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1、揭辰【掘蜡】(ZIVCAId)K寸【SKew】rnooa 寸。)61。【(胞折】钦旧昕长把卅伽wtaiH-s】、设K-坞 B出shtr。畿S保M号、意叩 OS ffiitsl、旧旭颦皿邮摧、旧面摧丑盥佃tf熙ESHhfflU+ULL.-1 tfstfss回茧驼巨ffl回底MEE摧流薜职坦fe崩巨坦R相、号W长货巨 邮也卅刷e坦旺坦邮-Kgstf-R相Hhfflg+uLL.二CN真回邮摧茧惜萄器K-、弦BK swesswolssif SS、*8 senuu_d -股K-K-KWW2W 坦 o SB+浴+没)相囹4nstf-R 相S群昕 usni KnlwnssM.69 寸 n【娄stwE【ggg
2、j】 口。幻弟嗦景蕾卅备餐福【3星】我公司立项开发氢燃料电池增程式混合动力系统。1混合动力系统基本构成氢燃料电池增程式混合动力系统是由燃料电池、动力电池、发动机和发电机等构成, 如图1所示。该系统充分发挥FC+B和增程式混合动力的优点，在复杂工况最优 状态下工作4。在动力电池和氢燃料电池系统与总线都增加一个双向的DC/DC 转换器，一方面使得动力电池的电压可以无需与总线电压保持一致，降低了动力电 池的设计要求，同时更灵活方便地控制动力电池的充放电；另一方面解决氢燃料电 池输出电压与驱动电机的工作电压产生电压差的问题，既保证驱动电机始终工作在 其最佳工作电压范围内，又保证氢燃料电池的输出电压不受
3、干扰和限制。图1系统的基本构成2工作原理和控制策略2.1工作原理高压储氢系统中的氢气和空气中的氧气在氢燃料电池系统中发生氧化还原反应，产 生的电能传输到驱动电机驱动车辆行驶，多余的电能流向动力电池储存起来；当动 力不足时，动力电池可以单独输出能量；当氢燃料用完时，动力电池馈电则由夕卜接 充电口直接给予充电；当野外无加氢站、无充电桩时，发动机工作，利用发电机将 发出的电量分别输送给电机或者动力电池，使得续航里程大大增加。2.2控制策略车辆在运行过程中，综合考虑动力性、经济性和续驶里程三大控制目标，系统的控 制策略如下：1）氢燃料电池模式。此驱动模式在客车行驶过程中采用ON/OFF控制策略，使氢
4、燃料电池系统始终工作在高效区5。2）动力电池模式。当客车起步和功率需求量不大时，氢燃料电池系统关闭，动力 电池单独工作，驱动电机带动车辆行驶。此驱动模式采用功率跟随控制策略，保持 动力电池始终工作在最佳输出功率范围内，且动力电池的SOC荷电状态水平较高 6。3）氢燃料电池和动力电池共同工作模式。当车辆启动、爬坡或者加速时，需求峰 值功率较大，氢燃料电池系统不足以提供动力，动力电池可以提供峰值功率；当氢 燃料电池系统经预热达到启动温度后，根据功率需求控制氢燃料电池系统是否开启， 使氢燃料电池系统和动力电池尽可能得到最优控制。4）氢燃料电池系统充电模式。根据动力电池SOC值来判断氢燃料电池系统是否
5、给 其充电，当动力电池SOC小于设定值时，氢燃料电池系统同时为驱动电机和动力 电池输出功率。5）充电模式。当附近没有加氢站而有充电桩（站）时，靠充电桩（站）的快充策略给动 力电池充电，不耽误车辆的运营。6）发动机发电模式。当野外无加氢站、无充电桩，远距离行驶时，在动力电池电 量不足、氢气使用完后，切换成发动机发电模式，使用串联式系统使发动机带动发 电机发电，将发出的电量分别输送给驱动电机或者动力电池7。7）制动能量回收模式。车辆制动时，可根据当前的SOC对制动能量进行回收，驱 动电机转换成发电机，给动力电池充电。8）加热打气管理模式。车辆在寒冷天气启动或者行驶时，动力电池加热和燃料电 池堆加热
6、不再采用电加热策略，改用发动机水循环加热;同时,发动机打气不仅节约 电量和成本,而且能在加热时给动力电池充电。3混合动力系统主要参数计算3.1增程器和驱动电机参数匹配该系统能够在恶劣的环境下工作和消除频繁的运行工况切换，只使用电机驱动;从整 车最高车速、加速时间和最大爬坡度3个指标来评定，我国典型城市工况对应最 大驱动功率为143.7 kW，因此，经计算选定驱动电机为永磁同步电机，额定功率为100 kW,峰值功率为155 kW ;增程器由发动机和发电机组成，输出功率满足车辆以恒定车速行驶时所需功率，富余部分给动力电池充电8：式中：PAPU为增程器输出功率；m为最大质量；f为摩擦系数；CD为风阻
7、系数; A为迎风面积；爪为传动效率；na为发动机效率；va为平均速度。发电机的功率PG2PAPU,发动机的功率PHPAPU/nG，nG为发电机效率，取 0.9。经匹配计算，得发动机峰值功率为80 kW，最大扭矩为285 Nm,最大转速 为1 600-2 600 r/min ；发电机峰值功率为72 kW，最大扭矩为320 Nm,最 大转速为3 000 r/min。3.2动力电池和氢燃料电池选择1）车载动力电池既要根据路况来满足100 km耗电量，又要考虑可以瞬间大电流 充放电，待氢燃料电池响应后放电电流就会大幅降低；一般动力电池的总能量需要 根据纯电模式的续驶里程确定：式中:Eb为动力电池的总能
