燃料电池轿车动力系统仿真分析

殷婷婷



燃料电池轿车动力系统仿真分析

殷婷婷

（上海汽车集团股份有限公司技术中心，上海 201804）

文章介绍了燃料电池汽车动力系统的结构和工作原理，对燃料电池轿车进行了动力系统的参数确定和选型，最终通过仿真分析验证了选型结果的正确性。

燃料电池；动力系统；仿真

引言

燃料电池汽车是以氢能发电和电机驱动为动力系统的新能源电动汽车，具有零排放、无污染、高效节能、噪声极低的突出优点。发展燃料电池汽车，可实现交通能源结构的多元化，消除传统汽车能源短缺甚至枯竭之忧，从根本上应对人类面临的环保和能源两大严峻挑战。

1 动力系统架构

目前常见的架构有三种，如下图所示。架构一：同丰田MIRAI架构，电机电压平台高（额定电压650V），开发成本大；同时需要两个DC/DC，体积和成本较大。架构二：燃料电池电压特性较软，变载时电压波动较大不利于电机运行；现有燃料电池电压较低，导致母线电压平台低，需选择电压平台低的电机系统。架构三：DC/DC置于燃料电池一侧，母线电压由动力电池决定，电压波动范围较小；DC/DC控制燃料电池功率，减少燃料电池载荷剧烈变动，提高寿命。

图1 架构一

图2 架构二

图3 架构三

图4 动力系统架构图

综合考虑各架构的优缺点、开发难易程度和成本，选择采用架构三。包括燃料电池辅助系统后的架构如图4所示，动力系统匹配原则如下：燃料电池系统输出功率满足车辆巡航车速运行功率匹配；在满足安全的前提下，系统电压平台尽可能提高；核心零部件协同原则。

图4中，FC：燃料电池电堆；Aux：燃料电池辅助系统，包括空压机、氢循环泵等；Acc：整车附件，包括12DC、PTC、空调等；Bat：动力电池。

燃料电池的输出功率经DC/DC（或称为DCF）输出到高压母线，这部分能量可以流向电机，也可以流向蓄电池。DCF的作用一方面对燃料电池进行升压，另一方面能够通过控制燃料电池的输出功率，起到蓄电池与燃料电池能量分配的作用。燃料电池高压辅助系统挂在母线端，即DCF的输出端。这是因为燃料电池系统的输出电压较低，并且电压随功率增加下降较快，特性较软。同时在启动燃料电池前，需要空压机先工作起来，这样将空压机放于母线端后，就能通过动力电池给空压机供电。如果空压机放于燃料电池输出端，则需要双向DCF，增加了开发的技术难度以及成本。

2 设计目标

汽车是一种高效率的运输工具，运输效率之高低在很大程度上取决于汽车的动力性。车辆的动力性能通常采用最高车速、最大爬坡度和加速性能来衡量，其中加速性能一般是用百公里加速时间来评定，即0~100km/h 的加速时间来评价汽车的汽车的加速性能。在满足动力性的条件下，汽车以尽量少的燃油消耗量行驶的能力，称为汽车的燃油经济性。汽车的燃油经济性常用一定运行工况下汽车行驶百公里的燃油消耗量或一定燃油量能使汽车行驶的里程来衡量。本文中燃料电池轿车的经济性是指NEDC工况下百公里的氢耗量。通过对比参考国内外各种燃料电池汽车的性能参数和综合考虑实际应用情况，整车性能表如表1所示。

表1 整车性能

3 零部件选型与参数匹配

3.1 驱动电机匹配

表2 整车基本参数

选择某轿车平台进行匹配设计，整车基本参数如表2所示。下文将根据整车性能目标以及整车的基本参数进行动力系统的匹配。

驱动电机的参数匹配主要是选择合适的电机峰值扭矩、电机最高转速、电机峰值功率、电机额定功率。当这四个参数选定后，电机的基本动力特性就确定了，从而整车的动力性能也就基本能够确定。

