燃料电池重卡工况运行燃料经济性仿真计算分析及评估

李钟信　张伟强　程嘉祺　王领　张成平　刘博

摘 要：氢燃料电池汽车具有零排放、无污染、高效节能、噪声低等优点。氢气消耗量是燃料电池汽车重要的经济性评估指标。本文采用由雄川氢能科技（广州）有限公司、南京金龙客车制造有限公司、新源动力股份有限公司共同开发完成的31吨燃料电池重卡实车数据，基于国家重型车C-WTVC测试标准工况，结合仿真软件建立了燃料电池重卡整车动态仿真模型，计算了整车在循环工况下的氢气消耗量，并且和同类型的柴油重卡的柴油经济性进行了基于仿真计算的对标，结果表明：按照目前到站的氢气价格来看，传统柴油重卡占据优势，根据本文的仿真计算结果评估当氢气价格下降到29元/公斤时该款燃料电池重卡的运行成本和同类型的柴油重卡持平。本文提出的工况仿真计算可以作为简单快速评价燃料电池汽车经济性的一种方法。

关键词：燃料电池重卡 循环工况 仿真计算分析 经济性评估

1 引言

氢能作为一种清洁低碳、热值高、来源多样、储运灵活的绿色能源，被誉为21世纪的“终极能源”。目前国际氢能委员会指出[1]：预计到2030年，全球氢能领域的投资更将激增至5000亿美元，其中交通领域的氢能应用将占到主要份额。目前全球的燃料电池汽车市场得到快速发展，全球关于氢能产业的发展都积极制定计划政策以及实施，根据国际氢能委员会关于《Explore key policies and measures for EV deployment》的报告中[2]，明确探索全球各国电动汽车包含燃料电池汽车推广的关键政策和措施，美国2019年11月发的《NATIONAL HYDROGEN ENERGY ROADMAP》[3]，氢能产业每年创造1400 亿美元收入和70万个就业机会，到2050年满足美国15%的能源需求。欧洲2019年发布的《Hydrogen Roadmap Europe： A Sustainable Pathway for the European Energy Transition》[4]，计划到2050年氢能可占欧洲最终能源需求的24%拥有8200亿欧元市場。日本2021年发布《2050年碳中和带来的绿色增长战略》[5]提出预计2050年时燃料电池卡车累计安装最多1，500万辆。同时中国燃料电池汽车也发展迅猛，由2018年3896辆燃料电池汽车迅速增加到2021年的7352辆。根据国家发改委、能源局在《氢能产业发展中长期规划（2021-2035年）》中明确“十四五”时期，预计到2025年我国燃料电池车辆保有量达到约5万辆，到2035年我国燃料电池汽车将累计达到100万辆[6]。

关于燃料电池汽车氢气消耗量的测量评估方法，国标《GB/T 35178-2017燃料电池电动汽车氢气消耗量测量方法》明确了燃料电池重卡采用C-WTVC标准循环工况进行测试[7]。目前国内外氢气消耗量相关标准中最常使用外部供氢实测法包括质量分析法、温度压力法以及流量法[8]，[9]，[10]，这些方法虽然可操作性强，测量精度较高，但是需要对汽车进行改装，存在测试成本高和周期长的问题。其次，该方法虽然可以测得汽车氢气的消耗量，但是在计算动态的氢气消耗量方面存在欠缺。因此，本文提出一种标准工况结合仿真计算的方法来实现对燃料电池汽车关于氢气消耗量经济性的评估。该方法通过仿真软件搭建燃料电池汽车整车仿真模型，对汽车行驶状态进行仿真分析，计算各标准循环工况下汽车的氢气消耗量。该方法主要有以下两点优势：第一，可以快速调试各零部件匹配燃料电池汽车动力系统自由性能和匹配经济性，给出设计优化方案；第二，可以有效避免测试时不必要的改装制造成本、场地不便、测试周期长等问题。

