一种基于电-电混合全功率氢燃料电池汽车动力系统方案设计
来源：《机电工程技术》，熊 洁，杨天峰
目前国内全功率燃料电池技术发展不成熟，因此介绍一种基于电-电混合全功率氢燃料电池汽车动力系统方案设计方法，采用燃料电池为主，动力电池为辅的整车动力系统方案，设计了适用于电-电混合全功率燃料电池车型高压架构以及对应架构下能量管理策略，整个动力系统利用升压DCDC 中集成的SiCIPM 模块以及高压配电模块将燃料电堆输出进行升压后给驱动电机以及整车负载供电。同时详细讲述了该高压架构下各动力系统匹配计算方法，并通过仿真分析验证燃料电池车型匹配设计结果以及性能要求，验证电-电混合全功率燃料电池汽车动力系统设计方案和能量管理策略可靠性、合理性、准确性。
引言
为了响应国家碳中和碳达峰目标要求，未来新能源汽车会由纯电动向燃料电池车型转化，随着燃料电池技术的不断发展，燃料电池车型已经成为国内发展的主要趋势。目前氢燃料电池车国内外市场主要为“电-电混合”的模式为主，即燃料电池为主，动力电池为辅的混合模式。氢燃料电池是一种将氢气和氧气在催化剂作用下发生化学反应产生电能的能源设备，动力电池则作为辅助储能设备，如何设计整车动力系统以及能量管理策略成为电电混合燃料电池车型首要任务之一。
针对混合电动、纯电动和氢燃料电池车型技术对比分析，可知：燃料电池车型和纯电动车型相比，电子电器部件以及低压电气架构基本一致，公用平台化优势明显；燃料电池车型保留了纯电动车的优势，同时克服了在续航里程和充电方面的缺陷。纯电动和混合动力车型的发展为燃料电池技术解决了蓄电池、电机、电控等关键技术[1]；部件、成本、可靠性等重要问题奠定了驱动电气化的产业基础。针对纯电动和PHEV高压架构设计基础也对燃料电池车型高压架构设计提供了重要支撑技术[2-4]。
目前，国内外已经对燃料电池汽车动力系统关键技术进行了充分的研究，2014年发布的丰田Mirai车型是作为典型代表的量产燃料电池车型[5]。同时国内已建立了具有自主知识产权的FCV 动力总成技术平台[6-7]；形成了燃料电池发动机、动力电池、驱动电机、储氢与供氢系统等关键零部件配套研发体系；具备了百量级燃料电池整车生产能力，并完成了大规模示范运营。
武汉理工大学与同济大学分别研发出燃料电池与动力电池混合的“楚天一号”、“超越三号”、“超越二号”、“超越一号”等氢燃料电池车。清华大学汽车安全与节能国家重点实验室承担“燃料电池城市客车”-国家“863”电动汽车项目，其中混合动力控制系统是重点研究的核心技术。开发出“清华ECU”的功率混合型和能量混合型动力系统，并且各主要性能指标、整车行驶故障率以及制作成本故障率都十分优秀[12]。华南理工大学与广州益维电动汽车有限公司共同合作，研发出燃料电池-锂离子电池混合动力轻型电动汽车[8]。东风汽车集团承接国家课题——高效率燃料电池乘用车整车开发，重点技术为大功率燃料电池系统整车集成，致力于整车动力匹配、动力适配性研究。
“电-电混合”全功率燃料电池车型是燃料电池发展的必须趋势，氢燃料电池汽车动力系统的能量管理技术及其方案不成熟，针对不同的高压架构其变化性较大，本文提供一种适合于全功率燃料电池车型高压架构及该架构下的燃料电池汽车能量管理系统控制方法，燃料电池-锂离子电池混合动力系统充分结合了锂离子电池和燃料电池的优点，能更高效地使氢燃料电池工作在高效工作区间，并兼顾辅助锂离子电池使用特性，使得在保证高效能量利用率的同时提升整车动力系统可靠性，以及延长燃料电池和锂离子电池的使用寿命，同时可满足汽车能量回收等方面的要求[9]。
1 动力系统方案设计
1.1 整车动力系统框图
系统设计基于X37FCV 项目进行，采用全功率燃料电池和动力电池并联共同为驱动电机提供能量，同时也为整车负载提供能量，驱动电机将电能转化为机械能传递给传动系统，从而驱动汽车前进。
整车动力系统构架如图1 所示。在该动力系统构架中，燃料电堆（Fuel Cell）通过空气和氢气进行电化学反应将化学能转化为电能，燃料电堆输出电压经过燃料电池升压DCDC 中集成的SiCIPM 模块电路进行升压稳压后，部分电能通过燃料电池升压DCDC 内部电源分配模块提供给燃料电池发动机高压附件，这些高压附件包含PTC 加热器、空压机控制器、水泵控制器以及氢泵控制器供电，燃料电池系统净输出功率提供给整车驱动电机以及其他用电负载。
