1、2006年(第28卷)第8期汽 車 工 程AutomotiveEngineering2006(Vo.l28)No.82006163燃料電池汽車動(dòng)力總成結(jié)構(gòu)配置及參數(shù)優(yōu)化匹配贠海濤,萬 鋼,孫澤昌(同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院,上海 201804)摘要 結(jié)合燃料電池大客車動(dòng)力系統(tǒng)的實(shí)際開發(fā)過程,分3個(gè)步驟闡述燃料電池汽車動(dòng)力總成結(jié)構(gòu)配置和參數(shù)匹配的一般方法。第1步,通過分析燃料電池的特性論證了動(dòng)力總成結(jié)構(gòu)配置的優(yōu)化解決方案。第2步,通過分析不同類型功率部件特性闡述了主要功率部件選型的依據(jù),并且根據(jù)設(shè)計(jì)性能要求進(jìn)行動(dòng)力總成主要部件基本參數(shù)設(shè)計(jì)。第3步,進(jìn)行燃料電池混合動(dòng)力總成參數(shù)優(yōu)化匹配的研究。仿真和實(shí)驗(yàn)臺(tái)測(cè)

2、試的結(jié)果證明所設(shè)計(jì)的燃料電池大客車動(dòng)力總成滿足要求。關(guān)鍵詞:燃料電池汽車,動(dòng)力總成,結(jié)構(gòu)配置,參數(shù)匹配AStudyonConfigurationandParametersOptimizationofDrive-trainforFuelCellVehicleYunHaitao,WanGang&SunZechangAutomobileSchool,TongjiUniversity,Shanghai 201804Abstract Aimingatthedevelopmentofafuelcellbusdrive-train,ageneralmethodoftheconfigurationan

3、dparametersoptimizationofadrive-trainforfuelcellvehicleispresentedwiththreesteps.Firs,taconfigurationschemeofhybriddrive-trainsystemisadoptedbasedontheanalysisonthecharacteristicsoffuelcel;lSecond,ac-cordingtotheperformancerequirementsoffuelcellvehicle,theappropriatetypesofmajorpowercomponentsaresel

4、ectedandtheirbasicparametersaredefined;Third,anoptimizingsimulationiscarriedoutontheparametersofhybridpowersystemoffuelcellbus.Theresultsofsimulationandtestsshowthattherequirementsoffuelcellbusareme.tKeywords:Fuelcellvehicle,Drive-train,Configuration,Parametersoptimization系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn),但同時(shí)也存在一些問題。1 前言從能

5、量轉(zhuǎn)換角度看,燃料電池汽車與傳統(tǒng)汽車有著本質(zhì)的區(qū)別,這就要求燃料電池汽車動(dòng)力系統(tǒng)采用全新的結(jié)構(gòu)形式。文中在深入分析燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)特性的基礎(chǔ)上,結(jié)合燃料電池大客車動(dòng)力系統(tǒng)的實(shí)際開發(fā)過程,系統(tǒng)研究并提出了燃料電池汽車動(dòng)力總成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及參數(shù)匹配的一般方法。(1)輸出特性偏軟 圖1是某40kW燃料電池堆的輸出特性曲線,可以看出燃料電池的輸出特性偏軟,作為車用電源,無法滿足負(fù)載頻繁劇烈的變W燃料電池化,因此必須在電機(jī)控制圖1 某40k器和燃料電池之間增加必要的功率部件進(jìn)行阻抗匹堆的輸出特性曲線2 結(jié)構(gòu)配置燃料電池作為車用電源有效率高、污染小、傳動(dòng)配。實(shí)踐證明,采用直流變換器DC/DC,可以很好1地起到

6、阻抗匹配的作用,燃料電池和DC/DC合并作為車用動(dòng)力電源。79# 730#汽 車 工 程2006年(第28卷)第8期(2)啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)差、功率密度低、成本高、無法吸收回饋能量 采用矢量控制的車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)可方便地實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行,使制動(dòng)能量的回收成為可能。而燃料電池?zé)o法吸收回饋能量。另外用燃料電池作為單一電源,還存在兩個(gè)問題,一是其啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng),動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度較慢,無法滿足車輛運(yùn)行過程中負(fù)載的快速變化需求,二是燃料電池功率密度較低、成本高,若僅以燃料電池滿足峰值功率需求,勢(shì)必會(huì)造成整備質(zhì)量和成本的增加。在燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)(FCE)和電機(jī)控制器之間增加峰值功率系統(tǒng)(PPS),不僅可以吸收回饋能量、

