一种氢燃料电池电电混合城市客车试验循环典型工况研究

2021-01-04李傲伽张炳力程啸宇

客车技术与研究 2020年6期

李傲伽, 张炳力, 程啸宇, 方涛, 朱鹤

(1.合肥工业大学汽车与交通工程学院, 合肥 230009； 2.安徽安凯汽车股份有限公司, 合肥 230051)

氢燃料电池汽车无污染，解决了纯电动汽车在续驶方面的短板，是当前新能源汽车研究的一大热点。目前国内外缺乏氢燃料电池电电混合客车经济性和可靠性试验规范。现有资料对氢燃料电池电堆寿命或动力电池循环充放电次数等的研究较多，但并未涉及对氢燃料电池发动机和动力电池组成的混合动力单元。对于氢燃料电池客车整车而言，单独进行氢燃料电池发动机及动力电池等可靠性试验存在一定的局限性。

目前氢燃料电池城市客车还在小规模运行阶段，还没有足够的有效行驶数据以建立相关的行驶工况。但是，氢燃料电池客车与纯电动客车在驱动系统上具有相似性，其“电电混合”也是双电源系统的混合，底层的参数很相似。因此，本文以合肥市纯电动城市客车的行驶数据建立出的行驶工况曲线为基础，设计一种氢燃料电池城市客车试验循环典型工况，可用于其经济性和可靠性试验。

1 构建纯电动公交行驶工况曲线

1.1 线路选择及采集数据

公交线路的选择关系到拟合的行驶工况是否能真实反映合肥市的道路情况。因此，选择的试验线路要能够代表城市客车行驶中的所有道路类型。本文选取4条公交线路作为试验线路。这4条线路贯穿整个合肥市区，重叠路段少，包含合肥市城市客车行驶路线的所有类型：快速路、主干道、次干道、支路，并且包含了一环、二环内的城区道路及二环外的郊区道路。既含有交通拥堵路段，又有畅通路段，能充分代表合肥市的道路实际情况。

联合使用行驶记录仪与GPS信号接收仪，跟车采集城市客车的位置与车速信息，连续采集7天。在每天的7∶00～21∶00时段往返采集，涵盖了交通的高峰与低峰时段，采集频率1 Hz，得到原始数据160多万条。

1.2 短行程划分及计算特征参数

城市客车行驶过程中，由于进站停车或受制于道路交通条件，必然要历经多次怠速停车、起步加速、匀速行驶、制动减速、再次怠速的工况循环。城市客车运行时一次怠速的开始到下一次怠速的开始定义为一个短行程片段。据此将采集的原始数据进行划分与处理，得到13 591个短行程片段。选取平均车速V1、平均运行车速V2(不包括怠速时间的平均速度)、加速阶段(加速度a>0.1 m/s2)的平均加速度aa、减速阶段(加速度a<-0.1 m/s2)的平均加速度ad、怠速时间(车速v<1 km/h且加速度绝对值|a|≤0.1 m/s2)比例Ps、匀速时间(车速v不为0且加速度绝对值|a|<0.1 m/s2)比例Pi、减速Pd和加速Pa时间比例这 8 个特征参数来表征各个短行程片段的特征。经处理得到各运动学片段的特征参数值见表1。

表1 部分短行程的特征参数

1.3 主成分分析及聚类

每个短行程片段都使用以上8个特征参数来表征，较多的参数会增加聚类分析的难度。所以采用主成分分析进行“降维”处理，考查与运动学片段联系较为紧密的参数，并选取其进行聚类分析，降低分析难度。

用 MATLAB 的 zscore和cov函数对表1中的数据进行标准化并计算其协方差矩阵；计算协方差矩阵的特征值和特征向量；通过特征值再计算主成分中各个向量的贡献率、载荷矩阵和累计贡献率。前 8 个主成分 M1～M8的结果见表2。

表2 8个特征值主成分贡献率及累计贡献率

一般只需要选择累计贡献率在 80% 以上的主成分即可。由表 2 可知，主成分M1～M4 的累计贡献率达到了 92.35%，因此，只需要选择主成分 M1～M4 进行下面的分析即可，其载荷矩阵见表3。

表3 主成分载荷矩阵

通过主成分载荷矩阵可以得到各主成分与各特征参数的相关程度，载荷系数绝对值越大，相关程度越高。由表3可知，以载荷系数绝对值≥0.5为界定标准，主成分M1与平均车速V1和怠速时间比例Ps相关程度较高；M2与平均运行车速V2相关程度较高；M3与减速阶段平均加速度ad和匀速时间比例Pi相关程度较高；M4与加速阶段平均加速度aa相关程度较高。