2 研究方法

2.1 测试工况

本文借鉴联合国规定的重卡WTVC测试程序基础上，结合我国重卡的实际运行工况以及综合考虑燃料电池重卡的市场定位及性能要求，最终选择重型混合动力商用车测试工况 C-WTVC 为仿真标准工况。C-WTVC 是我国对重型混合动力商用车进行能量消耗量测试的推荐循环工况[11]，[12]，此循环工况共包括市区循环、公路循环和高速循环三个部分。C-WTVC 循环工况的单个运行周期累计运行时间为1800s，行驶距离为20.55km，具体的工况数据特征如表1所示。本次按照C-WTVC标准工况进行反复交替运行100km，完成对重卡百公里的燃料消耗量的经济性评估。

2.2 仿真方法

本文采用Amesim仿真软件，搭建燃料电池重卡汽车以及柴油重卡汽车仿真模块，导入标准循环工况对汽车的燃料消耗进行计算，其中燃料电池重卡汽车运行的氢气消耗量是由燃料电池系统测试数据与电机、蓄电池等部件特性曲线数据共同计算得出，从而得到燃料电池整车做功与能量转换的关系和燃料氢气的消耗量。本文利用该软件建立相关模块，建立适合于分析计算重卡燃料消耗经济性的计算，软件的仿真流程如图1所示。

3 模型搭建

3.1 燃料电池重卡模型搭建

本模型主要由整车框架①、行驶环境②、百公里运行控制③、驾驶舱控制④、变速机构⑤、整车电机⑥、磷酸铁锂动力电池⑦、燃料电池⑧以及各类的控制信号ECU/VCU等模块如图２所示，暂时不考虑整车燃料电池辅件以及散热辅件的影响。根据各自的联系和相互作用的关系连接起来，组成整车系统的模型。

如图２所示，整车框架①通过输入重卡的相关车辆信息以及行驶的环境条件，则该模块将计算出重卡相应的行驶阻力包括行车风阻、滚动阻力及爬坡阻力以及行车扭矩等，整车的具体参数信息如表2所示：本文以南京金龙的31吨重型泥头车燃料电池整车已知参数为例进行氢气消耗量作为计算依据；

整车的行驶状态包括行车匀速、加速、减速、制动停车等将由驾驶舱控制④的C-WTVC工况设定控制以及VCU中央信号控制处理器进行指令操作；整车的动力将由整车电机⑥提供，电机通过输入实验真实的电机运转数据包括电机转速、扭矩以及功率等，本文采用由绿控传动科技有限公司提供的电机参数信息如表3，图3电机额定电动特性曲线；

这些数据将匹配行车所对应的C-WTVC工况速度下的扭矩，对应消耗需求的电机功率将由磷酸铁锂动力电池⑦和燃料电池⑧共同协调提供，本文采用匹配南京金龙燃料电池泥头车的新源动力公司的燃料电池运行参数，该燃料电池的基本参数如表4，燃料电池输出功率与氢气消耗量特性曲线关系如图４所示；

电机运转的转速和扭矩所需的功率信号将反馈给ECU和VCU，ECU控制燃料电池的工作状况（工作与否、输出功率等），VCU控制ECU的控制指令发出和蓄电池SOC状态和电池充放电状态，对于蓄电池充放电临界值涉及蓄电池剩余容量SOC状态以及电池SOC与稳定放电效率关系，根据蓄电池较稳定放电效率高的SOC区间作为电池放电输出工作区间控制，本文采用4组匹配南京金龙燃料电池泥头车的宁德时代公司的磷酸铁锂蓄电池组运行参数，该蓄电池的基础参数如表5，且电池电压输出相对高效且稳定的基本处于电池容量的80%-90%之间，电压波动相对小，可作为该模型中ECU的充放电SOC的控制参考值使用。在上述涉及相关数据以及匹配关系均由各部件实验测试数据表格录入。

在该软件模块化仿真计算中，功率Pm是由驾驶舱提供的C-WTVC工况控制对应的电机输出功率，燃料电池输出功率Pc、蓄电池输出功率Pbattery的输出均由辅助控制器ECU和中央控制VCU进行控制，设定功率Plow为燃料电池开始工作边界功率值，控制可分为以下几种情况：

