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燃料电池汽车动力系统运行效率研究

    燃料电池汽车动力系统运行效率研究
    殷婷婷 黄晨东 程 伟 欧阳启 孙逸神 ( 上海汽车集团股份有限公司,上海 201804)
    【摘要】 介绍了燃料电池汽车动力系统的结构和工作原理,结合动力系统的功率分布、能流图对燃料电池动力系统运行效率进行了深入研究。最后从零部件效率、动力系统匹配、动力系统结构以及控制策略 4 方面对系统运行效率的影响进行敏感度分析,为燃料电池汽车动力系统开发提供了参考依据和理论基础。
    【关键词】 燃料电池 汽车 动力系统 运行效率

    0 引言
    燃料电池电动汽车是以氢气为能源载体的新型交通工具,运行排放物是纯水,燃料电池的能量转化率比传统内燃机高近一倍,具有明显的技术先进性。由于它的突出优点,燃料电池汽车被称之为电动汽车的终极发展目标。
    储能装置可以在燃料电池堆暖机时给车轮提供动力,为负载提供峰值功率,从而可以减小燃料电池堆的额定功率,并且可以收集制动能量,以提高动力系统的效率。
    1 燃料电池汽车动力系统的结构与原理
    燃料电池汽车( FCV) 动力系统主要包括燃料电池系统( FCS) 、直流 - 直流( DC/DC) 变换器、动力蓄电池 ( BP) 、电机与驱动( MC) 四大部分。动力系统结构简图如图 1 所示。
    
    FCV 动力系统的基本工作原理如下: 氢气和空气中的氧气在燃料电池系统特定的环境中反应产生的电能,作为 FCV 的主能量源,它经过 DC/DC 变换器的阻抗匹配与电压转换后与动力蓄电池( 辅助能量源) 并联,两者共同作为电机驱动系统的输入能量,可保证驱动模式下,电机在峰值功率运行阶段的功率响应,以弥补燃料电池功率响应不足的缺点。此外,当车辆处于制动状态时,驱动电机工作于发电模式,产生的电能被回馈至动力蓄电池,实现车辆制动能量的回收,可提高车辆运行的经济性。
    2 动力系统介绍
    本文以上汽开发的某款燃料电池汽车为例,针对动力系统运行效率进行分析。
    2. 1 整车参数( 表 1)
     
    2. 3 基本控制方法
    燃料电池汽车整车控制方法的目的是为了控制燃料电池与动力蓄电池之间的能量分配,使整车不仅能满足路面行驶功率需求,而且能使各动力源之间达到很好的匹配,从而使功率合理分配。
    本文是基于恒温器与功率跟随相结合的控制方法。动力蓄电池 SOC 平衡时控制在 0. 5 ~ 0. 6之间,初始 SOC 设定为 0. 8; 燃料电池净输出功率范围 为 5 ~ 28 kW,其 最 佳 工 作 功 率 区 域 为( 5,15) kW,效率最高点在 6 kW 左右。
    3 燃料电池轿车动力系统功率分布和能流图
    燃料电池轿车动力系统功率分布与能流图的研究是基于 NEDC 工况下进行的。
    3. 1 电机功率分布
    图 2 ~4 是 9 个 NEDC 工况下,电机功率情况的分析,其中,图 2 是电机功率的曲线图; 图 3 是电机 功 率 的 分 布 图,电 机 功 率 在 0 ~ 5 kW、5 ~ 10 kW、10 ~ 15 kW 区间范围工作的频率最高,比例分别为 32. 88%、23. 82%、18. 4%; 图 4 为 0~ 5 kW 范围内电机功率分布,其工作区域集中在3 ~ 4 kW 之间,比例为 46. 09% 。
     
     
    3. 2 燃料电池功率分布
    图 5 ~7 是 9 个 NEDC 工况下,燃料电池功率情况的分析,图 5 是燃料电池功率的曲线图; 图 6是燃料电池功率的分布图,电机功率在5 ~10 kW、10 ~ 15 kW、15 ~ 20 kW 区间范围工作的频率最高,比例分别为66. 41%、18. 09%、4. 42%; 图7 为5 ~ 10 kW 范围内燃料电池功率分布,其工作区域集中在 5 ~6 kW 之间,比例为 75. 58%。
    
    
    3. 3 动力蓄电池功率分布
    图8 ~11 是9 个 NEDC 工况下,动力蓄电池放电功率情况的分析,图 8 是动力蓄电池 SOC 变化曲线图,蓄电池初始 SOC 是 80%,最终降为55%左右,电池处于放电状态; 图 9 是动力蓄电池放电功率的曲线图; 图 10 是电机功率的分布图,电机功率在 0 ~5 kW、5 ~10 kW、10 ~15 kW 区间范围工作的频率最高,比例分别为 65. 06%、16%、11. 45% ; 图 11 为 0 ~ 5 kW 范围内电机功率分布,其工作区域集中在0 ~1 kW 之间,比例为47. 7%。
    
    
    3. 4 动力系统能流图
    通过以上分析,燃料电池汽车动力系统能流图如图12 所示,以9 个 NEDC 工况下燃料电池氢耗量作为能流图的起点( 100%) 考虑。在能流图中,燃料电池系统的损耗最高,达到 50%,电机其次,损耗为7.65%,下面依次是附件功耗 5. 81%,传动系统损耗4.73%,电池损耗2.01%,DCDC 损耗2%。
    
    
    4 运行效率敏感度分析
    4. 1 零部件效率的影响
    零部件效率参数如表 2 所示,现在其基础上分别让零部件效率提高 2%,其中燃料电池效率的影响最大,电池效率影响最小。根据各零部件效率对运行效率的影响关系,可在设计阶段对零部件的效率提出需求。
    4. 2 匹配工作范围
    NEDC 工况下,电机的功率多分布在 0 ~ 5 kW范围内、燃料电池分布在 5 ~ 10 kW 范围内、蓄电池的功率分布0 ~5 kW,在其工作的范围匹配最优工作点,让零部件始终工作在最高效率区或在工作区域尽可能地提高其效率,并提高运行效率。
    4. 3 动力系统结构影响
    本文研究的燃料电池汽车结构原理,DC/DC变换器控制燃料电池的输出功率,动力系统运行效率为 37. 98%。现对其结构进行调整,DC/DC变换器控制电池的输出功率,新结构的运行效率为 39. 49%,高于原结构效率。
    4. 4 控制策略优化
    在 9 个循环工况过程中,蓄电池初始 SOC 是80% ,最终降为 55% 左右,电池处于放电状态,在电池不停地充放电过程中,其损耗高达 2 585 KJ。在控制策略方面进行优化,尽量避免蓄电池在工作时不停地进行充放电,减少蓄电池的充放电次数,那么能量损耗可以减少,运行效率可以提高。现将损耗减少至 2 000 KJ 进行运算,动力系统运行效率为 38. 34%,高于原效率。
    5 结语
    本文在对燃料电池汽车动力系统及其关键零部件的基本结构、工作原理以及相关性能参数进行介绍的基础上,分析了动力系统的功率分布和能流图,为燃料电池汽车动力系统运行效率的进一步优化奠定了基础。下一步工作将根据运行效率敏感度分析,考虑采取有效措施使燃料电池汽车动力系统效率得到提高,获得更好的经济性。
    参考文献
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