燃料电池-动力电池电电混合动力客车的仿真分析

李飞强，柴结实，王宗田，李高鹏，朱光海

（郑州宇通客车股份有限公司，郑州450061）

燃料电池-动力电池电电混合动力客车的仿真分析

李飞强，柴结实，王宗田，李高鹏，朱光海

（郑州宇通客车股份有限公司，郑州450061）

以采用燃料电池-动力电池电电混合动力系统构型的城市客车为研究对象，在AMESim软件平台上搭建仿真模型，并制定恒功率输出的燃料电池控制策略。选择中国典型城市公交循环工况进行AMESim /Simulink联合仿真，得到整车动力性和经济性结果，验证模型的准确性。

燃料电池；动力电池；电电混合；AMESim/Simulink

燃料电池汽车不会像燃油汽车那样排放出二氧化碳等有害物质，只会排出清洁的水，真正实现零排放。同时，燃料电池不受卡诺循环的限制，直接将化学能转化为电能，能量转换效率高[1]。因此，这种零排放、高效率的燃料电池汽车是汽车产业发展的终极目标，指引着汽车产业的发展方向。

本文使用AMESim进行燃料电池电动公交（FCEB）整车模型搭建，使用Simulink构建整车控制策略模型[2-4]，通过AMESim与Simulink建立的FCEB联合仿真模型，能有效地对其动力性和经济性进行分析优化[5-6]。

1 电电混合动力系统构型介绍

受限于燃料电池当前的技术发展水平，纯燃料电池客车存在起动响应慢、不能功率跟随等现象，无法满足车辆起动、刹车、加速、停车等频繁变化工况下的耐久性和可靠性要求[7-9]，因为输出功率的频繁变化会导致燃料电池寿命加速衰减。而纯电动客车则存在续驶里程短、充电时间长等缺陷。所以为了避免两者的短处而结合应用两者的长处，本文采用燃料电池加动力电池的电电混合动力系统，通过燃料电池的反应，整车携带一定量的氢气可以大幅增加续驶里程，且3～5 min即可完成充氢；而通过动力电池可以保护燃料电池，使其恒功率输出，延长燃料电池的寿命[7-9]。

图1为12 mFCEB的电电混合动力系统构型图。该FCEB只有两种工作模式：当氢气充足时，开启燃料电池，燃料电池和动力电池同时工作，是混合动力模式；当氢气不足时，不开启燃料电池，由动力电池单独工作，是纯电动模式。因为燃料电池只能恒定输出，不能跟随整车需求变动，无法单独工作，所以没有纯燃料电池模式，燃料电池工作时必须由动力电池进行配合，接受燃料电池多余的电量并在动力不足时进行电量补充。

图1 FCEB电电混合动力系统构型图

燃料电池工作时，因为其电压平台较低，只有110 V左右，需要通过直流/直流变换器（DC/DC）提高电压，然后和动力电池并联接入集成控制器为电机供电，由电机为整车提供动力，电机输出的功率与整车动力成正比。整车控制器根据油门踏板信号判断整车需求的动力，由集成控制器控制燃料电池和动力电池为电机供电，由于燃料电池恒定功率输出，集成控制器通过调节动力电池的输出电流来控制其功率跟随整车需求变动。整车加速、爬坡或高速运行时，燃料电池功率如不能够满足整车需求，动力电池放电，补足这部分功率，与燃料电池一起通过电机为整车提供动力，且跟随整车需求变动；整车减速、制动或低速运行时，燃料电池功率如能够满足整车需求，富裕的功率充给动力电池，动力电池输出电流为负，这部分充电功率同样根据整车需求变动[10-11]。若动力电池SOC过低（≤20%），整车动力性会不足，可停车或减速行驶让燃料电池充电；若动力电池SOC过高（≥90%），则需关闭燃料电池，车辆以纯电动模式行驶。

燃料电池不工作时，动力电池作为唯一动力和能量来源通过电机为整车提供动力，工作模式与纯电动客车相同。

2 FCEB性能仿真分析

2.1 FCEB仿真模型搭建

基于AMESim丰富的元件库，在上述电电混合动力系统构型基础上搭建整车模型，如图2所示，主要包含燃料电池、动力电池、DC/DC、电机、传动系统及整车等模型元件，此外还有驾驶员、循环工况等模型元件。其中路况采用中国典型城市公交循环工况（CCBC）[12]，DC/DC效率取90%，传统系统主减速器传动比为6.14。

图2 FCEB仿真模型

诸多模型元件都对应得有一系列的参数，根据现实中这些元件的特性对这些参数进行定义，各模型元件及其主要参数见表1。

2.2 FCEB性能仿真

在Matlab/Simulink中编写整车控制策略，为保护燃料电池，使燃料电池30 kW恒定输出。在上述仿真模型中输入各部件的参数后，进行AMESim/Simulink的联合仿真计算，得到一系列动力性和经济性数据，与实车数据对比，以验证仿真计算数据的准确性。

CCBC工况总行程5.66 km，时间1 314 s，最大速度60 km，平均速度15.5 km/h，行驶期间共计13次停车[11]。动力电池荷电状态（SOC）初始值为60%。在此循环工况下，进行AMESim/Simulink的联合仿真，得出该FCEB的车速、动力电池SOC、电机和动力电池的功率、百公里氢气消耗量（氢耗）和电能消耗量（电耗）等数据。