1）Pm≦Plow

当Pm≦Plow时，汽车电机行驶所需的功率仅由蓄电池提供，燃料电池出休眠状态，重卡在此运行中不存在氢气消耗；除非蓄电池不足以维持该状态（包括充电状态），燃料电池才开始以较经济功率进行工作，同时给蓄电池充电，充电过程中燃料电池需要消耗氢气转换成电能给重卡和电池供应。

2）Pbattery≥Pm≥Plow

当Pbattery≥Pm≥Plow时，汽车电机行驶所需的功率仅由蓄电池提供，燃料电池出休眠状态，重卡在此运行中不存在氢气消耗；除非蓄电池不足以维持该状态（包括充电状态），燃料电池才开始以较经济功率进行工作，同时给蓄电池充电，充电过程中燃料电池需要消耗氢气转换成电能给重卡和电池供应。

3）Pm≥Plow、Pbattery

当Pm≥Plow、Pbattery时，汽车电机行驶所需的功率由蓄电池与燃料电池共同提供，此时又分为2种情况：

1））若燃料电池较经济功率与蓄电池输出功率之和无法满足当前电机所需功率，燃料电池将以最大功率输出，蓄电池将一直持续输出直到SOC≦20%，重新充电（燃料电池优先满足行驶需求）。

2））若燃料电池较经济功率与蓄电池输出功率之和无法满足当前电机所需功率，且蓄电池已无法提供能量，燃料电池将以最大功率输出，将仅由燃料电池工作输出，直到蓄电池充电符合重新工作。

上述的这两种情况，这整个电能供应过程，燃料电池重卡始终在消耗氢气供应电力。目前在广州黄埔区运行的120KW燃料电池泥头重卡实车见图5。

本文搭建的燃料电池重卡整车模型，通过该仿真软件可以轻松得到燃料电池重卡的氢气消耗量的结果。该软件功能的強大不止于此，我们完全可以通过调试本文模型的系统零部件的不同参数设置，由于系统零部件的更换或参数的不同均会对最终仿真结果造成影响，进而得到燃料电池重卡匹配不同动力或电力时的氢气消耗量不同仿真结果，在这些结果中探找设计的最优方案。例如保持本文的搭建模型系统，调试蓄电池的不同充放电临界值SOC为50%、60%、70%、80%等或设置蓄电池的不同容量值10AH、20AH、30AH、40AH、50AH、60AH等以及蓄电池输出功率的类型是容量型或功率型等。通过输入蓄电池不同参数，都可以对燃料电池汽车经济性产生影响，在有限资源下给燃料电池汽车匹配最优蓄电池（优选容量、优选材料、优选功率输出、优选购买价格参考等），在能满足燃料电池动力需求下，氢气消耗量的经济性最优。其他零部件匹配燃料电池汽车动力系统运行上的经济性也可以按照上述方法进行匹配优化仿真计算，根据所有的仿真结果，给出设计冗余，即可给出较优设计方案。

3.2 柴油重卡模型搭建

本文柴油整车系统模型主要发动机模块、变速器模块、循环工况模块以及油箱、油耗显示器等部件，组成整车系统的模型，如图６所示。

本文建立的柴油重卡仿真整车模型，确保整车参数（长、宽、高、轴距、轮距、轴载荷、迎风面积、质量、空气阻力系数、汽车最高车速等）、轮胎参数（半径、转动量等）、传动系参数（各挡传动比、主减速器传动比、传动效率等）、控制运行工况、路试环境等参数和燃料电池汽车基本一致，才有比较的意义以及可比性。本文柴油发动机的参数采用该软件模块化中的柴油重卡的发动机的性能参数。

