2006年(第28卷)第8期汽车工程AutomotiveEngineering2006(Vo.l28)No.82006163燃料电池汽车动力总成结构配置及参数优化匹配贠海涛,万钢,孙泽昌(同济大学汽车学院,上海 201804)[摘要] 结合燃料电池大客车动力系统的实际开发过程,分3个步骤阐述燃料电池汽车动力总成结构配置和参数匹配的一般方法。
第1步,通过分析燃料电池的特性论证了动力总成结构配置的优化解决方案。
第2步,通过分析不同类型功率部件特性阐述了主要功率部件选型的依据,并且根据设计性能要求进行动力总成主要部件基本参数设计。
第3步,进行燃料电池混合动力总成参数优化匹配的研究。
仿真和实验台测试的结果证明所设计的燃料电池大客车动力总成满足要求。
关键词:燃料电池汽车,动力总成,结构配置,参数匹配AStudyonConfigurationandParametersOptimizationofDrive-trainforFuelCellVehicleYunHaitao,WanGang&SunZechangAutomobileSchool,TongjiUniversity,Shanghai 201804[Abstract] Aimingatthedevelopmentofafuelcellbusdrive-train,ageneralmethodoftheconfigurationandparametersoptimizationofadrive-trainforfuelcellvehicleispresentedwiththreesteps.Firs,taconfiguration schemeofhybriddrive-trainsystemisadoptedbasedontheanalysisonthecharacteristicsoffuelcel;lSecond,ac-cordingtotheperformancerequirementsoffuelcellvehicle,theappropriatetypesofmajorpow ercomponentsareselectedandtheirbasicparametersaredefined;Third,anoptimizingsimulati oniscarriedoutontheparametersofhybridpowersystemoffuelcellbus.Theresultsofsimulatio nandtestsshowthattherequirementsoffuelcellbusareme.tKeywords:Fuelcellvehicle,Drive-train,Configuration,Parametersoptimization系统结构简单等优点,但同时也存在一些问题。
1 前言从能量转换角度看,燃料电池汽车与传统汽车有着本质的区别,这就要求燃料电池汽车动力系统采用全新的结构形式。
文中在深入分析燃料电池动力系统特性的基础上,结合燃料电池大客车动力系统的实际开发过程,系统研究并提出了燃料电池汽车动力总成结构设计及参数匹配的一般方法。
(1)输出特性偏软图1是某40kW燃料电池堆的输出特性曲线,可以看出燃料电池的输出特性偏软,作为车用电源,无法满足负载频繁剧烈的变W燃料电池化,因此必须在电机控制图1 某40k器和燃料电池之间增加必要的功率部件进行阻抗匹堆的输出特性曲线2 结构配置燃料电池作为车用电源有效率高、污染小、传动配。
实践证明,采用直流变换器DC/DC,可以很好[1]地起到阻抗匹配的作用,燃料电池和DC/DC合并作为车用动力电源。
79# 730#汽车工程2006年(第28卷)第8期(2)启动时间长、动态响应差、功率密度低、成本高、无法吸收回馈能量采用矢量控制的车用驱动电机可方便地实现四象限运行,使制动能量的回收成为可能。
而燃料电池无法吸收回馈能量。
另外用燃料电池作为单一电源,还存在两个问题,一是其启动时间长,动态响应速度较慢,无法满足车辆运行过程中负载的快速变化需求,二是燃料电池功率密度较低、成本高,若仅以燃料电池满足峰值功率需求,势必会造成整备质量和成本的增加。
在燃料电池发动机(FCE)和电机控制器之间增加峰值功率系统(PPS),不仅可以吸收回馈能量、降低成本,而且可以弥补FCE启动时间长、动态响应差的缺点。
采用这种结构的动力系统称为燃料电池混合动力系统,其结构如图2所示。
广泛应用。
开关磁阻电机应用较少。
由于大客车的功率需求较大,导致电机功率和体积增加,对控制器件要求提高,并且不利于整车布置,因此适宜采用多电机驱动的方案。
可采用两种结构:一种是多电机输出转矩耦合;另一种是采用轮毂电机技术,后者控制较为复杂[2]。
31112 电机性能参数确定3111211 理想车用电机的转矩理想车用电机的特性可以用图3表示[3]。
转折转速nb以下以Tmax恒转矩运行,以上以Wb恒功率运行。
采用先进的矢量控制方法的高速电机输出特性与车辆行驶时车速范围宽、低速转图3 理想的车用电机转矩大要求相一致[4]。
矩根据上述分析,需要确定的电机性能参数包括:最大功率、最高转速、最大转矩、转折转速等。
下面通过分析车辆在不同工况下的受力情况和能量转换设计电机参数。