8、量；ne为减速器效率；nd为驱动桥交攵率；Sa为续驶 里程；SOCh为初始SOC值；SOCI为终止SOC值。动力电池选择锰酸锂电池容量为70 Ah，标称电压621.4 V，电池存储能量为43.5 kW-h,组合方式为168串2并。2）氢燃料电池功率的选择对本系统结构设计非常重要。功率偏大则成本高，偏小 则大负荷行驶工况需要的辅助能量提供的动力增加，氢燃料电池功率在整个行驶过 程中提供较好的城市工况，必须能够单独满足其行驶要求，所以按客车的最高车速 下的平均行驶阻力功率计算为：式中：nt为传动效率；ne为动力耦合器效率；nZ为DC/DC转换器效率；vmax 为最大速度;Pfc为平均行驶阻力功率。
9、燃料电池输出功率：Ppo=Pfc+Pff式中：Ppo为客车氢燃料电池的输出功率;Pff为动力电池的充电功率需求。在国家现行标准匀速40 km/h的路况下，耗电量为45.8 kW-h/100 km,续驶里 程按照350 km计算，所需动力电池容量为：Qbat=Q/（入a入c入d）=35 Ah/0.7/0.9/0.8=69.5 A-h式中：Q为理想状态的容量；入a为SOC可用范围数值；入c为一致性修正参数； Ad为性能衰退参数。经计算，最高车速为70 km/h,氢燃料电池选择额定功率为30 kW的氢燃料反应 堆系统。4混合动力系统主要布置电路系统采用耐高温双重绝缘高压线束，配备漏电检测装置，具有高
10、压过压短路保 护报警功能；外接充电口、加氢口打开、高压零部件系统连接都进行高压安全互锁 设计处理；紧急情况下如遇着火、氢泄漏、电流过大时，系统自动切断高压及供氢 系统，同时让仪表显示报警信息，提醒驾驶员处理9。该混合动力系统主要布置如图2所示，在客车底架安装压缩储氢气瓶和氢燃料冷 却系统，设有加氢口;采用后置的安装方式将驱动电机与减速机构连接，发动机与发 电机相连；氢燃料系统安装在车身后部的左侧，其冷却系统安装在车身的中部，整 车的底部采用密封处理，上部和外侧舱门开格栅，自然通风，避免氢泄漏聚集。在 获得空间最大化利用的同时，去掉传统的氢燃料电池车顶部的保护罩盖和两侧的护 板，既减小了整车的整
11、备质量，又节约了成本，并使车身外型更加美观10。图2系统的关键部件布置示意图车辆的后尾是高压舱，舱内安装三合一控制器、动力电池等高压部件，如图3所 示；通过三合一控制器中DC/DC转换器的双向控制实现动力电池的充放电，延长 电池的使用寿命，同时氢燃料的DC/DC转换器避免驱动电机输出功率降低，提高 氢燃料电池系统工作效率和整车的经济性能及动力性能；外部空气通过空气压缩机 和空滤器进入氢燃料系统，确保氢气供给系统、氢燃料冷却系统、热管理系统等协 调工作可靠运行；整车动力系统和控制系统是本系统的核心11。图3系统后尾安装分布图5结束语对于恶劣、复杂的路况，本系统性能优越，根据8.5 m科力远氢燃料
12、纯电动客车 项目设计理念，对本项目10.5 m氢燃料电池增程式混合动力系统进行开发研究。 本系统设计理念主要适用于当下加氢站较少的长途客车、长途卡车、货车、轮船等 交通运输工具。但是在产业化过程中还存在许多技术问题，未来集中解决寿命、成 本、性能以及车载制取氢气等问题12。【相关文献】1胡骅，宋慧燃料电池电动汽车(1)几汽车电器，2007(1) : 51-55.2王钰.基于PowerPC的混合动力汽车动力总成控制D.北京：北京工业大学，2009.3吕宁.燃料电池混合动力汽车能量控制策略的研究D.大连:大连海事大学,2010.4张亿.插电式混合动力电动汽车动力耦合系统设计与性能研究D.重庆：重庆
13、大学，2014.5刘鹏.氢燃料电池汽车动力电池SOC估算及能量管理策略研究D.武汉：武汉理工大学，2014.6崔胜民.新能源技术解析：第1版M.北京：化学工业出版社，2017 : 130-132.7邹发明.并联式混合动力汽车动力系统参数设计与能量管理策略研究D.重庆：重庆交通大学， 2013.8朱莉莉增程式电动汽车辅助动力单元控制系统的研究D哈尔滨：哈尔滨理工大学，2012.9童俊.混合动力客车高压电安全性能研究D.长沙：湖南大学，2008.10朱可燃料电池城市客车动力系统关键技术研究D.合肥：合肥工业大学，2007.11周志敏，周纪海,纪爱华.模块化DC/DC实用电路M.北京：电子工业出版社，2004 : 202-218.12李建秋，方川，徐梁飞.燃料电池汽车研究现状及发展J.汽车安全与节能学报，2014 , 5(1): 17-29.