4 结果对比分析

为了减少仿真的不确定因素的影响，将燃料电池重卡与柴油重卡的仿真整车的车辆信息、路试工况等参数设置一致的状态下，经过对其重卡在C-WTVC标准工况下燃料消耗的仿真，燃料电池重卡与传统柴油重卡均按C-WTVC标准工况下循环运行百公里，该软件仿真结果如图７重卡C-WTVC标准工况周期实际运行状况；图８重燃料电池重卡C-WTVC标准工况下百公里氢气消耗量；图9柴油重卡C-WTVC标准工况下百公里柴油消耗量。

根据上述图7可知，燃料电池重卡的仿真实际运行工况整体上与C-WTVC控制工况曲线基本重合，差异性极小可以忽略不计，只有在突然变速点稍有延迟不重合外，其余平稳运行，燃料电池重卡按该工况运行单个周期的行驶距离为20.5km，与控制工况行单个周期距离相差0.24%。传统柴油重卡仿真实际运行与C-WTVC控制工况整体曲线基本吻合，与控制工况周期距离相差1.75%，存在极小偏离，偏差小到可以忽略不计。传统柴油重卡仿真运行一个控制工况周期的行驶距离比控制工况下周期距离稍短，传统柴油重卡仿真运行一个控制工况周期的行驶距离为20.19km，与燃料电池重卡仿真车单周期运行的仿真距离相差1.51%。传统柴油重卡仿真实际工况整体运行曲线与燃料电池重卡的仿真实际运行工况整体运行曲线基本吻合，趋势一致，且满足工况的最大时速87.8Km/h的要求，符合燃料电池重卡与传统柴油重卡工况运行下燃料经济性评估微小差异允许范围。

根据上述图８可知，燃料电池重卡仿真实际行驶百公里只需4.88个工况周期，耗时总共8860.95s ，燃料电池重卡在C-WTVC测试控制工况下百公里氢气消耗量为6.24Kg。整个运行过程，可以看出燃料电池重卡在测试工况下消耗氢气的速率走势不规律，第1第2运行周期的氢气消耗速率波动较大，该波动主要有2部分原因造成。前半段主因体现在燃料电池重卡处于工况加速至最高控制时速87.8Km/h时，该阶段的燃料电池以最高功率输出工作，氢气消耗速率最大。后半段主因体现燃料电池重卡由高速点制动减速转为低速行驶，蓄电池的SOC已低于80%处于需要充电状态。此时的燃料电池则以最高功率输出工作，一边为车辆供能低速行驶，一边为蓄电池充电。第3第4周期的氢气消耗速率走势相对平稳，主要由于蓄电池的充放电频率与处于运行加速状态的共同作用下，燃料电池持续工作为车辆和蓄電池供能，使得燃料电池重卡氢气消耗速率相对平稳一致。从图中氢气消耗量走势可看出，存在有短小台阶层，主要是燃料电池重卡在运行过程中处于控制工况低速且蓄电池的SOC大于80%的状态（蓄电池无需充电），燃料电池重卡运行的电机所需要的功率可直接仅由蓄电池提供，则燃料电池此时处于非工作状态，不消耗氢气。

根据上述图9可知，传统柴油重卡仿真实际行驶百公里只需4.95个工况周期，耗时总共8935.52s ，柴油重卡在C-WTVC测试控制工况下百公里柴油消耗量为28.34Kg。整个运行过程，可以看出柴油重卡在测试工况下消耗柴油的速率走势相对平稳规律，整体比较线性，只有柴油重卡处于C-WTVC控制工况的加速至最高速的加速阶段，柴油消耗速率快速变大。

将仿真结果与实际重卡路试的燃料消耗量进行对比分析（实车运行工况不一定与C-WTVC标准工况保持一致，但C-WTVC标准工况是相对符合国内重卡行车习惯和实际行驶情况的，具有一定的参考意义），以下是重卡实际燃料消耗量结果与燃料消耗量仿真结果经济性差异如表6所示[13]，[14]以及广州氢气价格如图10和表7广州氢气销售价格情况[15]所示。

