燃料电池轿车动力系统结构设计

卢 冶，干 频，刘 奋

(上海汽车集团股份有限公司新能源汽车事业部，上海204801)

燃料电池汽车可以做到整车功率密度接近传统汽车并且效率高，清洁无污染。然而，目前国内外燃料电池系统的应用成本、可靠性和使用寿命仍处开发优化期。设计燃料电池轿车动力系统结构，动力源如过度依赖燃料电池系统，则整车成本高、性能会受限，不利于大量应用。

动力源采用动力蓄电池和燃料电池双电源组合、以动力蓄电池为主，降低燃料电池系统的功率，将大幅降低燃料电池轿车动力系统开发成本，并且整车使用寿命和可靠性提高;增加动力系统Plug-in外电网充电能力、利用充电的能量增加续驶里程会进一步提高燃料电池轿车的性能。

1 燃料电池轿车动力系统结构

1.1 燃料电池轿车动力系统结构的双电源系统功率分配

目前，燃料电池轿车动力系统的电源一般由燃料电池和动力蓄电池两种电源构成，以燃料电池系统为主要功率电源，其简化结构如图1。

图1 动力系统结构Fig.1 The powertrain structure

图1(a)、(b)的区别在于电源变换器的放置位置不同。假设燃料电池系统FCS的功率为1，动力蓄电池Battery的功率为其1/n(n为自然数)，DC/DC或双向BDC电源变换器的效率为x。

经研究发现:①图1(a)比图1(b)的电源系统效率高;②由于以燃料电池系统的功率为主，致使动力系统总成本提高;③蓄电池的容量和功率虽小，但车辆对蓄电池的充放电倍率要求反而相对变大。

1.1.1 DC/DC配置在小功率电源侧的动力系统结构具有较高的电源效率

假设图1中燃料电池系统的功率为Pa(t)，蓄电池的功率为Pb(t)。动力系统输出驱动功率时，母线上图1(a)、(b)的电源功率总和(负载输入)为:

电源效率为:

一般情况，DC/DC变换器的效率x=90% ～98%，则效率差值大于0。显然，图1(a)(DC/DC配置在小功率电源侧的动力系统结构)的电源变换效率比图1(b)高，随结构中两种电源功率分配差别的增大更明显。

设DC/DC的效率值分别为x=1(理想值)，x=0.9 和 x=0.7，n=1 ～9(整数)，计算并绘出两种结构电源效率值的对比趋势如图2。

效率差:

图2 两种动力系统结构的电源效率值对比Fig.2 Comparison between the power efficiency of the two powertrain structures

由图2不难看出:①图1(a)结构的效率高;②DC/DC效率越低，图1(a)、(b)结构的效率差别越明显;③DC/DC效率不变，电源功率分配值越大，图1(a)效率越高。

1.1.2 蓄电池功率小易导致充放电倍率高

图1动力系统结构在实际应用中，蓄电池的性能衰减较快，图1(a)中因采用BDC，对蓄电池的充放电流保护，蓄电池性能衰减情况不明显，但是对电源变换器的性能要求高，BDC成本也较高。分析图1(b)的特点得知:受图1结构限制，蓄电池功率在电源中所占比例小，造成蓄电池的充放电倍率比相差很大。

根据能量守恒定律，整车由驱动行驶转为制动行驶过程中，需要将汽车的动能转化为电能存储在蓄电池中或者联合机械制动装置共同消耗。

不考虑机械制动和辅助功率消耗，当汽车运行于最大设计功率点的瞬间，所需功率由电源提供，其值为Pb0，根据公式(2)有:蓄电池放电功率Pb=。

为方便说明，假设此时电压值U恒定，则蓄电池最大放电电流为:

在由驱动转为电机再生制动运行的瞬间，系统母线上的最大瞬时功率为Pb0，只有被蓄电池单独吸收(燃料电池系统的功率只能单向流动)。

最大充电功率为:

很明显，蓄电池的最大充电电流是最大放电电流的(nx+1)倍。

燃料电池系统配电源变换器DC/DC作为主要电源的动力系统结构［图1(b)］，其电源功率分配值变化所引起的蓄电池充电倍率改变规律如图3。

蓄电池最大充电电流为:

图3 不同动力系统电源分配值的蓄电池最大充电倍率规律Fig.3 Battery charging current trend-lines of the FCS with DC/DC powertrain varying with the powers’ratio

总之，燃料电池系统和DC/DC作为主要电源的动力系统，从结构分析结果看，不利于燃料电池轿车动力系统降低设计成本、延长使用寿命和提高运行安全。

1.2 燃料电池轿车动力系统设计原则

燃料电池轿车具有新能源、零排放的特征。然而，燃料电池系统目前的结构还比较复杂、成本很高，可靠性和寿命还有待继续做深入的试验和开发研究;蓄电池的技术和产业化开发也在发展过程当中。在实际应用时，必须根据具体情况，综合考虑其性能、功率和体积密度、应用安全性、产品价格等因素以便择优选用;驱动和辅助部分产品和方案种类较多，在确定零部件选用方案时，更应当在符合系统整体要求的前提下加以选择以发挥其最优性能。所以，燃料电池轿车动力系统设计，应当遵循高效、经济、高性能的设计原则。

良好的整车和动力系统性能，与零部件的高性能、动力系统优化匹配设计紧密相关。动力系统结构设计应当结合高效率、经济性原则，发挥零部件的高性能，目标是通过所设计的动力系统使整车体现新能源汽车的所有优点。

1.3 Plug-in燃料电池轿车动力系统结构分析

如果选择图4的结构设计燃料电池轿车动力系统，能够充分体现前述动力系统基本设计原则，该结构即为Plug-in燃料电池轿车动力系统结构。

图4 PFCV动力系统结构简图Fig.4 Simplified diagram of the PFCV powertrain structure

图4的燃料电池轿车动力系统结构与图1(a)十分相似，只是其燃料电池系统和蓄电池电源的位置互相交换，即:

由前面动力系统结构的分析可见，该结构:①动力系统效率高;②蓄电池功率占比大，蓄电池最大充放电电流之比小(详见2.2.2节，实际系统一般为机电联合制动，限定最大制动功率值，蓄电池运行条件相对好);③DC/DC比BDC的成本低。另外，Plug-in燃料电池轿车的蓄电池可由外网和燃料电池系统充电，比传统燃料电池轿车纯电动行驶里程长，使用灵活，只要车载储氢装置存储足够的燃料，通过燃料电池系统，就能够保证整车设计的续驶里程等。

2 动力系统结构设计应用——Plug-in燃料电池轿车动力系统设计

Plug-in燃料电池轿车的动力系统结构优于以往结构，因此工程化开发燃料电池轿车，其Plug-in动力系统结构则是必然之选。根据燃料电池轿主要应用于城市主干道，采取有针对性的设计［1］，一方面能够发挥电动汽车低速性能好的特点，解决拥堵造成的车辆起停和排放问题;另一方面，适当匹配动力系统结构参数，很好地解决燃料电池轿车性能、应用和成本之间的矛盾。

具体的Plug-in燃料电池轿车动力系统结构如图5。系统主要包括(储氢系统未在图中示出):①电源。燃料电池系统、DC/DC电源变换器、蓄电池和充电器;②驱动系统。电机和控制器、减速器(Reducer);③辅助系统。包括未在图中示出的空调、各子系统辅助消耗和低压系统等内容。

动力系统设计分析中，必须考虑Plug-in燃料电池电动轿车的辅助消耗。

图5 PFCV动力系统结构Fig.5 Powertrain structure of the given PFCV

2.1 动力系统设计分析原理

首先将图5的PFCV动力系统结构在直流母线上简化为图6所示结构［2－9］(可对比参考图4)。

图6 PFCV动力系统简化母线功率平衡示意Fig.6 Diagram of the PFCV power flow balancing in BUS

由图6和能量守恒定律可知，任意时刻动力系统直流母线处:

假设燃料电池系统、蓄电池向负载输出功率时，数值为正，输入功率时，数值为负。

稳态时，动力系统母线上的功率平衡关系为:

公式(10)可在应用中分别按照驱动、制动模式连续和最大功率平衡要求，设计有关参数。

2.2 Plug-in燃料电池轿车动力系统参数设计

按照top-down设计原则，动力系统参数设计首先根据整车动力性能指标要求，选取动力系统和主要零部件参数［10］。但在工程化开发过程中，还必须根据仿真和试验测试结果反复验证，逐步改进优化。

