论文部分内容阅读
[摘 要]在分析燃料电池城市客车动力系统设计需求基础上，本文提出了“功率型”混合动力系统的基本技术方案，满足城市客车在不同工况下的动力驱动要求。
[关键词]燃料电池；城市客车动力系统；基本技术方案
中图分类号：G712 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）46-0304-01
引言：
燃料电池可以利用氢气与氧气发生的电化学反应获得电能，从而对电机运转进行驱动。在城市客车动力系统中采用燃料电池，可以在为客车提供动力的同时，实现氮氧化合物、碳氢化合物等污染物的零排放。但考虑到城市客车运行特点，还要提出合理的燃料电池动力系统基本技术方案满足客车行驶需求。
1燃料电池城市客车动力系统概述
燃料电池城市客车动力系统以纯氢气为燃料，以液体形式进行氢气储存。采用该种燃料电池，可以实现污染物的零排放。从系统驱动技术上来看，相当一部分城市客车将燃料电池当成是单一动力源。结合城市客车运行特点，伴随着客车起动、加速及承载人数的增加，客车对功率的要求将越来越大[1]。采用单一动力源将无法满足要求，因此还要采用混合驱动方式，将燃料电池与辅助动力源结合在一起，利用混合驱动装置提高客车动力系统的效率。从客车的整车布置上来看，实现多电机驱动，也能避免电动机体积、功率过大，避免对相对控制器件提出过高的要求，因此能够实现整车灵活布置。
2燃料电池城市客车动力系统基本技术方案
2.1系统技术指标要求
在制定系统基本技术方案时，还要明确系统的最低技术指标要求。在客车车长12m的条件下，客车尾气排放应当达到超低排放水平，如表1所示，为客车最低技术指标参数。结合基本技术指标参数，可以对客车动力系统的动力性能展开分析。结合国内实际情况，采用混合动力方案，应确保燃料电池系统持续净输出功率不小于50kW。
2.2系统基本设计思路
在设计系统时，考虑到城市客车运行处于非稳态，需要频繁起动、加速和爬坡运行，导致汽车始终处于复杂的动态工况下。在急加速或爬坡等工况条件下，燃料电池系统的动态响应慢，输出特性难以满足车辆行驶要求。采用燃料电池与动力电池混合的设计方案，需要引入动力电池，将电力电子装置与燃料电池并网，达到提供峰值功率的目标，从而使客车在加速或爬坡时的电池输出功率不足问题得到解决。采用该种技术方案，在汽车低速、怠速或减速运行的过程中，驱动功率比燃料电池功率小，可以利用燃料电池进行客车驱动，同时实现富余能量存储。在客车制动时，对存储的制动能量进行吸收，促使系统能量效率得到提高。
2.3系统基本技术方案
从结构设计上来看，混合动力系统由燃料电池、动力电池、电机控制器、直流变换器构成。而采取不同的连接方式，可以得到不同的结构。将动力电池连接直流变换器，然后与燃料电池并联，接入电机控制器，将得到燃料电池直连结构，也称之为“功率型”结构。将燃料电池与直流变换器连接在一起，与动力电池并联，然后接入电机控制器，将得到动力电池直连结构，也称之为“能量型”结构。采用“功率型”结构，燃料电池需要承担较大动态负载，要求选用具有较快响应速度的双向直流变换器，确保电机需求功率能够得到及时满足。采用“能量型”结构，需要对燃料电池输出功率和整车需求进行解耦，将利用动力电池提供动态功率和实现制动能量回收，确保系统能够提供平均稳态功率[2]。相比较而言，“功率型”结构的燃料电池提供功率占整车需求功率比重更大，动力电池只在客车起动、爬坡、加速时进行功率提供，并在制动时完成再生制动能量回收，能够使动力电池容量减小，通过减轻整车重量提高车辆动力性。从缺点上来看，即要完成大功率燃料电池的配备，整车成本稍高。综合考虑城市客车动力系统设计要求，还要采用“功率型”结构，将燃料电池当成是客车主动力源。而动力电池作为辅助动力源，可以通过车载充电机或地面充电柜进行充电。在实际道路工况下，车辆满载的平均驱动功率为28.7kW。在电机驱动效率为0.85的条件下，制动气泵等附件功率为12kW，客车平均需要28.7/0.85+12=45.7kW的功率，可以利用50kW燃料电池提供整车平均功率需求。而为满足客车爬坡等工况的瞬时大功率要求，可以采用额定功率为100kW的动力电池，其峰值功率能够达到160kW。