图2 燃料电池混合动力系统结构示意图3111212 车辆的纵向动力学平衡方程车辆行驶时纵向动力学受力平衡方程式为Ft=Ff+Fw+Fi+Fj(1)式中各项分别为作用到车轮上的驱动力、地面滚动阻力、空气摩擦阻力、坡度阻力和加速阻力。
展开为CDAvTtGTig5dv=mgf++mgi+Em(2)2111518dtr式中Tt为电机输出转矩;GT为电机输出轴至车轮之间的传动效率;r为轮半径;ig为传动比;m为整车质量;f为地面滚动阻力系数;CD为空气阻力系数;A为车辆迎风面积;v为车速;i为路面坡度;E为车辆旋转质量转换系数。
3111213 电机性能参数确定(1)最高转速nmax根据最高设计车速,初定传动比ig,即可确定电机最高转速。
增大电机最高转速有利于降低其体积、减小质量,但会使传动比增大,从而加大传动系统的体积、质量和传动损耗。
应综合考虑多方因素。
由于电机转速较高,因此传动比一般取值较大,为8~15。
初选ig=12,得nmax\4642r/min。
(2)最高转矩Tmax、最大功率Pmax和额定转速nbTmax综上所述,采用混合动力方式可以很好解决燃料电池作为车用电源存在的不足,文中所研究的燃料电池客车即采用了这种结构形式。
3 动力部件选型和基本参数设计燃料电池大客车的主要相关数据如表1所示。
表1 整车参数和设计性能要求最高车速(峰值)/km#h-1最高车速(持续)/km#h-1最大爬坡度/%0~50km/h加速时间/s轮胎半径/mm70631530480轮胎滚动阻力系数空气阻力系数迎风面积/m2整备质量/kg满载质量/kg01016016581751200016000311 电机31111 电机选型目前,可用作车用驱动电机的有直流电机、交流感应电机、永磁同步电机、直流无刷电机、开关磁阻电机等。
交流异步电机由于结构简单、坚固,且控制性能好,被欧国家和美国广泛采用。
永磁同步电机2006(Vo.l28)No.8贠海涛,等:燃料电池汽车动力总成结构配置及参数优化匹配# 731#转矩,并且最大转矩工作的转速范围为0~最大爬坡转速,由此初定额定转速和最大功率,然后以此校核静止加速时间和最高车速。
由式(2)可得最大转矩mgfcosA++mgsinA21115\@r=1159(N#m)GTig(3)式中A为路面坡度角,若要求最大爬坡车速vp=20km/h,对应转折转速nb=1326r/min。
最大功率为Pmax\Tmax@nb9550=161(kW)Emvdv12960v-CDAv3900r/min时电机实际运行外特性与理想设计外特性基本吻合,高于3900r/min时最大输出功率开始逐渐减小。
另外,由此图可以方便地校核车辆的动力性。
从图4可知电机最高运行转速,从而可以计算最高车速为68km/h,不能满足要求,需要对传动比进行修正。
CDAvp2Tmax(4)校验静止加速时间为tf=GPTvpfvvpGTPmaxmgfvmgiv--vp3600360076140Emvdv129603=1618(s)CDAvmgfvmgiv---3600360076140maxf+(5)式中vf为加速过程的截止车速。
最高车速vmax行驶时所需的功率由式(2)得Pcmax=mgfvmax360076140=8314kW<Pmax+CDAvmax+mgivmax3/GT(6)图4 电机外特性曲线和行驶阻力曲线经过上述分析可以确定电机,对于样车设计试制,在现有方案中比较选取可以节约试制成本,缩短开发时间。
经对比,选择某电机公司提供的双电机解决方案。
其主要参数指标如表2所示。
表2 电机及其控制性能参数电机类型电机形式峰值转矩/N#m额定转速/r#min-1最高转速/r#min-1交流异步电机控制方法空间矢量变频控制10623693336(1)最大传动比传动比应满足车辆最高车速要求。
最高车速时PcW,对应电机转速为4502r/min,有max=8314k2@nmax@P@rig[=1116(7)60@vmax@1000/3600(2)最小传动比传动比还应满足一定车速下的最大爬坡度2CDAvpmgfcosA++mgsinA21115ig\@r=1111(8)GTTmax(3)传动比设计结果由上述计算得传动比应满足:1111[ig[1116,图4(b)所示为ig=1115时电机外特性曲线和阻力曲线,可以看出,最高爬坡度能够达到15%,由电机最高运行转速可以计算最高车速为7017km/h,静加tf双电机转矩耦合输出/kW126020006000/kW峰值效率/%额定电压/V31113 传动比电机确定之后应确定传动比,并以此校核动力性。
图4分别给出电机理想设计、实际运行、实测的外特性曲线以及行驶阻力曲线。
由图可以看出低于# 732#汽车工程2006年(第28卷)第8期312 燃料电池发动机(FCE)31211 燃料电池(FC)选型现在的研究成果表明能作为车用电源的最佳型FC是质子交换膜型燃料电池(PEMFC)31212 FCE参数设计足PFCEGDCF\PmaxrGm+PA=212(kW)(9)[2]述分析选定蓄电池,表3给出了所选蓄电池的主要参数。
表3 蓄电池主要参数类型容量/A#h比能量#/W#h#kg-1比功率*/W#kg-1锂离子电池3080800电压范围/VSOC允许范围/%最大放电功率*/kW最大充电功率*/kW285~35025~75130100。