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燃料电池轿车经济性指标优化分析

作者:殷婷婷 来源:厚势 时间:2019-05-15 浏览:

本文来自 2018 年 7 月 10 日出版的《 上海汽车 》,作者是上海汽车集团股份有限公司前瞻技术研究部殷婷婷。

引言

燃料电池汽车是以氢能发电和电机驱动为动力的新能源电动汽车,具有零排放、无污染、高效节能、噪声极低的突出优点。燃料电池轿车是由燃料电池与动力蓄电池组成的「电-电」混合动力轿车,其中燃料电池为主要动力源,蓄电池作为辅助动力源以及能量回收装置而存在。

1. 燃料电池轿车动力系统的结构与原理

本文以上汽开发的某款燃料电池轿车为例简要介绍燃料电池轿车的工作原理。动力系统结构简图如图 1 所示。

图 1  动力系统架构图

燃料电池的输出功率经 DC/DC(或称为 DCF)输出到高压母线,这部分能量可以流向电机,也可以流向蓄电池。DCF 的作用一方面对燃料电池进行升压,另一方面能够通过控制燃料电池的输出功率,起到蓄电池与燃料电池间能量分配的作用。

燃料电池高压辅助系统挂在母线端,即 DCF 的输出端。这是因为燃料电池系统的输出电压较低,并且电压随功率增加下降较快,特性较软。同时在启动燃料电池前,需要空压机先工作起来,这样将空压机放于母线端后,就能通过动力电池给空压机供电。如果空压机放于燃料电池输出端,则需要双向 DCF,增加了开发的技术难度以及成本。

2. 燃料电池轿车经济性指标

汽车的燃油经济性常用一定运行工况下汽车行驶百公里的燃油消耗量或一定燃油量能使汽车行驶的里程来衡量。汽车的燃油经济性常用等速行驶百公里燃油消耗量作为一种评价指标,例如在匀速 60 km/h 或 90 km/h 条件下,汽车以一定载荷(我国标准规定轿车为半载、货车为满载)在水平良好路面上行驶百公里的燃油消耗量。

但是,等速行驶工况不能全面地反映汽车实际行驶工况,特别是在市区行驶中频繁出现的加速、减速、怠速停车等行驶工况。因此,在对实际行驶车辆进行跟踪测试统计的基础上,各国都制定了一些典型的循环行驶试验工况来模拟实际汽车的运行状况,并以百公里燃油消耗量来评定相应行驶工况的燃油经济性。

图 2  NEDC 工况

综上,经济性是通过车辆的百公里油(能)耗来衡量的。本文中燃料电池轿车的经济性是指 NEDC 工况下百公里的氢耗量,NEDC 工况如图 2 所示。

3. 整车能流图及经济性指标分解

图 3  整车能量流

燃料电池轿车的经济性仿真是在 NEDC 工况下进行,在一个 NEDC 工况运行结束时 SOC 的起始状态保持平衡。以上汽开发的某款燃料电池轿车为例,整车 NEDC 工况氢耗为 1.063 kg/100 km,能流图如图 3 所示。整车氢耗的优化方向包括:降低整车质量,提升电机、DCF、FC 效率,改善整车能量分配策略。

图 4  不同优化措施后的氢耗

不同优化措施后的氢耗如图 4 所示,减重是目前降低能耗和提升动力性的主要方向之一,减重 100 kg 氢耗优化约 0.03 kg/100 km。车辆的能量需求中效率损耗所占的比例最高,效率损耗是指各个零部件的效率损耗,包括 FC、DCF、电机等。

图 5  整车能量流

考虑提升各零部件的效率和改善整车能量分配策略,最终优化状态下,整车 NEDC 工况氢耗为 0.907 kg/100 km,能流图如图 5 所示。

4. 整车能量管理策略

4.1 燃料电池系统(FCS)输出功率稳定时间控制

图 6  FCS 输出功率稳定时间 5 s 后电池 SOC 和 FCS 功率

FCS 输出功率稳定时间 5 s 后电池 SOC 和 FCS 功率如图 6 所示,FCS 效率为 56.79%,DCF效率为 96.23%,电池损耗为 233 kJ,制动回收为 955 kJ,氢耗为 0.919 kg/100 km。

图 7  FCS 输出功率稳定时间 20 s 后电池 SOC 和 FCS 功率

FCS 输出功率稳定时间 20 s 后电池 SOC 和 FCS 功率如图 7 所示,FCS 效率为 57.39%,DCF 效率为 96.17%,电池损耗为 327 kJ,制动回收为 864 kJ,氢耗为 0.936 kg/100 km。

增长稳定时间虽然使 FCS 效率提升,但是电池充放电幅度增大,损耗增加;同时在 NEDC 后段,动力电池充电能力限制,使得制动回收能量减小。

因此,增加稳定时间,耗氢变高。

图 8  H 状态 FCS 输出功率稳定时间 2 s 后电池 SOC 和 FCS 功率

H 状态 FCS 输出功率稳定时间 2 s 后电池SOC 和 FCS 功率如图 8 所示,FCS 启停控制是SOC>60% 条件下,FCS idle off;SOC<40% 条件下,FCS on;FCS Power Required<FCS idle power 条件下,FCS idle off。FCS 效率为 57.06%,DCF 效率 为 96.17%,电池损耗为 175 kJ,氢耗为 0.907 kg/100 km。

4.2 FCS 启停控制

图 9  G 状态电池 SOC 和 FCS 功率

不同优化措施下 G 状态电池 SOC 和 FCS 功率如图 9 所示,FCS 控制策略为 SOC>60% 条件下,FCS idle off;SOC<40% 条件下,FCS on;图中可以看出 SOC 在较大范围变动(40% ~ 60%),电池损耗为 341 kJ,氢耗为 0.927 kg/100 km。

图 10  H 状态电池 SOC 和 FCS 功率

不同优化措施下,H 状态电池 SOC 和 FCS 功率如图 10 所示,FCS 控制策略为 SOC>70% 条件下,FCS idle off;SOC<60% 条件下,FCS on;FCS Power Required<FCS idle power 条件下,FCS idle off。

图中可以看出电池 SOC 在较小范围变动(55% ~ 60%),电池损耗为 175 kJ,氢耗为 0.907 kg/100 km。电池损耗之差为 166 kJ,折算到氢耗为 0.023 kg/100 km,约等于 2 种方案整车氢耗之差。

5. 结语


表 1  指标要求

通过上述分析,基本确定整车氢耗的优化方向包括:降低整车质量、提升零部件效率和改善整车能量分配策略。为满足 NEDC 工况 0.9 kg/100 km 氢耗,对整车及各系统要求如表 1 所示。

参考文献

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[2] 余志生. 汽车理论(第三版) [M]. 北京: 机械工业出版社,2001

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关键字:燃料电池

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