燃料电池电动客车参数匹配与性能仿真的思考

燃料电池电动客车参数匹配与性能仿真的思考
作者：李豫刘利达
来源：《科技视界》2018年第10期
【摘要】本文将燃料电池电动客车参数匹配和性能仿真作为主要研究内容。

在燃料电池电动客车参数匹配初步探究的基础上，通过构建燃料电池模型、构建双向DC-DC变换器模型、利用仿真实验的方式等途径，对燃料电池电动客车的动力性能、燃料经济性能等进行分析研究，从而证明燃料电池电动客车具有良好的经济性和动力性。

【关键词】燃料电池电动汽车；参数匹配；性能仿真
中图分类号： U469.72 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）10-0093-002
DOI：10.19694/ki.issn2095-2457.2018.10.042
Fuel cell electric bus parameter matching and.
Performance simulation thinking.
LI Yu LIU Li-da
（beiqi foton automobile co.， LTD. Nanhai automobile factory， foshan 528244， guangdong province）
【Abstract】In this paper， the parameter matching and performance simulation of fuel cell electric bus are the main research contents. On the basis of the preliminary research on the parameter matching of fuel cell electric passenger car， the dynamic performance of fuel cell electric bus is studied by constructing fuel cell model， building bidirectional DC-DC converter model and using the way of simulation experiment， etc. The fuel economy performance is analyzed and studied to prove that the fuel cell electric bus has good economy and power performance.
【Key words】Fuel cell electric bus； Parameter matching； Performance simulation
0 引言
为了有效且可持续的发展城市公共交通系统，同时，尽可能减少能源消耗排放对环境的污染，许多国家、地区，尤其是我国的一、二线城市，已经纷纷开始大力推广并逐步应用燃料电池电动客车作为公共交通系统的主力发展方向。

此种客车通过采用燃料电池搭配超级电容作为
驱动装置，在保证客车正常使用寿命且成本有效控制的前提下，有助于带动城市公共交通系统的可持续发展。

因此，本文将针对燃料电池电动客车参数匹配以及性能仿真进行初步探究，希望能够为相关研究人员提供必要参考。

1 燃料电池电动客车参数匹配分析
（1）电池功率
在确定燃料电池电动客车的燃料电池功率的过程中，根据客车具体的使用要求，在客车正常行驶状态下，燃料电池输出功率一方面需要单独为客车常规形式提供所需功率，另一方面，需要担负一定的附件功率以及坡度裕量功率。

因此需要对燃料电池承担的各个输出功率进行充分考虑，其表达式为：
Pc*=Pc+Pacc+Pi+Pchr
在这一公式当中，Pc*和Pc分别表示燃料电池额定功率以及车辆驱动实际需要功率，Pacc 以及Pi代表着附件功率和坡度裕量功率，且通常后者取值范围在1%到2%之间。

Pchr代表着充电功率，一般在长度大约为12m的燃料电池电动客车中，其燃料电池额定功率为100kW，功率最大值为130kW。

（2）电动机参数
本文选择长度、宽度以及高度分别为12m、2.55m以及3.45m的燃料电池电动客车，整车质量最大值为17000kg，其轴距/迎风面积分别为5980m和7.95m？，其轮胎半径则为0.48m。

燃料电池电动客车的最高车速为80km/h，0到50km/h所需加速时间不超过25s。

因此为了保障客车与相关动力性能要求完全相符，要求其电动机的最大功率和额定功率需要达到180kW 以及100kW，其转矩最大值为950N·m。

（3）电容组参数
通过对该燃料电池电动客车的动力系统结构进行分析，可知其在超级电容中采用了动力电源总线连接双向DC-DC变换器的方式，而动力电源总线电压在330V到480V之间，在此基础上设定超级电容组最高与最低电压分别为460V和230V，将其工作电压设定在430V，系统的充放电功率以及放电持续时间分别为70kW和32s。

考虑到超级电容电流会随着恒功率的放电而越来越大，因此需要利用公式：
计算出具体的平均电流，在该公式当中，iavg表示平均电流，电容允许的最低电压用Umin表示，通常取值为50%的电容最高允许电压。

而Uw则为燃料电池电动客车超级电容的工作电压。

通过将相关参数代入其中进行计算后可以得知该客车的平均电流为233.6A。

通常情况下，燃料电池电动客车的有机电解质超级电容时间常数取值在1s到3s之间，而在该客车当中通过使用三组并联的BCAP0010型超级电容，在每一组超级电容当中拥有184个超级电容
模块。

在与相关资料进行结合下，可知各超级电容模块的电容和最大额定电流分别为2600F与600A，其额定和峰值电压分别为2.5V与2.8V，并且至少可以循环使用五十万次。