表1 FCEB模型中涉及的主要技术参数

图3为模拟车速和工况车速的对比图。可以发现两条曲线基本重合，说明仿真计算过程中模拟的车速非常准确，为后续CCBC工况行驶里程、百公里氢耗和电耗的准确计算提供了保证。

图3 模拟车速和工况车速的对比图

图4 为混合动力模式下燃料电池、动力电池和电机功率仿真结果，能够反映CCBC工况下整车的动力学特性。整车加速或减速时对电机有不同的功率需求，燃料电池始终以30 kW的恒定功率输出，动力电池则通过功率跟随来满足整车动力需求。整车加速时，电机处于驱动状态，输出功率为正；整车减速时，回收制动能量，电机处于发电状态，输出功率为负。电机需求功率≤30 kW时，燃料电池输出功率即可满足整车需求，富裕的功率给动力电池充电，所以动力电池输出功率为负且随电机功率变化；电机需求功率≥30 kW时，燃料电池输出功率不能满足整车需求，动力电池需要补足这部分功率并随电机功率变化而变化。

图4 燃料电池、动力电池和电机功率仿真结果

从图4可以看出，电机需求功率多数时间小于30 kW，燃料电池经常要给动力电池充电，再加上制动回收的电量，CCBC工况仿真结束后，动力电池SOC从60%上升为66%，如图5所示。由SOC的变化可以看出，在整个CCBC工况中，燃料电池提供的电量基本可以满足车辆行驶需求，因此该电电混合FCEB在日常使用中的能源补给主要是加氢，偶尔通过外接电源给动力电池充电即可。

图5 动力电池SOC仿真结果

之所以选择64.5 kW·h的动力电池，是因为它持续输出/峰值输出的功率为64.5 kW/129 kW，能够与燃料电池一起给电机提供持续/峰值为94.5 kW/159 kW的功率，从而为整车提供充足的动力。12 m FCEB动力性指标（最大车速69 km/h、最大爬坡度12%、0～50 km/h加速时间22 s）决定整车所需电机提供的持续功率为60～70 kW，峰值功率为120～130 kW。因此留出适当的余量，选择64.5 kW·h的动力电池，此外动力电池还可以增加整车续驶里程，确保加氢不及时时，车辆也能够以纯电动模式继续使用。

整车动力性数据主要包括最高车速、最大爬坡度和0～50 km/h的加速时间；整车经济性数据主要包括百公里氢耗和电耗，其中电耗不管正负都可以按照下列公式折算成氢耗[7]，两个氢耗相加得到等效氢耗。该12 m FCEB在实际使用时经常加氢很少充电，因此使用等效氢耗代表整车经济性数据。

式中：MBATT氢气为通过电耗计算的氢耗，kg；Ek为电耗，kW·h，等于ΔSOC×537.6×120×10-3kW·h；M氢气为直接氢耗，kg，根据氢气压力和温度等变化计算获得；Q氢气为氢气的热值，120 000 000 J/kg；ηFCE为燃料电池系统（含DC/DC）的平均工作效率，取50%；P1/P2分别为氢气初始/最终压力，分别取21.7×106Pa和20.88×106Pa；T1/T2分别为氢气初始/最终温度，均取298.6 K；Z1/Z2分别为氢气初始/最终状态压缩系数，由压缩因子差值计算表查得，分别取1.135 912和1.127 831；R为气体常数8.314 J/（mol·K）；V为氢瓶容积，取1.12 m3；M为氢气分子量0.002 016 kg/mol。

仿真和试验得到的整车经济性和动力性数据见表2，其中电耗为负，表示燃料电池和电机向动力电池充的电大于动力电池放的电，换算为氢耗也为负，表示动力电池中增加的能量可以换算为氢气，向氢气存储装置充氢；等效氢耗由直接氢耗及电耗换算的氢耗相加得到，表示整车所需能量全部来自氢气时总的氢气消耗量。

可以看出模型仿真结果和道路试验结果基本一致，证明了基于AMESim建立的模型的准确性。

表2 整车仿真和试验结果比较

3 结束语

目前，现有仿真软件还无法提供可直接使用的燃料电池模块及供氢系统模块，无法建立有效的燃料电池客车模型，不能准确地对FCEB的性能进行仿真优化。本文通过AMESim与Simulink建立了FCEB联合仿真模型，得到以下结论：

1）仿真过程中对CCBC工况的模拟非常准确；

2）在整个CCBC工况中，整车平均需求功率低于30 kW；

3）仿真和试验数据的对比，验证了建立的模型的准确性。

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修改稿日期：2017-03-06

Simulation Analysis of Electric-electric Hybrid Bus Based on Fuel Cell and Power Battery

Li Feiqiang,Chai Jieshi,WangZongtian,Li Gaopeng,Zhu Guanghai
（Zhengzhou YutongBus Co.,Ltd,Zhengzhou 450061,China）

The authors take an electric-electric hybrid city bus that uses fuel cell and power battery power system configuration as the research object,set up the simulation model with AMESim software,and formulate the control strategy of fuel cell constant power output.They choose Chinese city bus cycle condition to carry out the AMESim/ Simulink co-simulation,obtain the power and economydata toverifythe model accuracy.

fuel cell;power battery;electric-electric hybrid;AMESim/Simulink

U469.72+2

A

1006-3331（2017）03-0001-04

科技支撑计划项目（2015BAG06B00），“十三五”国家创新规划（2016YFB0101306），河南省重大科技专项（151100210100）

李飞强（1982-），男，博士；高级工程师；主要从事燃料电池客车相关技术研究工作。