2.4系统动力性能分析
从系统动力性能上来看，该种结构的城市客车动力系统将获得更高的能量利用效率。利用燃料电池和动力电池构成自动充放電回路，可以在客车爬坡、加速等工况下利用动力电池瞬间完成大电流的输出。而燃料电池的电流响应较小，能够得到一定程度的保护。在客车减速、下坡等条件下，利用燃料电池可以为动力电池自动补充能量。具体对各工况展开分析可以发现，在怠速条件下，燃料电池仅为整车控制系统和辅助系统提供电流，可以维持电压恒定。此时，动力电池通常在充电状态。在整车起动阶段，驱动电机运转，产生较大瞬时电流。而燃料电池输出响应相对慢，动力电池会迅速放电，为整车提供大的加速度，所以依然能够维持燃料电池输出稳定，加强对燃料电池的保护。在客车均速行驶条件下，燃料电池稳定工作，输出电流和电压恒定。而伴随着路面路况的变化，动力电池会进行小电流充放。在客车负载增加和加速运行时，动力电池会迅速放电，承担瞬时加大的电流输出需求，使燃料电池稳定工作。在汽车爬坡期间，动力电池可以满足大电流输出需求，加强对燃料电池的保护[3]。在制动过程中客车负载减少，燃料电池可以通过维持稳定输出为动力电池充电。而电动机制动将导致制动电流的产生，使动力电池得到反充。
结论：
通过研究可以发现，作为新能源汽车，燃料电池城市客车的运行具有频繁加减速、起动和制动的特点，采用单一燃料电池难以满足客车在不同工况条件下功率输出需求。因此还要联合采用动力电池，通过并联利用动力电池为爬坡、加速等运行状态下的客车提供瞬时增大的电流，以维持燃料电池稳定运行，加强电池保护，继而使城市客车动力系统使用寿命得到延长。
参考文献：
[1]李玉鹏，李进，李飞强等.燃料电池城市客车电电混合动力系统研究[J].客车技术与研究，2014，36（06）：21-23+30.
[2]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（01）：17-29.
[3]王立明，谭明生，胡里清等.燃料电池城市客车混合动力测试平台系统设计[J].电源技术，2013，37（03）：381-383.
[关键词]燃料电池；城市客车动力系统；基本技术方案
中图分类号：G712 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）46-0304-01
引言：
燃料电池可以利用氢气与氧气发生的电化学反应获得电能，从而对电机运转进行驱动。在城市客车动力系统中采用燃料电池，可以在为客车提供动力的同时，实现氮氧化合物、碳氢化合物等污染物的零排放。但考虑到城市客车运行特点，还要提出合理的燃料电池动力系统基本技术方案满足客车行驶需求。
1燃料电池城市客车动力系统概述
燃料电池城市客车动力系统以纯氢气为燃料，以液体形式进行氢气储存。采用该种燃料电池，可以实现污染物的零排放。从系统驱动技术上来看，相当一部分城市客车将燃料电池当成是单一动力源。结合城市客车运行特点，伴随着客车起动、加速及承载人数的增加，客车对功率的要求将越来越大[1]。采用单一动力源将无法满足要求，因此还要采用混合驱动方式，将燃料电池与辅助动力源结合在一起，利用混合驱动装置提高客车动力系统的效率。从客车的整车布置上来看，实现多电机驱动，也能避免电动机体积、功率过大，避免对相对控制器件提出过高的要求，因此能够实现整车灵活布置。
2燃料电池城市客车动力系统基本技术方案
2.1系统技术指标要求
在制定系统基本技术方案时，还要明确系统的最低技术指标要求。在客车车长12m的条件下，客车尾气排放应当达到超低排放水平，如表1所示，为客车最低技术指标参数。结合基本技术指标参数，可以对客车动力系统的动力性能展开分析。结合国内实际情况，采用混合动力方案，应确保燃料电池系统持续净输出功率不小于50kW。
2.2系统基本设计思路