（4）双向DC-DC
采用双向DC-DC的燃料电池电动客车中，一般会在电源总线和超级电容中间位置处安装双向DC-DC，考虑到超级电容在充放电的过程中电压并不会始终保持固定不变，因此为了使其能够匹配动力总线电压，有必要运用双向DC-DC变换器，用于转换超级电容组工作电压，使其成为输出电压，同时负责对超级电容的充放电状态进行实时控制。

根据国家的相关标准要求，在燃料电池电动客车中使用双向DC-DC变换器时，需要严格按照超级电容实际状态对其允许充放电功率的最大值进行统一明确，并对其输出电压范围进行相应约束，以此有效防止出现超级电容过度充放电的情况。

因而在该客车当中，最终选择使用功率最大值为80kW的双向DC-DC变换器。

2 燃料电池电动客车性能仿真分析
为了能够有效检验和说明燃料电池电动客车的实际性能，本文通过采用仿真实验的方式，利用Advisor和Matlab/simulink两款仿真软件构建燃料电池电动客车的整车仿真模型，并引入双向DC-DC变换器对其燃料电池模型进行调整和完善。

以此有效保障后续仿真实验的顺利进行，使得获得的仿真结果更加具有精准性和有效性。

（1）模型建立
1）燃料电池模型
基于能量管理策略下构建燃料电池电动客车的燃料电池模型，可以立足具体动力总线功率请求，对燃料电池实际输出功率进行有效明确，并对车辆在正常行使状态下需要的全部氢消耗量进行精准计算。

在此过程中可以运用电荷平衡法即利用公式QH2=1.05×10-8Ps/Uc进行计算。

在这一公式当中，单位时间消耗的氢量用QH2进行表示，Ps和Uc则分别代表着电堆功率以及单片燃料电池的工作电压。

2）双向DC-DC变换器模型
通过相关研究文献可知，双向DC-DC变换器拥有多种不同的工作模式，而从燃料电池电动客车控制策略的角度出发，其主要拥有超级电容组同燃料电池相互结合的工作模式，以及单纯使用燃料电池和使用超级电容组充电的工作模式。

其中在超级电容组和燃料电池相互配合使用的工作模式中，在总线电压不超过350V的情况下，当燃料电池输出功率越发增加下，双向DC-DC为放电状态，此时利用该变换器超级电容组将输出功率传输至总线处，在总线电压持续下降的过程中，超级电容输出功率也将进行相应调整。

而在单纯使用燃料电池的工作模式中，一旦总线电压超过350V，此时双向DC-DC将自动停止输出功率，并且在总线电压超过360V时自动关断，使得燃料电池电动客车的动力系统完全进入到纯燃料电池驱动模式。

在最
后一种工作模式中，如果总线电压超过380V，此时车辆需要较小的行驶需求功率，双向DC-DC在自动启动下会向超级电容组充电，并且根据其具体端电压适当调整充电电流。

如果超级电容组端电压超过400V，双向DC-DC将自动减小充电电流。

一旦端电压超过430V，双向DC-DC将自动关断，彻底停止向超级电容组充电。

（2）仿真结果
通过利用仿真软件对本文构建的燃料电池电动客车模型进行仿真实验，根据实验结果显示，其最高车速达到了83.5km/h，而0到50km/h的加速时间则为17s。

依照相关设计要求，燃料电池电动客车的最高车速应当为每小时80km，0到50km/h的加速时间不得超过25s，因此总体来看，该动力系统的各项动力性能指标均满足设计要求，因此也证明客车具有良好的动力性能。

为了有效检验客车的燃料经济性能，在对其进行仿真实验的过程中，通过设定三种不同的工况，包括客车以每小时50km的速度匀速行驶以及我国城市公交车经常面临的其他行驶工况等。

根据仿真结果显示，在客车以每小时50km匀速行驶的工况下，其氢燃料经济性为
5.3kg/100km，折算柴油燃料经济性不足18L/100km，在美国CBDBUS工况下，客车氢燃料经济性为9.92kg/100km，折算柴油燃料经济性大约为33L/100km。

虽然运行工况不尽相同，但整体来看燃料电池电动客车在搭配使用燃料电池和超级电容作为动力系统下，仍然具有相对明显的燃料经济性。

但在实际运行过程中，考虑到客车常常面临着急加速的情况，因而容易使得燃料电池长时间在大功率区域中工作，单片燃料电池电压无法有效升高，进而在单位时间内可能会产生较大的氢消耗量。

3 结束语
通过对燃料电池电动客车的参数匹配和性能仿真进行研究，证明该客车在使用燃料电池和超级电容作为动力系统下，能够具备良好的动力性能以及燃料经济性，并且考虑超级电容本身拥有使用周期较长等一系列优势特点，因此将其作为客车动力系统结构的一部分，也有助提高客车自身的使用性能、延长其使用寿命，对于控制运行成本同样也具有积极意义。

【参考文献】
[1]仇斌，陈全世，黄勇.采用超级电容的燃料电池城市客车参数匹配和性能仿真[J].汽车工程，2007（01）：41-45.。