（1）电机峰值扭矩

为满足整车28%的最大爬坡度要求（满载@10km/h），可计算出，整车轮边驱动力大于6650N（左右轮之和）。

依据现有减速箱参数（数比9.07、效率90%），电机峰值扭矩选择≥268Nm，考虑到余量以及可供选择的电机，电机峰值扭矩选择275Nm。

（2）电机最高转速

为满足160km最高车速，根据传动系统参数，电机需求最高转速为11701rpm，考虑电机选型，电机最高转速定义为12000rpm。

（3）电机额定功率

电机的额定功率应能满足整车持续行驶的功率需求。不同车速下整车功率需求计算如下式：

其中，P为电机功率kW；η为传动系效率，取94%；为车速km/h；为滑行阻力曲线的二次项系数；为滑行阻力曲线的一次项系数；为滑行阻力曲线的常数项系数。由此画出不同车速下电机的需求功率曲线图，如图3-1所示。

考虑整车更优秀的动力性能，以160km/h匀速行驶时的电机需求功率作为电机额定功率。如图5所示，车速160km/h下电机需求功率为51.24KW。故电机的额定功率选择不小于52kW。

图5 滑行曲线下电机额定功率

（4）电机峰值功率

电机的峰值功率主要与整车的瞬时性能相关，如最高车速，加速性能。根据前述的分析，整车最高车速不高，其电机功率需求不高，电机的额定功率即可满足。所以，电机峰值功率的选择取决于整车的加速性能要求。

下式是整车加速方程，在传动比、整车质量、车轮半径等确定的条件下，加速性能取决于电机扭矩。

式中，为整车的质量，单位是kg；为汽车转动质量换算系数，取1.01；为重力加速度，取9.8m/s²；为滚动阻力系数，取0.0083；为空气密度，取1.2258kg/m3；C为风阻系数，取0.32；为车辆的迎风面积，单位是m3；为车速，单位是m/s；P为电机的峰值扭矩，单位是W；1为传动系速比，取9.07。为车轮半径；()为电机扭矩，在全油门下，它是车速的函数，如下式：

式中，T为电机峰值扭矩，275Nm；n为电机额定转速。可以看出在车辆低速情况下，整车加速性能主要取决于电机峰值扭矩；而当电机转速超过电机额定转速后，加速能力主要与电机的峰值功率相关，峰值功率越高，加速性能越好。

图3-2为电机峰值扭矩选275Nm时，不同电机峰值功率下整车的百公里加速时间。从图中可以看出，当电机的峰值功率超过109kW后，整车的百公里加速时间小于12s，满足性能要求。因此，选择电机的峰值功率为110kW。电机的额定功率与峰值功率一般为两倍关系左右，故电机的额定功率选50kW

综述，电机的参数选型如下表3，扭矩外特性曲线如图6。

图6 不同电机峰值功率&百公里加速时间

图7 电机外特性曲线

表3 电机参数

3.2 燃料电池系统匹配

（1）燃料电池净功率带宽

图8 燃料电池的净功率带宽

对不同车型平台初步匹配了燃料电池的净功率，大致得到燃料电池净功率带宽图。分析假设条件：所有车型均以燃料电池为主能源，优先由燃料电池提供功率。选取上述功率的性能依据：乘用车（轿车，SUV和MPV）性能满足：0-100km/h < 10.5s；最高车速>160km/h；30km/h爬坡度>30%；轻客性能满足： 0-100km/h < 20s；最高车速>120km/h；20km/h爬坡度>20%；大巴性能满足：0-50km/h<20s；最高车速>90km/h；10km/h爬坡度>20%。从图中8来看，燃料电池净功率在80kW-90kW范围内基本能覆盖大部分车型。

（2）燃料电池系统最大净输出功率

要求常温下，动力电池功率 + 燃料电池系统净输出功率≥ 130kW，选择动力电池常温下10s放电功率50kW，因此燃料电池系统最大净输出功率≥80kW，如图9所示。

（3）燃料电池系统净功率功率响应

原则：燃料电池系统净输出功率拉载响应跟随整车功率需求。车辆百公里加速功率曲线如图10所示：燃料电池系统净输出功率跟随电机的功率响应，由此，燃料电池系统净输出功率要求为30kW/s。