在设计系统时，考虑到城市客车运行处于非稳态，需要频繁起动、加速和爬坡运行，导致汽车始终处于复杂的动态工况下。在急加速或爬坡等工况条件下，燃料电池系统的动态响应慢，输出特性难以满足车辆行驶要求。采用燃料电池与动力电池混合的设计方案，需要引入动力电池，将电力电子装置与燃料电池并网，达到提供峰值功率的目标，从而使客车在加速或爬坡时的电池输出功率不足问题得到解决。采用该种技术方案，在汽车低速、怠速或减速运行的过程中，驱动功率比燃料电池功率小，可以利用燃料电池进行客车驱动，同时实现富余能量存储。在客车制动时，对存储的制动能量进行吸收，促使系统能量效率得到提高。
2.3系统基本技术方案
从结构设计上来看，混合动力系统由燃料电池、动力电池、电机控制器、直流变换器构成。而采取不同的连接方式，可以得到不同的结构。将动力电池连接直流变换器，然后与燃料电池并联，接入电机控制器，将得到燃料电池直连结构，也称之为“功率型”结构。将燃料电池与直流变换器连接在一起，与动力电池并联，然后接入电机控制器，将得到动力电池直连结构，也称之为“能量型”结构。采用“功率型”结构，燃料电池需要承担较大动态负载，要求选用具有较快响应速度的双向直流变换器，确保电机需求功率能够得到及时满足。采用“能量型”结构，需要对燃料电池输出功率和整车需求进行解耦，将利用动力电池提供动态功率和实现制动能量回收，确保系统能够提供平均稳态功率[2]。相比较而言，“功率型”结构的燃料电池提供功率占整车需求功率比重更大，动力电池只在客车起动、爬坡、加速时进行功率提供，并在制动时完成再生制动能量回收，能够使动力电池容量减小，通过减轻整车重量提高车辆动力性。从缺点上来看，即要完成大功率燃料电池的配备，整车成本稍高。综合考虑城市客车动力系统设计要求，还要采用“功率型”结构，将燃料电池当成是客车主动力源。而动力电池作为辅助动力源，可以通过车载充电机或地面充电柜进行充电。在实际道路工况下，车辆满载的平均驱动功率为28.7kW。在电机驱动效率为0.85的条件下，制动气泵等附件功率为12kW，客车平均需要28.7/0.85+12=45.7kW的功率，可以利用50kW燃料电池提供整车平均功率需求。而为满足客车爬坡等工况的瞬时大功率要求，可以采用额定功率为100kW的动力电池，其峰值功率能够达到160kW。
2.4系统动力性能分析
从系统动力性能上来看，该种结构的城市客车动力系统将获得更高的能量利用效率。利用燃料电池和动力电池构成自动充放電回路，可以在客车爬坡、加速等工况下利用动力电池瞬间完成大电流的输出。而燃料电池的电流响应较小，能够得到一定程度的保护。在客车减速、下坡等条件下，利用燃料电池可以为动力电池自动补充能量。具体对各工况展开分析可以发现，在怠速条件下，燃料电池仅为整车控制系统和辅助系统提供电流，可以维持电压恒定。此时，动力电池通常在充电状态。在整车起动阶段，驱动电机运转，产生较大瞬时电流。而燃料电池输出响应相对慢，动力电池会迅速放电，为整车提供大的加速度，所以依然能够维持燃料电池输出稳定，加强对燃料电池的保护。在客车均速行驶条件下，燃料电池稳定工作，输出电流和电压恒定。而伴随着路面路况的变化，动力电池会进行小电流充放。在客车负载增加和加速运行时，动力电池会迅速放电，承担瞬时加大的电流输出需求，使燃料电池稳定工作。在汽车爬坡期间，动力电池可以满足大电流输出需求，加强对燃料电池的保护[3]。在制动过程中客车负载减少，燃料电池可以通过维持稳定输出为动力电池充电。而电动机制动将导致制动电流的产生，使动力电池得到反充。
结论：
通过研究可以发现，作为新能源汽车，燃料电池城市客车的运行具有频繁加减速、起动和制动的特点，采用单一燃料电池难以满足客车在不同工况条件下功率输出需求。因此还要联合采用动力电池，通过并联利用动力电池为爬坡、加速等运行状态下的客车提供瞬时增大的电流，以维持燃料电池稳定运行，加强电池保护，继而使城市客车动力系统使用寿命得到延长。
参考文献：
[1]李玉鹏，李进，李飞强等.燃料电池城市客车电电混合动力系统研究[J].客车技术与研究，2014，36（06）：21-23+30.
[2]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（01）：17-29.
[3]王立明，谭明生，胡里清等.燃料电池城市客车混合动力测试平台系统设计[J].电源技术，2013，37（03）：381-383.