通过以上计算仿真结果图8、图9与表6的对比可得出结论：重卡实际燃料消耗经济性及仿真结果分析出：由仿真计算得出的柴油消耗量与实际运行时柴油消耗量相差不大，百公里柴油消耗量的值相差8.67％。仿真计算得出燃料电池重卡仿真得到的氢气消耗量与燃料电池重卡实际运行的氢气消耗量相差不大，百公里氢气消耗量的值相差7.59％。无论是柴油消耗量对标还是氢气消耗量的对标，差值均处于10%的可接受范围内，因此，提出标准工况+软件计算仿真评估其经济性方法是具有实际参考意义的。

关于燃料电池汽车运行成本经济性的评估可分为2种情况进行分析：

1）在广州政府发布《广州市黄埔区 广州开发区促进氢能产业发展办法实施细则》的氢气销售补贴政策下（2021年度，氢气销售价格补贴20元/kg；2022-2023年度，氢气销售价格补贴15元/kg。）[15]，目前项目120KW燃料电池泥头车在广州黄埔示范区运营，故而采用广州氢能补贴政策。广州黄埔区氢能补贴力度最大时期的燃料电池重卡运行成本都高达374.4元，而柴油重卡柴油（柴油价格8元/L）消耗的运行成本只有289.16元，补贴后的燃料电池重卡运行成本比传统柴油重卡柴油运行成本高29.48%。由此看来传统柴油重卡在运行成本方面占据很大优势。

2）在没有国家政府补贴政策支持的情况下，广州氢气销售价格目前维持在80元/kg，柴油的价格销售价格远比氢气销售价格成本的低很多，传统柴油重卡占据主导地位。但随着全球关于氢能产业包括加氢站、制氢、氢气运输以及氢储等政策的制定与落实[16]，[17]，燃料电池汽车的运行成本将在加氢站、制氢、氢气运输以及氢储等方面的成本普遍降低中收益，未来氢气价格下降到29元/kg时，该款燃料电池重卡的运行成本和同类型的柴油重卡持平。

5 总结

燃料电池汽车作为新能源汽车之一，与传统柴油内燃机汽车一样，柴油经济性与燃料电池汽车的氢气消耗量经济性作为汽车的重要评估指标之一。本文采用由南京金龙、新源动力、雄川氢能共同开发完成的31吨燃料电池重卡实车数据，基于国家重型车C-WTVC测试标准工况，结合仿真软件建立了燃料电池重卡整车动态仿真模型，计算了整车在循环工况下的氢气消耗量，并且和柴油重卡的柴油经济性进行了基于仿真计算的对标，结果表明：本文提出的工况仿真计算可以作为燃料电池汽车运营经济性评估的一种具有实际参考意义的方法。目前按照国内氢气销售价格以及柴油销售价格来看，传统柴油重卡依旧占据主导位置，但在国家支持政策以及企业技术尤其在制氢、储氢、运氢等技术逐渐成熟的相互扶持下，未来氢气价格下降到29元/公斤时该款燃料电池重卡的运行成本和同类型的柴油重卡持平。

本文提出工况+仿真计算评估汽车燃料消耗经济性的方法是非常适合推广的，操作简单，可行性强。该方法主要体现在不仅能省去很多实车制样、改装、实车测试等等繁琐中间环节，还极大节约研发及修改方案以及试样测试的时间成本，同时也在匹配燃料电池汽车动力系统经济性动态分析方面发挥巨大优势。

需要进一步说明的是，利用本文中工况+仿真方法评估汽车燃料消耗经济性进一步进行如下问题的研究：

１）对燃料电池重卡的燃料经济性进行预测，这对汽车产品的开发极为有利。

２）分析不同参数（蓄电池容量等）对燃料电池重卡燃料经济性的影响，对车辆的相关参数进行合理的设计。

3）分析各零部件匹配燃料电池汽车动力系统良好自由性能、友好经济性策略，对车辆的相关参数进行合理的设计。

课题来源： 雄川氢能科技（广州）有限公司2021-2023年科研项目“氢燃料电池动力系统多合一集成控制器研发”项目（项目任务书编号：2020B0909040004）的阶段性成果。

参考文献：

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[5]令和二年十二月二十五日. 2050年碳中和帶来的绿色增长战略.

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