图1 整车动力系统构架
动力电池总成中集成有动力电池包Pack、PDU 配电模块，12VDCDC 以及24VDCDC。燃料电池系统对整车输出能量与动力电池输出能量并联接到PDU 配电模块，由PDU 模块进行二次配电，PDU 输出1 给驱动电机控制器MCU 供电为驱动电机提供动力源、PDU 输出2 通过12 V DCDC 将350 V 高压转化为12 V 低压电为整车12 V低压系统电器部件供电，同时PDU输出3通过24 V DCDC将350 V 高压转化为24 V 低压后接到整车24 V 低压配电盒，经过二次配电后给整车热管理的水泵和风扇供电。
整车控制器VCU、燃料电池系统控制器FCCU、动力电池管理系统BMS以及储氢系统控制器HMS之间通过CAN 总线进行信息交互，其中VCU 作为整车控制器进行整车能量管理，根据整车工况进行功率分配。燃料电池控制器FCCU 响应VCU 下发的开机、关机等控制指令以及功率需求指令，执行响应的开关机流程以及功率响应程序，FCCU 接收到整车VCU 下发的功率需求指令后，控制氢气子系统和空气子系统提供所需的氢气量和氧气量，通过电化学反应将化学能转化为电能对外输出，同时控制FCS 内部热管理系统为电堆工作提供合适的环境问题，保证其效率和寿命。BMS 对电池充放电、上下电进行控制，是电池各部件运行参数监控单元，同时还起到电安全保护作用。储氢系统控制器HMS 主要完成氢气加注、氢气瓶阀开启和关闭以及氢气泄漏检测，为燃料电池系统提供足够的氢气量，同时还负责整车氢安全监测。
1.2 需求分析以及设计流程
根据X37FCV 项目整车参数和性能需求指标信息，如表1所示，计算出整车动力模块动力性和经济性指标。燃料电池系统参数、动力电池系统参数以及驱动电机参数，然后将动力电池功率、燃料电池系统功率、驱动电机扭矩、驱动电机功率以及驱动电机转速通过Matlab 平台仿真，通过仿真结构验证整车性能指标。
表1 整车参数
根据整车参数和性能指标计算驱动电机系统参数，根据整车能量管理策略得出燃料电池系统需求功率参数后，燃料电池系统会根据自身特点计算出燃料电池系统内部参数和性能指标，比如：动力性参数额定功率、峰值功率；效率、动态响应性参数、可靠性参数、经济性参数、耐久性参数、环境适应性、安全要求以及噪声等性能指标。
根据整车需求的续航里程以及百公里耗氢量可以计算出整车所需储氢量（kg）。
图2 动力系统设计流程
1.3 整车动力系统参数设计过程
动力系统各个动力模块参数计算有两种方式：公式计算法和模型仿真计算法。其中公式计算法较为简单易行，可快速计算出系统所需电机参数。仿真计算法使用专业仿真软件，例如Matlab、Cruise 等搭建整车模型，通过给定不同的输入需求，仿真得出结果，适用于系统较为复杂的情况。本文设计采用公式法，计算过程如下。
1.3.1 驱动电机参数计算
首先通过最高车速需求利用传动比公式计算最高转速；
式中：np为驱动电机最大功率时的转速，r/min；i为减速比，取9.061；ua为车速，取180 km/h；r为轮胎半径，取0.364 m。
计算可以得出np=11 885 r/min。
由于电动机不能长时间在最大功率下运行，因此最高车速时必须以额定功率运行，峰值功率则由加速性和爬坡能力决定，为了保证车辆能够以最高车速长时间平稳运行，通常根据最高车速的功率需求来初步选择电动机的额定功率。
通过30 min 最高车速计算出X37 FCV 车所需驱动功率Pe1：
式中：m为电动汽车质量，kg；g为重力加速度，m/s2；f为滚动阻力系数；uamax为最高行驶车速，km/h；CD为空气阻力系数；A为迎风面积，m2；ηt为传动系统机械效率。
车辆以一定的速度爬上最大坡度所需要的功率Pmi为：
式中：αmax为最大爬坡度，rad；并且αmax= arctani，i为坡度，%；ui为爬坡车速，km/h。
