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12m氢燃料电池城市客车电电混合动力系统设计方案

2020-05-20 22:36:28·  来源：电动学堂  
　
随着氢燃料电池技术的进步，氢燃料电池客车的优势越发明显，和传统客车比，零污染､零排放;和纯电动客车比，加注燃料速度快､续航里程更长｡未来在公路客运领域
随着氢燃料电池技术的进步，氢燃料电池客车的优势越发明显，和传统客车比，零污染､零排放;和纯电动客车比，加注燃料速度快､续航里程更长｡未来在公路客运领域，它的优势会更加明显｡
1整车动力系统开发
 
本文基于整车商品化开发原则研制的氢燃料城市客车动力系统如图1所示，采用燃料电池+动力电池的电电混合方案，燃料电池功率等级中等，动力电池容量能满足一定续驶里程的纯电动驱动，可外接充电｡
1.1电电混合系统能量控制原则
本电电混合动力系统方案中，燃料电池单独或与动力电池共同提供持续功率，且在车辆启动､爬坡和加速等峰值功率需求时，动力电池提供峰值功率;在车辆起步功率需求量不大时，蓄电池可以单独输出能量;制动能量回收由动力电池来完成;蓄电池技术比较成熟，可以在一定程度上弥补燃料电池技术上的不足｡
具体能量分配时，VCU根据当前动力电池的SOC､电机需求功率､辅件功率以及车速作为输入，计算当前燃料电池系统的输出功率，以保证动力电池SOC在某区间范围内平衡，最优地满足整车动力性指标及经济性指标｡
1.2电驱动系统匹配
对于电动汽车的驱动电机，需要确定的特性参数主要包括驱动电机的功率､扭矩和转速｡根据整车动力性能设计需求，通过最高车速､需求功率､需求扭矩等相关计算，确定驱动电机的相关参数｡根据汽车理论，汽车的功率平衡关系如下:
 
将整车参数代入上式，即可分析整车在中国典型城市客车循环工况下动力性指标对应的车辆功率需求｡通过计算选取驱动电机额定功率为100kW､峰值功率为200kW;额定扭矩为950Nm､峰值扭矩为2400Nm;额定转速为1005r/min､峰值转速为3000r/min;额定电压为380V(AC)｡
1.3液冷动力锂电池系统匹配
考虑到城郊客车运营时间长､使用环境相对复杂的特点，本项目选用安全性高､放电倍率大的锰酸锂电池｡动力电池总线电压主要由电机､动力电池的特性决定｡现有动力电池要满足电机最大功率输出需求，同时参照电池厂家的电芯特性和电池箱规格确定动力电池的额定总电压｡动力电池容量的确定必须考虑路况､纯电动里程､电池组一致性､最低SOC等几个因素，按中国城市客车典型工况[4]纯电续驶里程和等速工况纯电续驶里程需求计算，最终选定电池容量为96Ah/525.6V，总电量50.456kWh;电池系统具备峰值功率3C充放电能力，并且满足在外界环境温度-30~45℃范围内正常工作，防护等级IP68｡
针对电池系统满足高低温充放电功率要求，低温采用电加热方式，高温采用液冷方式对电池系统进行散热｡选用PTC加热，提高加热速率，提高电池系统低温环境充放电性能｡针对电池系统高比能量的要求，通过提高成组效率，减少每个电池分摊的重量，提高模组与电池箱空间利用率;采用结构合理的钣金冲压箱体，减少焊接位置，达到结构强度要求的同时又能减轻重量，系统能量密度达到140Wh/kg｡采用高质量发泡硅橡胶密封圈设计，提高抗压缩变形性能和反弹衰减性能;采用限位设计，防止密封圈压缩过量，提高密封圈使用寿命;选用高防护等级和高安全性的高低压连接器，提高电池系统防护等级，达到IP68防护等级要求｡
1.4燃料电池系统参数匹配
在燃料电池混合动力客车中，燃料电池提供整车需求的平均功率｡根据汽车理论[3]，可分别计算燃料电池客车在10~69km/h不同车速下平均需求功率，并据此选定燃料电池系统的额定功率｡
根据汽车理论，最高车速需求功率可用下面公式求得:
 
