8.5 m氢燃料电池城市客车动力系统设计开发

王泽平

(安徽安凯汽车股份有限公司， 合肥 230051)

在国家政策支持引导和各方面共同努力下，我国新能源汽车产业逐步发展壮大。燃料电池汽车作为新能源汽车的一种，具有无污染、加氢时间短、续驶里程长的特点，被国际公认为“最终新能源客车解决方案”。世界各国已把全面禁售燃油车提上日程，我国已明确以新能源为客车转型的主要战略取向[1]，燃料电池客车的开发刻不容缓。为此，我公司立项开发氢燃料电池新能源客车。

1 整车总布置设计

本文所述的8.5 m系列氢燃料电池城市客车，以公司现有新能源城市客车平台为基础开发。整车基本设计指标如下：等速续驶里程≥400 km，工况续驶里程≥200 km,0～50 km/h加速时间≤15 s，最大爬坡度≥15%，最高车速≥80 km/h。

基于整车各关键零部件的特点，以及整车结构设计要求，关键部件采用以下布置方案：

1) 储氢系统、冷却系统以及空调布置在车顶部，并按各总成部件质量进行位置分配，平衡轴荷。

2) 燃料电池电堆和进气系统布置在车辆尾部左侧，并将电堆和进气系统靠近布置，侧面设置舱门可实现良好通风，并需设置防撞装置进行保护。

3) 动力电池主要布置在车辆中部，可提升空间利用率并可平衡轴荷分配。

整车布置要在车内空间与布局上媲美传统城市客车。整车布置如图1所示。

1—燃料电池电堆和进气系统； 2—动力电池；3—储氢系统； 4—冷却系统； 5—驱动电机；

2 动力系统设计

2.1 驱动系统设计

驱动电机需要确定的特性参数主要包括：驱动电机的额定功率与峰值功率、电机的额定转矩与峰值转矩、电机额定转速与最高转速[2]。驱动电机的参数匹配按以下步骤进行：计算负载功率，即指整车达到动力性指标的需求功率；根据负载功率，匹配驱动电机的功率等参数；根据车速设计要求，匹配驱动电机转速。

同时，在进行驱动电机匹配时，应考虑典型的客车循环工况对电机的功率需求[3-5]。选取中国典型城市客车循环工况作为目标工况进行分析，并计算在典型城市客车循环工况下的驱动功率需求。根据计算匹配，驱动电机参数如表1所示。

表1 驱动电机参数

2.2 燃料电池系统设计

氢燃料电池系统包含了氢燃料电池堆、进气系统、冷却系统、储氢系统以及管路系统[6]。

1) 氢燃料电池的参数匹配首先是氢燃料电池堆的额定功率、输出电压、输出电流。在氢燃料电池加动力电池电电混合过程中，燃料电池提供整车需求的平均功率[7]。还要考虑驱动电机效率及附件功率，如电动空调、电动助力转向、电动制动气压泵等的功率消耗来匹配氢燃料电池电堆。在城市客车实际道路工况下，8.5 m城市客车满载时车速30～50 km/h时需求驱动功率一般为17～28 kW。在车辆启动、爬坡和高速运行时所需求的瞬时大功率由动力电池来提供。根据城市客车实际道路工况下的功率需求，匹配额定功率30 kW的燃料电池系统提供整车的平均功率。

2) 进气系统主要由空气压缩机、增湿器等部件组成，对进入燃料电池电堆的空气量、空气压力和空气湿度进行调节。根据燃料电池电堆对进气的流量和阻力匹配进气系统。降低进气阻力可降低空气压缩机的功耗，提升燃料电池系统的效率。

3) 冷却系统控制燃料电池电堆工作温度和进气温度。本文燃料电池系统的冷却液入口温度不超过60 ℃。根据燃料电池系统的发热功率匹配冷却系统。冷却系统包括散热器、冷却风扇、节温器、水泵、膨胀水箱以及控制模块，根据系统的散热需求和冷却液流量进行匹配。本文所述车型匹配的冷却系统参数见表2。