根据车辆爬坡性能设计指标：（1）爬坡度i=4%；爬坡车速ui=60 km/h；（2）爬坡度i=12%；爬坡车速ui=30 km/h；（3） 最大爬坡度αmax为30%，爬坡车速ui=15 km/h。
根据加速性能确定电机峰值功率Pma为：
式中：δ为旋转质量换算系数，取1.04左右；ua为车辆加速末速度，km/h；ta为加速时间，s。
根据整车加速性能设计指标，目标车速ua=100 km/h，加速时间ta=11.2 s。
驱动电机峰值功率Pm必须保证以上3 种性能指标下最大功率，即：
根据驱动电机过载系数确定电机额定功率。由于驱动电机的过载系数高，峰值功率通常是额定功率的数倍，但不能长时间在最大功率状态下运行，因此一般根据整车动力性要求先确定出额定功率，再得到峰值功率。根据前面求出的额定功率，可得驱动电机的额定功率为：
式中：λ为电机的过载系数，一般取经验值2.33；Pe为驱动电机额定功率；Pm为驱动电机峰值功率。
通过式（5）计算可以得出Pe=60 kW。
最后再利用电机转矩和转速关系计算出驱动电机额定扭矩和峰值扭矩：
1.3.2 动力电池参数计算
动力电池在全功率燃料电池车中只是起到辅助作用，在车辆急加速时，燃料电池响应速率无法满足要求时，由动力电池大功率放电能力弥补这一缺陷。辅助动力模式下动力蓄电池要求具有瞬时大电流充放电能力，虽然充放电电流很大，由于持续时间都很短，因此电池SOC的波动范围不大。
目前可以作为辅助能源的有三元锂离子电池、磷酸铁锂电池、镍氢电池以及超级电容，其中超级电容和三元锂电具有出色的功率能量溪能，但超级电容成本太高，因此本系统采用三元锂电方案。
动力电池参数设计有3 个性能指标：电压等级、功率需求和能量需求。电池电压等级要求和电机电压等级保持一致，同时根据燃料电池系统需求，整车母线电压必须高压电堆输出电压，因此本系统需要电压范围为[325 V，450 V]。
混动模式下，动力电池最大放电功率必须满足：
根据燃料电池系统启动、停机吹扫功率时间曲线、整车急加速时需求放电能力可以计算出动力电池容量参数[10]。
1.3.3 燃料电池系统参数计算
根据整车燃料电池系统功率要求需要满足车辆最高车速下功率要求即可。本系统中燃料电池采用质子交换膜型燃料电池（PEMFC），电-电混合模式下，燃料电池的净输出功率PFCE应满足：
式中：ηDCF为升压DCDC 效率；uamax为最高行驶车速；ηt为传动系统机械效率；PA为高压附件功率，约为10 kW。
计算出净输出功率PFCV≈80 kW，其中PFCV=PStack-PBOP，其中PStack为电堆功率，PBOP为燃电系统附件功率，计算得到PStack=104 kW。
1.3.4 储氢量计算
根据续航里程650 km 和整车耗氢量0.77 kg/100 km指标，可以计算出储氢量，如表2所示。
表2 储氢系统参数
1.3.5 X37 FCV车型动力系统参数
通过以上匹配计算确认“电-电”混合全功率燃料电池车动力系统主要部件参数，如表3所示。
表3 动力模块参数表
2 整车动力系统能量管理策略
在该混合动力系统中，燃料电池系统作为主动力源，锂离子动力电池组作为辅助动力源，整车控制器VCU 进行根据驾驶员意图进行电机扭矩解析和功率限制，根据动力总成驱动模式判断模块进行整车能量管理以及功率分配，控制燃料电池以及动力电池按照预测的功率输出，同时进行制动能量回收管理。整车动力系统控制框图如图3所示。
图3 动力系统控制框图
整个控制采用功率跟随式控制策略，汽车运行时主要采用燃料电池系统提供电力；锂离子动力电池主要起调峰、增容、回收能量的作用。当汽车加速、上坡时，锂离子电池作为辅助电源提供电力；当汽车下坡、减速时，锂离子电池组回收燃料电池的富余电能；图4 所示为混合动力系统协调控制原理，包含驾驶员意图识别、动力驱动模式判断、燃料电池功率预测、辅助电源协调管理模块、驱动电机扭矩解析和功率限制等模块组成。
图4 “电-电”混合动力系统协调控制原理
动力驱动模式判断模块主要根据驾驶员操作意图实现如下工作模式的切换。
（1）启动模式：车辆启动时，燃料电池系统未开机，燃电系统启动时其附件所需的高压电均来源于动力电池，燃料电池启动完成后进行待运行状态。
