(jī)峰值功率，kw；i為爬坡度；vi為爬坡車速，m/s；為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；tb為0-50km/h加速時(shí)間，s；vn為電機(jī)基速對應(yīng)的車速，m/s；vf為加速終止的車速，m/s。
2.2.1.3驅(qū)動電機(jī)最高轉(zhuǎn)速
（6）式中：nmax為驅(qū)動電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速，r/min；i為主減器比；r為輪胎滾動半徑，m。
2.2.1.4驅(qū)動電機(jī)峰值扭矩
式中：Tmax1為根據(jù)爬坡度確定驅(qū)動電機(jī)的最大扭矩，Nm；Tmax2為根據(jù)為根據(jù)電機(jī)驅(qū)動峰值功率確定的驅(qū)動電機(jī)最大的扭矩，Nm。
2.2.2燃料電池發(fā)動機(jī)系統(tǒng)參數(shù)匹配
2.2.2.1燃料電池發(fā)動機(jī)功率參數(shù)匹配
2.2.2.1.1燃料電池發(fā)動機(jī)額定功率參數(shù)匹配
選取車輛以續(xù)航車速行駛時(shí)燃料電池發(fā)動機(jī)所應(yīng)提供的功率作為其額定功率，同時(shí)所選動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為燃料電池發(fā)動機(jī)輔助系統(tǒng)位于DC/DC變換器后端，則需考慮燃料電池輔助系統(tǒng)功率：
式中：pfc_rate為燃料電池發(fā)動機(jī)額定功率，kw；dcdc-avg為DCDC變換器平均工作效率，PAUX為非驅(qū)動負(fù)載功率, kw。
2.2.2.1.2燃料電池發(fā)動機(jī)峰值功率參數(shù)匹配
燃料電池發(fā)動機(jī)的峰值功率可以兼顧動力電池最大充電能力的限制，使燃料電池發(fā)動機(jī)峰值功率與動力電池最大充電功率相當(dāng)。
式中：pfc_max為燃料電池發(fā)動機(jī)峰值功率,kw;pch-max為動力電池最大充電功率;kw。Um為動力電池的電壓；v，a為最大充電系數(shù)；Cm為最大充電倍率。
2.2.2.2儲氫系統(tǒng)參數(shù)
氫系統(tǒng)工作時(shí)設(shè)計(jì)目標(biāo)為車輛以60km/h勻速行駛時(shí)續(xù)航里程不低于300km，此階段行駛里程僅有燃料電池發(fā)動機(jī)系統(tǒng)提供電力，氫氣的消耗量為：
式中：MH為根據(jù)氫系統(tǒng)工作時(shí)設(shè)計(jì)目標(biāo)為車輛以60km/h勻速行駛時(shí)續(xù)航里程不低于300km時(shí)氫氣的消耗量，g；qfc-low為氫氣低熱值，j/g；fc為燃料電池發(fā)動機(jī)效率；vm為勻速行駛車速，km/h；S2為氫系統(tǒng)工作時(shí)續(xù)航里程，km。
設(shè)氫罐容積為V (m3),由理想氣體的體積公式，得出儲氫罐的體積：
式中：V為根據(jù)理想氣體的體積公式確定的儲氫罐的體積，；R為理想氣體常數(shù)，mH為氫氣摩爾質(zhì)量，g/mol；P為初始壓強(qiáng)，pa；T1為初始溫度，k；Z1為初始壓縮系數(shù)；P2為初始壓強(qiáng)，pa；T2為初始溫度，k；Z2為初始壓縮系數(shù)；
2.2.3動力電池參數(shù)匹配
動力電池需要滿足驅(qū)動電機(jī)的峰值功率；除了滿足功率需求以外，動力電池還應(yīng)滿足工況續(xù)航里程的能量需求。
2.2.3.1功率要求
動力電池的的總能量需滿足：
式中：E為根據(jù)驅(qū)動電機(jī)峰值功率確定的功率總能量，kwh；k為最大放電率，單位為h-1；ηmc為驅(qū)動電機(jī)及控制器效率。
2.2.3.2氫系統(tǒng)不工作時(shí)續(xù)航里程能量需求
式中：E為根據(jù)氫系統(tǒng)不工作時(shí)續(xù)航里程的能量要求，kwh；k為放電深度；S1為氫系統(tǒng)不工作時(shí)續(xù)航里程，km;
2.2.4動力系統(tǒng)參數(shù)匹配結(jié)果
基于上述動力系統(tǒng)總成的匹配結(jié)果及國內(nèi)關(guān)鍵動力系統(tǒng)總成的資源情況，選擇相應(yīng)動力系統(tǒng)的參數(shù)。見表3。
表3 增程式燃料電動汽車動力系統(tǒng)參數(shù)表
3 整車建模與性能仿真分析
3.1 整車模型建模
為驗(yàn)證FCV動力系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性，使用整車性能仿真軟件建立增程式燃料電池電動汽車整車模型，如圖2所示。之后，將所選定的各部件數(shù)據(jù)通過M文件填寫到整車仿真軟件advisor的主要零件模塊中，對其動力性和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行仿真分析。
圖2 FCV整車模型
3.2 動力性能仿真結(jié)果分析
增程式燃料電池電動汽車是指汽車在良好路面上直線行駛時(shí)由汽車受到的縱向外力決定的,所能達(dá)到的平均行駛速度。從獲得盡可能高的平均行駛速度的觀點(diǎn)出發(fā)，根據(jù)動力性能設(shè)計(jì)要求，主要進(jìn)行了30min最高車速、lkm最高車速、最大爬坡度、0—50 km/h加速時(shí)間性能仿真，其結(jié)果如表 4 所示。
表4 動力性能仿真結(jié)果
3.3 經(jīng)濟(jì)性性能仿真結(jié)果分析
本文選取NEDC循環(huán)工況，該工況由兩部分組成，一部分為前面四個(gè)市區(qū)循環(huán)單元，每個(gè)單元循環(huán)時(shí)間持續(xù)195s，包括起步、怠速、加速、減速以及停車等工況，最高車速為50km/h，平均車速為18.35km/h；另一部分為一個(gè)市郊循環(huán)單元，持續(xù)時(shí)間為400s，最高車速和平均車速分別為120km/h和62.6km/h。整車在NEDC下仿真結(jié)果如圖2所示。由圖可知，車輛實(shí)際車速與跟隨車速基本一致，說明車速跟隨情況良好；在整個(gè)nedc循環(huán)工況下，動力電池 SOC 變化幅度較小，直到電池荷電狀態(tài)下降到設(shè)定的閾值0.3時(shí)，燃料電池發(fā)動機(jī)系統(tǒng)開啟，給動力電池充電。
圖3 FCV仿真結(jié)果
表2 經(jīng)濟(jì)性性能仿真結(jié)果
4 結(jié)論
本文以某款增程式燃料電池電動汽車為研究對象，依據(jù)在一定工況下的燃料電池電動汽車的動力性與經(jīng)濟(jì)性分析，通過與設(shè)計(jì)目標(biāo)進(jìn)行對比，該車各項(xiàng)指標(biāo)均能滿足設(shè)計(jì)要求，說明動力系統(tǒng)各部件參數(shù)匹配是合理可行的，驗(yàn)證了整車參數(shù)匹配的合理性，為后續(xù)燃料電池電動汽車的設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)，同時(shí)有益于整車性能的改善。
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