基于Cruise的燃料电池客车动力匹配计算与仿真

2022-09-19英康健王鹏伟袁俊凯杨金山

常熟理工学院学报 2022年5期

英康健，王鹏伟，王宁，袁俊凯，孙科，杨金山

（山东理工大学交通与车辆工程学院，山东淄博 255000）

随着经济与科技的快速发展，汽车的电动化和智能化已成为汽车产业的发展趋势．新能源汽车在政策导向下快速发展．燃料电池汽车以燃料电池系统为能源，能够克服纯电动汽车续驶里程短、充电效率低等缺点，已成为近年来汽车行业的研究热点．在燃料电池汽车的设计初期，使用虚拟仿真方法对车辆进行建模仿真，能够有效缩短开发周期，降低研发成本．

本文以某燃料电池客车开发为例，结合车辆设计参数要求，以车辆综合行驶性能为优化目标，对主要总成部件进行参数匹配；并基于Cruise软件建立整车模型，对车辆的动力性等指标进行仿真研究．

1 燃料电池客车参数匹配计算

1.1 燃料电池客车基本参数和设计要求

燃料电池客车的动力性能取决于车辆动力系统．本文根据客车整车参数和性能指标进行理论计算及动力系统匹配．动力系统主要包括燃料电池、动力电池和驱动电机等．燃料电池客车的主要相关数据和动力性能指标如表1所示．

表1 整车主要参数和性能指标

1.2 燃料电池客车动力系统构型及控制策略

燃料电池汽车正处于快速发展阶段，其基本结构复杂多样，按照驱动形式可分为纯燃料电池驱动和混合驱动．

纯燃料电池汽车行驶过程中的能量全部由燃料电池提供．此种形式存在一些技术上的特殊要求，如燃料电池启动时的水管理和热管理等需要向燃料电池预先供电．此外，这种结构无法进行能量回收，因此目前常用混合驱动形式．常用的混合驱动形式有“燃料电池+动力蓄电池”“燃料电池+超级电容”“燃料电池+动力蓄电池+超级飞轮”等多种形式[1]．

本文研究的燃料电池客车采用“燃料电池+磷酸铁锂电池”双动力形式．该形式的动力系统构型简图如图1所示．

图1 动力系统构型简图

燃料电池客车行驶过程中能量由燃料电池和动力电池提供．燃料电池在稳态工况下工作时使用寿命较长，而在频繁变化的工况下工作时使用寿命会迅速下降．由于燃料电池成本较高，为了延长其使用寿命，应尽量减少燃料电池输出功率的大幅波动．为此，使用动力电池作为峰值电源提供在加速和爬坡等工况下不足的能量，并回收制动过程中的能量．

1.3 驱动电机参数匹配

驱动电机作为动力输出装置，其性能将直接影响客车的动力性．驱动电机需要匹配的参数主要有功率、转速和转矩．

1.3.1 驱动电机最大功率和额定功率

1.3.2 驱动电机最大转速和额定转速

驱动电机的最高转速可以根据该车的目标最高车速计算，计算公式为

式中：i0为主减速比；r为轮胎半径．

汽车在实际道路行驶过程中存在超载的可能，因此选取的驱动电机的最高转速应大于最高车速对应的电机转速．

1.3.3 驱动电机最大转矩和额定转矩

驱动电机最大转矩应满足该车最大爬坡度的要求，计算公式为

式中：G为客车满载重量；α为最大爬坡度．

电机选用永磁同步电机．永磁同步电机效率高、控制精度高、转矩平稳性好．目前国内主流客车厂大多使用永磁同步电机[1]．

结合上述的计算结果，本文选用额定功率为100 kW永磁同步电机．其性能参数如表2所示．

表2 永磁同步电机参数表

1.4 氢燃料电池参数匹配

本文匹配的车型为主要在市区行驶的城市客车，在行驶过程中速度经常处于较低水平．因此，以40 km/h为平均车速计算功率需求．计算公式[5-9]为

式中Pe为燃料电池附件功率消耗．

依据（6）式计算结果，综合考虑车辆的功率需求和成本因素，本设计选取的燃料电池功率为49 kW．

1.5 动力电池参数匹配

当车辆处于加速、爬坡等高负荷工况时，需要燃料电池和动力电池共同提供能量．燃料电池应尽量在高效区间工作，防止电池过载，此时动力电池的额定功率Pb可由电机峰值功率Pmax与燃料电池额定功率Pfc1确定[5]，即

式中ηm为电机效率．

根据设计要求，在燃料电池不工作时，动力电池应能提供足够电量满足纯电行驶100 km．本文选取UDDS工况为参考工况，UDDS工况如图2所示．

图2 UDDS循环工况图

通过仿真计算，车辆在纯电驱动、半载状态下行驶时，每公里消耗电量0.573 kW·h．为保护电池，延长使用寿命，电池的容量计算应保留20%的余量．即电池电量Eh≥57.3/0.8=71.6 kW·h．

