燃料电池客车电混合动力系统的应用.doc

燃料电池客车电混合动力系统的应用摘要：基于某氢燃料电池客车整车研发，介绍燃料电池动力系统的开发背景和设计方案。从整车的动力性和经济性出发，采用综合能量密度更高的燃料电池与动力电池匹配形成的电-电混动系统作为整车的动力源方案，通过计算进行系统匹配，进一步提升燃料电池客车的综合性能。氢燃料电池车作为新能源汽车的一个重要研究领域，它采用清洁能源氢气作为燃料，通过氢和氧的反应直接将化学能转换为电能提供动力，其能量转换效率高，燃料经济性好，行驶过程中排放物只有水，对环境没有污染1。与纯电动汽车相比，氢燃料电池车具有更好的续驶能力、能源补充时间短等优势，为新能源汽车的发展提供了一个更好的方向。本文根据市场需求研发了一款氢燃料电池客车，针对燃料电池系统启动较慢、可靠性较低、过载能力差、成本较高的特点2，3，采用了燃料电池系统和动力电池储能装置组成的电-电混合方案作为车辆动力源方案，提高车辆的实用性、可靠性和经济性。1燃料电池客车动力系统1.1动力系统结构本方案是在纯电动系统的基础上，增加燃料电池系统，系统结构图如图1所示，主要由燃料电池系统、动力电池系统、驱动电机系统，以及整车控制系统等部件组成。其中，驱动电机系统采用集成式电机控制器总成和中央电机直接驱动后桥方式；燃料电池系统主要由燃料电池、高压DC/DC、储氢系统及相关附件等组成，用于提供车辆行驶的主驱动力；动力电池包含电池包、BMS及其附件等，用于增强车辆行驶的峰值功率，在车辆加速或爬坡时可以配合燃料电池系统提供充足的输出功率，提高动力性；在车辆怠速、低速工况下，燃料电池系统存在富余的能量可以输出给动力电池，为其充电；车辆减速时，可通过动力电池进行制动能量回收，提高整车动力系统的能量效率10。1.2系统部件技术参数（见表1）1.3整车参数本次车型开发是以8m纯电动考斯特中巴作为基础车型进行动力系统搭载设计，其整车参数如表2所示。设计目标如下：1）燃料电池额定功率驱动电机额定功率×30%，且30kW；2）燃料电池输出功率应满足国标8中等速行驶工况的功率需求，即在车辆载荷为满载质量的50%、平均车速为40km/h时整车的电功率需求；3）续驶里程300km。2燃料电池系统和动力电池系统选型设计2.1燃料电池系统输出功率计算2.2动力电池选型计算由于燃料电池系统不允许过载运行，即燃料电池系统工作时其输出功率30kW，因此整车行驶需求功率额外部分需要动力电池进行功率补充。本方案中动力电池选型优先考虑成熟的能量型电池方案，在燃料电池系统不工作或故障时车辆也能具备一定的纯电行驶能力。动力电池选型主要根据驱动电机的峰值功率（150kW）进行匹配计算，以补充燃料电池输出功率不足的部分。1）动力电池峰值放电功率：动力电池峰值放电功率PB驱动电机的峰值功率-燃料电池额定功率=120kW。2）动力电池系统选型：动力电池以原纯电动车型搭载的磷酸铁锂电池作为选型基础，其单体电压平台为3.2V，单体容量为120A·h，最大放电倍率可达2.2C。根据动力电池的峰值放电功率120kW，初步计算得出动力电池电量55kW·h，根据驱动电机及其控制器的使用电压范围，选定动力电池系统总电压平台为518.4V、总容量为120A·h、总电量Eb为62.2kW·h作为动力电池系统方案。2.3储氢量计算与氢气瓶选型2.3.1储氢量计算根据设计目标要求，整车续驶里程300km，因此车辆在加满氢气的状态下需能具备行驶300km以上的能力。3整车搭载应用基于8m纯电动考斯特的整车空间结构特点，本方案将动力电池设计成3个箱体布置在底盘中段的舱体；燃料电池发动机、高压DC/DC及其冷却系统布置在车辆尾部，并设计独立舱体与乘客舱隔离，舱体内部设计3层安装结构，其中上层布置燃料电池电堆、空滤等零部件，中间层布置高压DC/DC，下层布置电机控制器、电池高压盒等零部件；4个氢气瓶与供氢系统采用集成式架构设计（见图2），独立布置于后段车顶，并设计防护罩。整体布置方案如图3所示。4结束语本文采用电-电混合的动力系统方案作为燃料电池客车的动力系统，弥补了燃料电池的缺陷，改善了整车的动力性，提高了整车的续驶里程；针对燃料电池和动力电池系统的匹配选型进行了计算，同时根据整车的空间结构进行了合理的搭载应用，进一步确保燃料电池客车的性能指标符合设计要求：对燃料电池客车的设计与开发具有指导意义。参考文献：1高敏.燃料电池客车研发进展分析J.客车技术与研究，2012（2）：1-4.2林成涛，陈全世.燃料电池客车动力系统结构分析J.公路交通科技，2003，20（5）：133-137.3李玉鹏，李进，李飞强，等.燃料电池城市客车电电混合动力系统研究J.客车技术与研究，2014（6）：21-23.4余志生.汽车理论M.北京：机械工业出版社，2000：57-70.5林剑健.插电式混合动力系统匹配计算J.机电技术，2013（4）：123-125.6谢起成，赵广平.燃料电池电动汽车氢消耗量的计算J.清华大学学报（自然科学版）2005，45（11）：1534-1536.7 GAS Encyclopaedia M. France：Elsevier Sicence Publishers，1976.8能量消耗率和续驶里程试验方法：GB/T183862005S.9新能源汽车推广应用推荐目录Z.中机函2017，2号文.10陈笃廉.燃料电池客车氢系统与动力电池安全防护设计J.机电技术，2017（2）：59-62.11康燕语.快充型磷酸铁锂电池在纯电动客车中的应用J.机电技术，2017（1）：96-98.8