通过K-means[1]聚类分析，将13 591个运动学片段分为3种明显特征类，见表4。其中拥堵工况含有运动学片段4 312个，平均速度最低，为6.63 km/h；一般工况含有运动学片段4 988个，平均速度为15.32 km/h；通畅工况含有运动学片段4 291个，平均速度最高，为22.41 km/h。3种工况占城市客车运行时间的比例分别为：31.73%、36.70%、31.57%。

表4 3种工况的运行状态时间比例分布 %

1.4 构建纯电动公交工况

使用MATLAB软件，按照K-means聚类的结果计算各短行程片段与其所在类中心点的欧氏距离并进行升序排列，将对应的短行程片段保存。参考国内外的相关行驶工况[2-5]及台架试验要求，循环行驶工况总时间范围设为0～1 500 s。依据聚类后各簇样本的总时间长度占总样本时长的比例(表4)确定各簇代表工况的时长，将选出的样本拼接合成合肥市纯电动公交行驶工况(HFEB-DC)曲线，总时长1 476 s，如图1所示。

图1 合肥市纯电动公交工况曲线

考虑到氢燃料电池客车与纯电动客车在驱动系统上的相似性，下面以该HFEB-DC曲线为基础进行氢燃料电池电电混合城市客车实车台架运行效果分析，并建立氢燃料电池电电混合城市客车的试验循环典型工况。

2 试验循环典型工况的建立及实施

2.1 搭建试验平台及试验结果

为了得到氢燃料电池电电混合城市客车在HFEB-DC曲线下各工作模式的时间比例和动力单元的输出功率特性及区间分布情况，在项目合作单位的帮助下，完成了氢燃料电池客车试验平台的搭建。试验台架由整车环境舱、宝克9248型底盘测功机、AVL MOVE车载排放测试系统、氢气流量计和电耗计等设备组成，可完成整车的动力性、经济性及可靠性等试验。根据测试要求，试验开始前需将氢燃料电池城市客车的动力电池充电或放电至60%。

将图1所示的HFEB-DC曲线导入到试验台架中，驾驶员按照显示屏上的目标车速和实际车速操作氢燃料电池客车，进行循环工况测试。将采集到的氢燃料电池城市客车燃料电堆、动力电池和电机运行参数进行数据整理，部分结果见表5，输出功率曲线如图2所示。

表5 燃料电池客车HFEB-DC运行有关参数统计

(a) 动力电池输出功率曲线

2.2 试验数据分析及建立试验循环典型工况

1) 由表5和图2可知, 在HFEB-DC运行中, 燃料电池城市客车的燃料电堆在怠速的工作点最多，在较低功率(0～5 kW)的工作点较多，燃料电堆输出功率范围比较广；动力电池充电功率(负值)占总工况的44.84%，动力电池放电功率占总工况的35.5%，动力电池工况变化比较频繁，放电工况和充电工况多数都工作在额定放电功率和额定充电功率范围内。

2) 根据采集以及计算得到的车速、加减速度、动力单元输出功率(图2)等参数，统计分析出在HFEB-DC曲线下各工况模式工作时间比例，见表6。

表6 氢燃料电池城市客车工况循环时间比例

由图2和表6可知，动力单元运行工况复杂，瞬态工况在试验台架上执行比较困难。因此，试验循环典型工况从稳态工况进行分析。动力单元稳态工况包括纯电动工况、纯燃料电池工况、混合驱动工况、巡航充电工况和制动能量回收工况。参考国内相关标准[6-7]，试验循环典型工况时间确定为1 800 s(30 min)。计算表6中怠速工况外其他工况分别占非怠速工况的比例及运行时间，见表7，并制定了基于图1的一种燃料电池电电混合城市客车试验循环典型工况，如图3所示。

表7 各工况时间分布表

图3 氢燃料电池电电混合城市客车试验典型工况(单个循环)

2.3 试验实施方式

1) 经济性试验。将被测试氢燃料电池电电混合客车置于测试台上，并对被测试氢燃料电池客车进行充电至动力电池荷电状态的上限。充电完成后，依照图3依次进行各工况测试。单个循环结束后，记录车辆的行驶里程并计算GB/T 19754—2015[8]定义的燃料消耗量(单位：L/100 km)和电能量消耗量(单位：kWh/100 km)。重复循环典型工况测试，根据整车厂规定情况，求取燃料消耗量和电能量消耗量的平均值作为车辆的经济性试验结果。

2) 可靠性试验。将被测试氢燃料电池电电混合客车置于测试台上，启动燃料电池发动机，在一定功率下暖机至额定工作条件，然后依照图3依次进行各工况测试。重复循环典型工况测试，比较燃料电池发动机和动力电池性能随时间的变化。定义当燃料电池发动机或动力电池最低工作电压所对应的功率值下降到整车厂规定的极限值时，即为动力单元寿命终结，则停止试验。动力单元在此循环工况下运行的总有效时间(或循环次数)可作为考核其可靠性的准则。