图9 燃料电池系统净输出功率和动力电池功率

图10 百公里加速各系统的功率输出

3.3 动力蓄电池功率匹配

燃料电池系统净功率为80kW，电机的峰值输出功率为110kW，考虑电机的效率87%、整车DCF附件功率1kW、空调功率2.2kW，由下式可得：

其中，P为蓄电池峰值功率kW；P为电机输出峰值功率kW；为电机效率；P为整车DCL附件功率kW；P为空调功率kW；P为DCF净输出功率kW。

因此，动力蓄电池的峰值功率应大于50kW。

考虑到燃料电池系统功率比较高，基本能够覆盖整车的绝大部分工况功率需求，动力电池只需用来获取制动能量回馈、车辆急加速补充功率，因此动力蓄电池的容量可以减小，可以采用HEV类似的小容量电池。根据目前市场的产品，电池电量可在2kWh~4kWh之间。

3.4 零部件参数

各零部件性能参数如表4所示。

表4 零部件参数

4 整车性能仿真

根据前文的匹配选型，各动力系统的主要参数基本确定。接下来将会具体对整车的经济性和动力性进行仿真，对比仿真结果和目标值，检查是否满足要求。

4.1 经济性能

燃料电池轿车的经济性仿真是在NEDC工况下进行，在一个NEDC工况运行结束时SOC的起始状态保持平衡。整车氢耗的优化方向包括：降低整车质量，提升电机、DCF、FC效率，改善整车能量分配策略。减重是目前降低能耗和提升动力性的主要方向之一，减重100kg氢耗优化约0.03 kg/ 100km。车辆的能量需求中效率损耗所占的比例最高，效率损耗是指各个零部件的效率损耗，包括燃料电池（FC）、DCF、电机等。考虑提升各零部件的效率和改善整车能量分配策略，最终优化状态下，整车NEDC工况氢耗为0.907kg/100km，能流图如图11所示。

图11 整车能量流

4.2 动力性能

（1）最高车速和加速性能

图12 最高车速和加速时间仿真结果

最高车速指的是汽车在水平良好的路面（混凝土或沥青）上能达到的最高行驶车速。车辆的驱动力一直大于车辆所受的阻力，但是限于电机最高转速12000rpm，车辆的最高车速正好能到160km/h。如图12所示，车辆百公里加速仿真结果，0-50km/h用时4.6s，0-100km/h用时12s。

（2）最高持续车速

车辆从静止加速至130km/h后保持稳定车速。在加速阶段，整车需求功率最高，动力电池和燃料电池共同给电机提供功率；当车速稳定到130km/h时，对电池的需求功率降低，最后整车维持130km/h的功率全部由燃料电池提供。

（3）最大爬坡能力

其中：

代入数据求得爬坡度为28%。

4.3 总结

通过上述分析，基本确定了整个动力系统中关键子系统的性能参数。综合整个系统，对整车的动力性和经济性进行仿真，仿真结果如表5所示。结果显示所有性能参数均能满足考核指标。

表5 仿真结果

[1] 陈全世.先进电动汽车技术[M].北京:化学工业出版社,2007.

[2] 余志生.汽车理论(第三版) [M].北京:机械工业出版社,2001.

[3] 殷婷婷,黄晨东,程伟等.燃料电池汽车动力系统运行效率研究[J].上海汽车,2012(8):2-5.

[4] 孙泽昌,魏学哲,钟再敏.燃料电池汽车动力系统功率平衡控制策略[J].机械工程学报,2005(12).

[5] Xiong Yun,Zhong Zai-min,Yin Ting-ting,Sun Ze-chang.The Analysis of the Factors Impacting Energy Feedback Efficiency of Fuel Cell Vehicles[J].2009 IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference, 2009,7-10 Sept:1742-1748.

Simulation analysis of fuel cell vehicle powertrain

Yin Tingting

( SAIC motor technical centre, Shanghai 201804 )

The structure and working principle of the Fuel cell vehicle powertrain are introduced. The type and parameters of the fuel cell vehicle powertrain are selected in this article. Finally, the simulation analyze demonstrate the validity of the selection results.

A fuel cell; Power system; The simulation

A

1671-7988(2019)03-03-04

U473.4

A

1671-7988(2019)03-03-04

U473.4

殷婷婷，工程师，就职于上海汽车集团股份有限公司技术中心，主要研究方向是新能源汽车动力系统匹配仿真。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.03.001