7、降低成本,而且可以彌補(bǔ)FCE啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)差的缺點(diǎn)。采用這種結(jié)構(gòu)的動(dòng)力系統(tǒng)稱為燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng),其結(jié)構(gòu)如圖2所示。廣泛應(yīng)用。開關(guān)磁阻電機(jī)應(yīng)用較少。由于大客車的功率需求較大,導(dǎo)致電機(jī)功率和體積增加,對(duì)控制器件要求提高,并且不利于整車布置,因此適宜采用多電機(jī)驅(qū)動(dòng)的方案。可采用兩種結(jié)構(gòu):一種是多電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩耦合;另一種是采用輪轂電機(jī)技術(shù),后者控制較為復(fù)雜2。31112 電機(jī)性能參數(shù)確定3111211 理想車用電機(jī)的轉(zhuǎn)矩理想車用電機(jī)的特性可以用圖3表示3。轉(zhuǎn)折轉(zhuǎn)速nb以下以Tmax恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行,以上以Wb恒功率運(yùn)行。采用先進(jìn)的矢量控制方法的高速電機(jī)輸出特性與車輛行駛時(shí)車速范圍寬、低速轉(zhuǎn)圖3 理

8、想的車用電機(jī)轉(zhuǎn)矩大要求相一致4。矩根據(jù)上述分析,需要確定的電機(jī)性能參數(shù)包括:最大功率、最高轉(zhuǎn)速、最大轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)折轉(zhuǎn)速等。下面通過分析車輛在不同工況下的受力情況和能量轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)電機(jī)參數(shù)。圖2 燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖3111212 車輛的縱向動(dòng)力學(xué)平衡方程車輛行駛時(shí)縱向動(dòng)力學(xué)受力平衡方程式為Ft=Ff+Fw+Fi+Fj(1)式中各項(xiàng)分別為作用到車輪上的驅(qū)動(dòng)力、地面滾動(dòng)阻力、空氣摩擦阻力、坡度阻力和加速阻力。展開為CDAvTtGTig5dv=mgf+mgi+Em(2)2111518dtr式中Tt為電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩;GT為電機(jī)輸出軸至車輪之間的傳動(dòng)效率;r為輪半徑;ig為傳動(dòng)比;m為整車質(zhì)量;f為地面

9、滾動(dòng)阻力系數(shù);CD為空氣阻力系數(shù);A為車輛迎風(fēng)面積;v為車速;i為路面坡度;E為車輛旋轉(zhuǎn)質(zhì)量轉(zhuǎn)換系數(shù)。3111213 電機(jī)性能參數(shù)確定(1)最高轉(zhuǎn)速nmax根據(jù)最高設(shè)計(jì)車速,初定傳動(dòng)比ig,即可確定電機(jī)最高轉(zhuǎn)速。增大電機(jī)最高轉(zhuǎn)速有利于降低其體積、減小質(zhì)量,但會(huì)使傳動(dòng)比增大,從而加大傳動(dòng)系統(tǒng)的體積、質(zhì)量和傳動(dòng)損耗。應(yīng)綜合考慮多方因素。由于電機(jī)轉(zhuǎn)速較高,因此傳動(dòng)比一般取值較大,為815。初選ig=12,得nmax4642r/min。(2)最高轉(zhuǎn)矩Tmax、最大功率Pmax和額定轉(zhuǎn)速nbTmax綜上所述,采用混合動(dòng)力方式可以很好解決燃料電池作為車用電源存在的不足,文中所研究的燃料電池客車即采用了這種

10、結(jié)構(gòu)形式。3 動(dòng)力部件選型和基本參數(shù)設(shè)計(jì)燃料電池大客車的主要相關(guān)數(shù)據(jù)如表1所示。表1 整車參數(shù)和設(shè)計(jì)性能要求最高車速(峰值)/km#h-1最高車速(持續(xù))/km#h-1最大爬坡度/%050km/h加速時(shí)間/s輪胎半徑/mm70631530480輪胎滾動(dòng)阻力系數(shù)空氣阻力系數(shù)迎風(fēng)面積/m2整備質(zhì)量/kg滿載質(zhì)量/kg01016016581751200016000311 電機(jī)31111 電機(jī)選型目前,可用作車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)的有直流電機(jī)、交流感應(yīng)電機(jī)、永磁同步電機(jī)、直流無刷電機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)等。交流異步電機(jī)由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固,且控制性能好,被歐國(guó)家和美國(guó)廣泛采用。永磁同步電機(jī)2006(Vo.l28)No.