4) 储氢系统的匹配。一般1 kg氢气等同于13～15 kW·h的电池容量，结合动力电池系统的匹配，为满足整车续驶里程设计指标的要求，储氢系统容量应大于500 L。本文所匹配的燃料电池系统参数见表2。

表2 燃料电池系统参数

2.3 动力电池设计

氢燃料电池存在启动响应慢、功率跟随差等现象，无法满足车辆启动、刹车、加速、停车等频繁变化工况下的耐久性和可靠性要求。输出功率的频繁变化还会导致氢燃料电池寿命的加速衰减[7-8]。为了避免上述问题，通常采用氢燃料电池加动力电池的电电混合，通过动力电池缓冲氢燃料电池，使其恒功率输出，延长其寿命。镍氢电池克服了铅酸电池质量大、不能快充深放、循环寿命短和锂电池大电流性能差、价格高、安全性差等缺陷，具有高比功率、高脉冲充放电能力和安全性能好等优点，在燃料电池车上得到广泛应用[8]。

本文要求动力电池单独驱动状态下等速40 km/h续驶里程不小于45 km。根据整车参数在8.5 m系列纯电动城市客车仿真平台上计算，在等速40 km/h路况下，纯电动平均耗电量为45.6 kW·h/100 km，为达到设计指标要求，所匹配动力电池容量应大于22.8 kW·h。动力电池参数确定如下：标称总压316.8 V，电池组容量96 Ah，总能量30.4 kW·h。

3 性能仿真和试验

根据以上设计结果和整车参数，对8.5 m氢燃料电池城市客车进行动力性和经济性仿真分析。首先搭建氢燃料电池城市客车整车仿真模型，使用动力电池模拟氢燃料电池的发电量[9-10]，仿真模型如图2所示。并对实车依据新能源汽车相关试验标准进行动力性能和续驶里程道路试验，仿真和试验结果见表3。从表3可以看出仿真分析结果和道路试验结果基本一致，均达到了整车设计指标要求。

图2 整车仿真模型

项目仿真结果试验结果等速续驶里程/km410415.7工况续驶里程/km339312.60～50 km/h加速时间/s12.6113.2最大爬坡度/%21.420设计最高车速/(km/h)8586.1

4 结束语

该8.5 m氢燃料电池城市客车设计开发项目完成了整车的设计匹配，氢燃料电池系统、驱动系统、电池系统的设计方案实施，并对整车进行了性能仿真分析以及道路试验，各项性能指标均满足设计要求。在不久的将来，氢燃料电池客车必将成为客车尤其是城市客车领域的主力军，因此，还应尽快解决燃料电池汽车功率密度、低温冷启动、电池寿命、燃料电池系统成本以及加氢基础设施等相关问题。

参考文献：

[1] 国务院.关于印发节能与新能源汽车产业发展规划(2012-2020年)的通知：国发[2012]22号[EB/OL].(2012-07-09)[2016-12-11].http://www.gov.cn/zwgk/2012-07/09/content_2179032.htm.

[2] 陈清泉，孙逢春，祝嘉光.现代电动汽车技术[M].北京：北京理工大学出版社，2002:89-90.

[3] 何洪文，余晓江，孙逢春.电动车辆设计中的匹配理论研究[J].北京理工大学学报，2002，22(6):704-707.

[4] 张红，郑泽亮，孟国庆.某8 m纯电动客车动力系统参数设计及仿真分析[J].客车技术与研究，2017,39(4):12-15.

[5] 徐晓美,郑燕萍.混合动力轻型客车动力系统建模与性能仿真[J].公路与汽运,2011(6)：10-14.

[6] 陈全世，仇斌，谢起成，等.燃料电池电动汽车[M].北京：清华大学出版社,2005:25-26.

[7] 周为余，王传应，熊赵康，等.HFF6700FCEV氢燃料电动客车动力系统设计[J].客车技术与研究，2017,39(3):31-33.

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[9] 李飞强，柴结实，王宗田，等.燃料电池-动力电池电电混合动力客车的仿真分析[J].客车技术与研究，2017,39(3):1-4.

[10] 李玉鹏，李进，李飞强，等.燃料电池城市客车电电混合动力系统研究[J].客车技术与研究，2014,36(6):21-23.