（2）混合模式：在燃料电池响应速度无法满足整车功率需求的时候，会让燃料电池和动力电池同时放电。以0～100 km/h急加速工况为例，燃电系统从0 kW 开始以10 kW/s速率进行拉载，此时所有功率都需要动力电池提供，电池放电功率为80 kW，整车电源总功率输出为燃料电池系统输出与动力电池输出的和。整车电源总输出功率要覆盖驱动电机峰值功率和整车用电负载，其中燃料电池堆的最大可输出功率与锂离子电池组的最大可输出功率之比为1∶0.1～1∶0.7[11]。
（3）正常行驶模式：车辆正常行驶过程，燃料电池系统输出功率可以覆盖到整车功率需求。动力电池和燃料电池实行分段功率分配策略。
（4）低速段：燃料电池怠速运行，动力电池跟随整车功率需求。
（5）中高速段：燃料电池驱动整车，并且给动力电池充电。
（6）停车模式：Key off 后，燃料电池系统进入停机模式，停机吹扫所用的电量全部来源于动力电池，动力电池在燃料电池系统关机之前不能切断高压。
（7）能量回收模式：当驾驶员踩刹车时，驱动电机将机械能转化为电能，给动力电池进行充电。
动力电池在燃料电池系统从燃料电池系统停机、静置、冷启动、起步加速时的SOC变化如图5所示。
图5 动力电池SOC变化曲线
转矩解析以及功率限制模块依据油门踏板开度以及燃料电池、动力电池实际状态信息进行综合分析处理，得到驱动电机目标转矩，燃料电池系统和动力电池系统的功率合理分配是动力总成控制系统的关键技术，动力系统能量分配控制最终以燃料电池升压DCDC 以及动力电池输出功率调节来实现。
3 整车动力性经济性仿真
由于道路环境的影响，车辆在实际运行过程中需要频繁地加速、减速、怠速和停车，很少以恒定车速长时间运行。因此，在对整车性能进行仿真时应合理的选择仿真工况。本次仿真选取ECE 工况进行仿真，ECE 工况：最高车速50 km/h；包含4 个同样的循环，单个循环200 s，共计800 s；加速、减速频繁，利于制动能量回收。
根据图6 所示搭建整车动力性和经济性模型，整车能量管理策略按照上述要求进行，整车动力性经济性模型中各个部件参数设定根据上述理论计算方法得出，最终仿真得到整车动力性和经济性结果用以验证理论计算得到匹配结果是否正确。
图6 整车动力性经济性模型
模型中燃电系统参数需要设置额定功率、峰值功率、效率、怠速功率、加减载速率等。动力电池参数需要设置电池电压范围、电池容量、放电功率等。驱动电机设置额定/峰值转矩、额定/峰值功率。能量回收率设定为12%。整车参数需要设定整车重量、最高车速180 km/h，百公里加速时间最大值11.2 s，爬坡度以及对应车速，迎风面积A、空气阻力系数Cd、滚动阻力系数f，轮胎滚动半径m，传动效率等。
仿真工况按照图7 所示，采用ECE 循环工况。通过ECE 工况仿真，对续驶里程进行测试。该项仿真测试应满足《GB/T 18386-2017 电动汽车能量消耗率和续驶里程试验方法》中续驶里程测试要求。
图7 ECE循环工况
在全功率电-电混合能量管理策略，整车启动以及百公里加速时，动力电池和燃料电池共同输出；低速段（25 km/h 以下）匀速行驶时，由动力电池提供动力，燃料电池怠速运行，中高速段时，燃料电池单一输出动力，驱动整车并且给动力电池充电。燃电系统怠速净输出功率5 kW、3 kW 和0 kW 时，仿真结果如表4 和图8 所示，很显然燃电系统怠速输出功率对整车经济性影响很大。基于电-电混合全功率氢能源车型中燃料电池系统本身动力性和经济性对整车动力性经济性影响巨大，因此需要持续优化燃料电池系统参数。
表4 仿真结果
图8 仿真结果曲线
4 结束语
“电-电”混合全功率燃料电池车型必然成为今后的发展趋势，本文主要设计一种基于“电-电”混合燃料电池车动力系统，讲述如何进行动力模块参数匹配选型，通过本动力系统驱动模式，介绍了整车能量管理策略，不同的能量管理策略对应着不同的动力部件参数选型，选型时要充分考虑能量管理策略对零部件以及整车性能的影响，不断进行参数优化来提高整车动力性和经济性。
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