11、8贠海濤,等:燃料電池汽車動(dòng)力總成結(jié)構(gòu)配置及參數(shù)優(yōu)化匹配# 731#轉(zhuǎn)矩,并且最大轉(zhuǎn)矩工作的轉(zhuǎn)速范圍為0最大爬坡轉(zhuǎn)速,由此初定額定轉(zhuǎn)速和最大功率,然后以此校核靜止加速時(shí)間和最高車速。由式(2)可得最大轉(zhuǎn)矩mgfcosA+mgsinA21115r=1159(N#m)GTig(3)式中A為路面坡度角,若要求最大爬坡車速vp=20km/h,對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)折轉(zhuǎn)速nb=1326r/min。最大功率為PmaxTmaxnb9550=161(kW)Emvdv12960v-CDAv3900r/min時(shí)電機(jī)實(shí)際運(yùn)行外特性與理想設(shè)計(jì)外特性基本吻合,高于3900r/min時(shí)最大輸出功率開始逐漸減小。另外,由此圖可以方便地校核

12、車輛的動(dòng)力性。從圖4可知電機(jī)最高運(yùn)行轉(zhuǎn)速,從而可以計(jì)算最高車速為68km/h,不能滿足要求,需要對(duì)傳動(dòng)比進(jìn)行修正。CDAvp2Tmax(4)校驗(yàn)靜止加速時(shí)間為tf=GPTvpfvvpGTPmaxmgfvmgiv-vp3600360076140Emvdv129603=1618(s)CDAvmgfvmgiv-3600360076140maxf+(5)式中vf為加速過程的截止車速。最高車速vmax行駛時(shí)所需的功率由式(2)得Pcmax=mgfvmax360076140=8314kW<Pmax+CDAvmax+mgivmax3/GT(6)圖4 電機(jī)外特性曲線和行駛阻力曲線經(jīng)過上述分析可以確定電機(jī)

13、,對(duì)于樣車設(shè)計(jì)試制,在現(xiàn)有方案中比較選取可以節(jié)約試制成本,縮短開發(fā)時(shí)間。經(jīng)對(duì)比,選擇某電機(jī)公司提供的雙電機(jī)解決方案。其主要參數(shù)指標(biāo)如表2所示。表2 電機(jī)及其控制性能參數(shù)電機(jī)類型電機(jī)形式峰值轉(zhuǎn)矩/N#m額定轉(zhuǎn)速/r#min-1最高轉(zhuǎn)速/r#min-1交流異步電機(jī)控制方法空間矢量變頻控制10623693336(1)最大傳動(dòng)比傳動(dòng)比應(yīng)滿足車輛最高車速要求。最高車速時(shí)PcW,對(duì)應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為4502r/min,有max=8314k2nmaxPrig=1116(7)60vmax1000/3600(2)最小傳動(dòng)比傳動(dòng)比還應(yīng)滿足一定車速下的最大爬坡度2CDAvpmgfcosA+mgsinA21115igr=1

14、111(8)GTTmax(3)傳動(dòng)比設(shè)計(jì)結(jié)果由上述計(jì)算得傳動(dòng)比應(yīng)滿足:1111ig1116,圖4(b)所示為ig=1115時(shí)電機(jī)外特性曲線和阻力曲線,可以看出,最高爬坡度能夠達(dá)到15%,由電機(jī)最高運(yùn)行轉(zhuǎn)速可以計(jì)算最高車速為7017km/h,靜加tf雙電機(jī)轉(zhuǎn)矩耦合輸出/kW126020006000/kW峰值效率/%額定電壓/V31113 傳動(dòng)比電機(jī)確定之后應(yīng)確定傳動(dòng)比,并以此校核動(dòng)力性。圖4分別給出電機(jī)理想設(shè)計(jì)、實(shí)際運(yùn)行、實(shí)測(cè)的外特性曲線以及行駛阻力曲線。由圖可以看出低于# 732#汽 車 工 程2006年(第28卷)第8期312 燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)(FCE)31211 燃料電池(FC)選型現(xiàn)在的研

15、究成果表明能作為車用電源的最佳型FC是質(zhì)子交換膜型燃料電池(PEMFC)31212 FCE參數(shù)設(shè)計(jì)足PFCEGDCFPmaxrGm+PA=212(kW)(9)2述分析選定蓄電池,表3給出了所選蓄電池的主要參數(shù)。表3 蓄電池主要參數(shù)類型容量/A#h比能量#/W#h#kg-1比功率*/W#kg-1鋰離子電池3080800電壓范圍/VSOC允許范圍/%最大放電功率*/kW最大充電功率*/kW2853502575130100。燃料電池作為單一電源的凈輸出功率PFCE應(yīng)滿注:*表示50%SOC持續(xù)脈沖時(shí)間18s;#表示C/3放電率。式中GDCF為DC/DC效率;Pmaxr為最大需求功率;Gm為電機(jī)及其逆