根据上述计算结果，本文使用原车搭载的磷酸铁锂电池，该型电池单体电压为3.22 V，容量为130 A·h，电池的组合方式为189串．选定的动力电池系统总电压平台为608.58 V，总电量为79.12 kW·h．

1.6 车载储氢量计算

通过1.5节中的仿真计算可知，车辆在纯电驱动、半载状态下，每公里消耗电量0.573 kW·h．车辆行驶600 km消耗343.8 kW·h的能量．客车所需的氢气质量可由公式（8）初步计算得到．

式中：mH2为氢气质量；EH为所需能量；q为氢气的低位热值；ηF为燃料电池系统运行效率．

由上述计算可得该车所需储氢量至少为22.6 kg．

试样1,2,3的金相组织如图2所示,由图可以看出,奥氏体均在铁素体基体上析出.奥氏体的固态相变取决于相变驱动力,这与成分、组织结构及降温过程有着密切关系[9,13].由于本实验条件除N含量外均一致,检测出的试样成分中除N元素外其他元素含量变化很小,可以认为两相比例与形貌的变化主要是由于N含量的变化引起的.

2 基于Cruise的仿真验证

Cruise是一款可用于传统燃油车和新能源汽车动力性以及经济性仿真的软件．该软件可应用于车辆开发过程中的动力和传动系统的参数匹配等仿真计算[10-11]．

2.1 整车模型的建立

本文的整车模型主要模块包括燃料电池、电机、动力电池、车轮、主减速器和驾驶员等模块．将以上模块添加至工作区，输入各个模块的参数，如车辆模块的空载质量、满载质量、风阻系数和迎风面积等，电机的转速、转矩和性能曲线等．对于燃料电池，需要的参数主要有单元燃料电池的标称电压、活性面积等．

模块之间需要进行机械连接和信号连接．首先根据汽车动力传动路线完成机械连接，信号连接需要有关电动汽车控制原理方面的知识．Cruise内置模型中有已完成的信号连接可供参考．

本文建立的整车模型如图3所示．

图3 整车模型图

2.2 计算任务设置

在计算任务模块Task Folder文件夹下设置Full Load Acceleration、Climbing Performance和Cycle run三个计算任务．

（1）Full Load Acceleration计算任务用来计算最高车速和加速时间．包括各挡位下的最大加速度、静止起步加速至某一车速的连续换挡加速性能以及某速度下的超车加速性能．

（2）Climbing Performance计算任务用来计算整车爬坡性能，可以计算各挡位的最大爬坡度、各挡位在不同车速下的爬坡度．

（3）Cycle run计算任务可以进行性能分析和续驶里程计算．

2.3 结果分析

客车在不同车速下的爬坡度如图4所示．由于电机在基速之前是恒转矩输出，因此图中的曲线在前段较为平稳．达到基速后电机是恒功率输出，因此随着转速的增加，转矩逐渐减小，爬坡度曲线逐渐下降．从图4中可以看出，客车在10 km/h时，最大爬坡度为18.75%，满足设计要求的15%的爬坡度．

图4 爬坡度曲线

（2）最高车速分析

从图5可以看出，最高车速为86 km/h，超过设计要求的69 km/h．

图5 车速曲线

（3）加速时间结果分析

在Full Load Acceleration计算任务中添加速度测量点可得到0～50 km/h的时间分布，具体数据如表3所示．从表3可以看出，车辆0～50 km/h的加速时间为7.66 s．

表3 0～50 km/h加速时间

（4）UDDS工况分析

客车速度和加速度变化曲线如图6所示．该循环工况的时间长度为1 369 s，最高车速为57.6 km/h，行驶距离为7 466 m，平均车速为19.6 km/h．由图6可知，在整个行驶过程中，车速和加速度的变化趋势与路谱的变化趋势基本一致．

图6 速度和加速度变化曲线

图7为电机、氢燃料电池和动力电池的功率曲线图．从图中可以看出氢燃料电池的功率始终在9～35 kW的范围内，且大部分时间在12～25 kW的范围内波动，燃料电池始终在一个效率较高的区间内工作．动力电池的工作范围为-137～130 kW，未出现过充过放情况．电机的工作范围在-127～157 kW之间，未出现过载情况．

图7 电机、氢燃料电池和动力电池功率曲线

（5）续驶里程分析

图8为客车在半载、UDDS工况下燃料电池反应氢质量（进行化学反应的氢气质量）和行驶距离曲线图．根据仿真结果，车辆每百公里消耗氢气3.98 kg．行驶600 km需要消耗氢23.88 kg．由于燃料电池在运行过程中效率是不断变化的，而在1.6节的计算中使用的是恒定的高效率值，所以与仿真结果相比，1.6节中的计算结果较小．因此，为了满足600 km的续驶里程，车载储氢量最少为23.88 kg．该仿真结果也可为氢气供给系统的设计提供参考．