通过计算可得最高车速69km/h时需求功率为49.6kW｡根据中国典型城市客车循环工况[4]，车辆运行平均车速在15~20km/h左右，此时需求功率为13.6kW，考虑电机驱动效率及整车附件功率(电空调､电动助力转向､电动制动气压泵等)，实际选取燃料电池系统的功率为50kW，可完全满足12m城市客车需求｡
主DC/DC采用燃料电池系统专用升压DC/DC，DC/DC输入电压120~240V(DC)，输出电压430~605V(DC)｡其主要作用是通过升压与系统直流母线的电压等级进行匹配，从而使得燃料电池系统功率输出与系统直流母线的电压之间不再有耦合关系｡从原理上说，可以把燃料电池与主DC/DC组合看作一个供电电源，该电源具有恒流源输出特性｡主DC/DC同时也通过对电堆输出工作点的调整，延长了电堆的寿命｡
通过上述分析，最终确定燃料电池系统额定输出功率为50kW，质量200kg，储存温度-30~60℃，燃料电池系统低温启动温度为-30℃，系统噪声≤85dB(A)，DC/DC额定功率50kW｡
1.5供氢系统开发
供氢系统分成氢存储､供应子系统和氢安全预警子系统两个相对独立的子系统｡氢存储､供应子系统包括氢气的加注､储存和供应部分;氢安全预警子系统包括用于监测氢气泄漏的传感器及其信号处理部分｡以保证系统安全､可靠､实用及经济的要求｡氢系统须通过温度､压力､浓度传感器，过流阀，释放接口以实现超温保护､超压保护､过流保护和防碰撞等功能｡
为保证氢系统安全性，需要遵循以下设计原则:
1)碰撞安全防护｡增加后碰撞检测装置，当检测到碰撞发生时，主动关断氢燃料系统供气阀门｡
2)防泄漏措施｡保证零部件配合精度，按照规范进行高低压泄漏检测，各个连接点均不得有泄漏，管路采用防振设计，尤其是在管路拐弯的地方｡
3)防氢气积聚措施｡对于系统零部件应尽可能集中安装，分区布置｡
4)防点火源措施｡实行氢电隔离，防止在可能泄漏的区域出现火花;将系统进行可靠接地，防止产生静电｡电磁阀等电气零部件和温度､压力传感器均采用防爆型｡
5)氢气泄漏监控｡在系统零部件密集布置的区域设置氢气泄漏监测探头，将信号发送给控制器;控第1期朱鹤:12m氢燃料电池城市客车电电混合动力系统设计方案5制器根据探头探测到的氢气浓度值，分别发出不同的报警信号，采取不同的处理措施｡
6)排空稀释｡根据燃料电池的不同工况计算或实际测量得出燃料电池在不同工况下的排空稀释｡通过清除空气中的杂质和实现氢气安全混合，并通过控制系统来控制氢气的排放路径｡
为满足整车续驶里程需求，采用目前商用车常用的35MPa高压储氢系统，由8只145L的高压储氢瓶存储氢气，有效储氢量24.8kg，等效发电量在335kWh左右，可满足整车300km工况续驶里程需求｡
2整车控制系统开发及性能仿真
2.1整车控制系统开发
氢燃料电池客车主要由整车控制系统､储氢系统､燃料电池系统､辅助控制系统､动力电池系统､驱动电机系统等部件组成，各部件通过CAN总线组成一个分布式控制系统｡采用锰酸锂电池与氢燃料电池的电电双能量源结构，燃料电池作为主能量源，提供车辆行驶的主要动力，动力电池组是辅助能量源，在汽车行驶中起到“削峰填谷”的作用，如图2所示｡
 
整车控制系统是燃料电池电动客车的大脑，负责对燃料电池系统､电机驱动系统､动力转向系统､再生制动系统和其他辅助系统进行监测和管理｡整车控制器通过CAN网络连接燃料电池系统､电机系统､操纵控制系统等动力系统主要零部件，对整车进行功率控制､能量管理等检测､诊断､控制｡
2.2整车性能仿真分析
1)仿真模型搭建｡基于符合城市实际的公交工况的燃料电池城市客车动力系统参数优化及评价，采用Cruise､Matlab/Simulink等专业软件，开展燃料电池客车动力系统需求建模与仿真分析(图3)｡以动力性､经济性为优化目标，建立优化模型，针对系统或零部件的参数进行优化设计，确定最佳电电混合动力系统配置方案，基于动力系统仿真模型，对该方案进行评价｡形成公交工况大数据驱动的动力系统匹配优化与评价方法和建议。
 
2)性能仿真结果｡整车0~50km/h加速时间10.39s;最大爬坡度17.29%;最高车速85km/h;CCBC续驶里程(开空调，65%载荷)347km｡从仿真结果看，该车各项性能仿真参数满足最初设计目标要求，性能良好，能够满足城市客车日常的运营需求｡
 
3结束语
相对目前新能源汽车中普遍应用的锂电池技术，氢燃料电池技术是一种清洁环保的战略性高技术，氢燃料电池汽车因其具有的环境友好性､续航里程长､加注燃料时间短､无需充电等特点，被视为最有前景的新能源电动汽车，已被国际公认是未来新能源汽车驱动技术的终极解决方案｡
 
 
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