16、變器效率;PA為輔助設(shè)備功率消耗?；旌闲褪较?燃料電池功率應(yīng)滿足車輛持續(xù)最高車速行駛時(shí)的功率需求(98kW),考慮燃料電池的制造成本高和比功率等因素,在滿足設(shè)計(jì)性能要求的基礎(chǔ)上,應(yīng)盡可能降低其功率級(jí)別。313 峰值功率系統(tǒng)(PPS)31311 PPS的選型可以作為PPS的有超級(jí)電容、飛輪、動(dòng)力蓄電池。本燃料電池客車選用動(dòng)力蓄電池?；旌蟿?dòng)力電動(dòng)汽車上的動(dòng)力蓄電池有兩種工作模式:輔助動(dòng)力模式和雙動(dòng)力模式。前者偏重蓄電池的功率特性,后者還要求蓄電池具有一定的能量特性。本動(dòng)力系統(tǒng)采用輔助動(dòng)力模式。輔助動(dòng)力模式下的動(dòng)力蓄電池,要求電池具有瞬間大電流充放電的能力,雖然充放電電流很大,但由于持續(xù)時(shí)間都較短,

17、因此電池的荷電狀態(tài)(SOC)的波動(dòng)范圍不大。目前可以作為車用輔助動(dòng)力源的蓄電池有:鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池、鋰離子電池。其中鋰離子電池具有較出色的功率能量性能,但存在使用安全的問題。31312 蓄電池的參數(shù)設(shè)計(jì)對(duì)蓄電池主要有2個(gè)性能要求:功率需求和能量需求。(1)功率要求作為PPS,蓄電池最大放電功率必須滿足Pmax+PA-PFCE=112(kW)(10)PBAGm蓄電池還必須具備一定的充電功率,以吸收制動(dòng)時(shí)的回饋能量。考慮到電池的特性和電機(jī)的回饋功率,充電功率應(yīng)大于60kW。(2)能量要求輔助動(dòng)力模式情況下,對(duì)蓄電池的能量要求不,4 參數(shù)優(yōu)化匹配在初步確定了動(dòng)力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)之后,動(dòng)力

18、系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化匹配應(yīng)遵循以下2條原則。(1)蓄電池不需要外部充電,運(yùn)行過程中總的能量由FCE提供。(2)FCE與蓄電池的匹配原則是在保證整車動(dòng)力性基礎(chǔ)上經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)。優(yōu)化問題的目標(biāo)函數(shù)可以表示為(11)GFCEH2_heatvalue式中A為混合度,cycle代表循環(huán)工況,H2_heatvalueg=為氫氣熱值。約束條件為PFCE/A=PmaxSOCend-SOCstartEAdvisor進(jìn)行優(yōu)化仿真分析。411 循環(huán)工況的選取選用Advisor庫中NYCC、ECE和NewYorkBUS3個(gè)具有代表性的城市循環(huán)工況相加進(jìn)行優(yōu)化仿真,如圖5所示。(12)PFCE(t,A,cycle)dt根據(jù)上述優(yōu)

19、化目標(biāo)函數(shù)及其約束條件,使用圖5 循環(huán)工況NYCC+ECE+NewYorkBUS412 仿真參數(shù)的輸入和仿真結(jié)果分析根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)果和約束條件確定仿真輸入?yún)?shù),設(shè)定SOC的范圍為013017,初始值為015。在總2006(Vo.l28)No.8贠海濤,等:燃料電池汽車動(dòng)力總成結(jié)構(gòu)配置及參數(shù)優(yōu)化匹配# 733#真。將仿真前后蓄電池SOC變化量折算為燃料消耗量,仿真結(jié)果如圖6所示。仿真結(jié)果表明,混合度為40%70%之間時(shí),燃料消耗量相對(duì)較低,且變化較小;曲線擬合的結(jié)果說明當(dāng)混合度為48%時(shí),車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性最佳;當(dāng)混合度大于70%時(shí),燃料消耗量上升較快,這跟燃料電池中高負(fù)荷時(shí)效率較高且變化較小,低負(fù)荷時(shí)效率較低的特性有關(guān);當(dāng)混合度大于70%時(shí),由于燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)特性較差,不僅燃料消耗量增加,而且車速的跟隨能力變差。這也證明了對(duì)于燃料電池動(dòng)力系統(tǒng),動(dòng)力蓄電池作為PPS的必要性。圖8 某時(shí)間段的電機(jī)、DC/DC和蓄電池的電流圖9 實(shí)驗(yàn)中蓄電池SOC變化歷程圖6 仿真結(jié)果另外,仿真中還發(fā)現(xiàn),當(dāng)混合度小于30%時(shí),蓄電池SOC的下降超過規(guī)定的下限值,說明不滿足輔助動(dòng)力工作模式的要求;而當(dāng)混合度大于40%時(shí),SOC在規(guī)定的范圍內(nèi)波動(dòng)。6 結(jié)論結(jié)合燃料電池大客車動(dòng)力總成的設(shè)計(jì)實(shí)例,提