图7表示满足整车指标要求的动力系统连续和最大的转矩、功率、车速值。一般情况，整车动力性指标要求与图7所示动力系统性能曲线相对应。

图7 PFCV动力系统性能要求Fig.7 Dynamic performance requirements for PFCV powertrain

表1为Plug-in燃料电池轿车根据应用要求设计的整车动力性能指标。

表1 Plug-in燃料电池轿车动力性能参数Table 1 Performance data of the Plug-in Fuel Cell Vehicle

Plug-in燃料电池轿车动力系统参数设计的内容主要是动力系统及主要零部件参数设计和动力系统电源能量及功率分配设计两个部分。

2.2.1 动力系统主要参数设计

Plug-in燃料电池轿车主要在城市主干道应用。首先要根据该城市的工况仿真结果及功能样车轮毂试验测试的经验数据，得到车轮上所需连续、最大驱动功率和制动功率值P3'。经实测和仿真分析校核，满足要求的连续驱动和制动功率以及最大驱动和制动功率分别为11，－11，53，－38 kW。

按高效率、经济性和高性能相结合的原则，设计传动系统电机、减速器等零部件的结构，确定性能参数，然后，将P3'换算至动力系统直流母线上变成P3。

2.2.2 电源能量分配设计

同样根据动力系统设计原则，设计电源能量分配。参考式(8)，对应于最大驱动和制动功率，电源总功率应满足:

综合分析产品的性能和成本，设计n=2.4并分配蓄电池和燃料电池系统的电源功率，并根据整车动力系统性能要求，确定适当的蓄电池容量。

以动力系统驱动运行模式为例(制动模式同理)，设计蓄电池的最大输出功率60 kW，保证整车具有32 km的EV续驶里程;燃料电池系统的最大输出功率为25 kW，与蓄电池配合，实现HEV运行模式，达到整车续驶里程240 km。百公里最小加速时间小于15 s的要求。

另外，假设只利用再生制动回收汽车的能量，DC/DC的效率为0.96，忽略蓄电池电压变化，蓄电池最大充电与放电电流的比例仅为1.37。

2.3 Plug-in燃料电池轿车动力系统及整车动力性能仿真和测试

对于所设计Plug-in燃料电池轿车动力系统，利用ADVISOR软件，按某城市循环工况、NEDC工况，进行动力性能仿真;改变燃料电池系统和蓄电池的功率和能量比例，仿真校核动力系统的能量分配结果。

Plug-in燃料电池轿车功能和工程化开发期间，还在动力系统测试平台进行动力系统和整车动力性能测试，以验证所设计的燃料电池轿车动力系统的功能和控制性能。测试结果表明:动力系统满足设计要求，燃料电池轿车动力系统结构分析设计方法正确。

Plug-in燃料电池轿车整车经由第3方按照国际和国家标准，进行包括Plug-in燃料电池轿车动力性试验、燃料经济性试验、制动性试验和整车道路试验在内的一系列严格检测，顺利通过公告认证。

3 结论

燃料电池轿车动力系统结构设计，应着重考虑燃料电池系统、蓄电池的技术成熟度、产品的成本和可靠性等要素，在动力系统匹配设计时按照效率、成本和性能优先的原则，综合考虑以确定架构。对比以往燃料电池轿车动力系统结构，实际DC/DC产品在动力系统中所处位置不同，会导致动力系统效率、蓄电池使用要求变化。在Plug-in燃料电池轿车动力系统工程化开发实例中，应用具有效率较高、蓄电池控制简便、成本适宜的燃料电池动力系统结构并发挥PFCV的其它优点，贯彻动力系统设计原则，实践动力系统结构设计和参数设计方法以及燃料电池系统和蓄电池的能量分配设计方法。仿真结果和整车检验证明Plug-in燃料电池轿车动力性能较好、可靠性较高，整车和动力系统价格合理，设计分析方法实用、正确。

该系统设计分析方法也可用于串联混合动力、多动力源新能源汽车动力系统的设计和分析。

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