淺談氫燃料電池客車動(dòng)力系統(tǒng)開發(fā)范文

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摘要:對(duì)氫燃料客車動(dòng)力系統(tǒng)主要部件和整車控制策略進(jìn)行介紹，基于AVLCRUISE對(duì)氫燃料客車進(jìn)行性能仿真。為氫燃料電池客車設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞:氫燃料電池客車;動(dòng)力系統(tǒng);整車控制;AVLCRUISE

氫燃料汽車具有無污染、續(xù)航里程長、加注燃料時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)，被視為最適合推廣應(yīng)用的新能源汽車［1－2］。近幾年來，氫燃料電池客車逐漸受到國家和企業(yè)的重視，氫燃料電池客車產(chǎn)業(yè)化的春天即將到來［3－5］。

1氫燃料電池系統(tǒng)集成

氫燃料電池客車相對(duì)于純電動(dòng)客車，增加了氫燃料反應(yīng)堆、輔助系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)。

1.1氫氣瓶布置

氫氣是一種無色無味且高度易燃的氣體。氫氣本身無毒，但它可以置換空氣中的氧氣而引起窒息并容易燃燒［6－7］。氫氣具有極強(qiáng)的擴(kuò)散能力，任何泄漏的氫氣將容易被周圍的空氣稀釋，而氫氣泄漏現(xiàn)象不易察覺。鑒于氫氣的特點(diǎn)，氫氣瓶布置在車輛頂部，這樣便于泄漏時(shí)能夠快速擴(kuò)散，并且泄漏的氫氣不會(huì)擴(kuò)散到乘客區(qū)和其他電器集中區(qū)域，同時(shí)還能提升整車的空間利用率。布置在車輛頂部的氫氣瓶還具有防曬防護(hù)罩和良好的通風(fēng)系統(tǒng)。氫瓶組儲(chǔ)氫口設(shè)置氫濃度傳感器，一旦檢測到氫濃度超過限定值就會(huì)立即發(fā)出警報(bào)，關(guān)閉氫氣供給。

1.2氫氣供給系統(tǒng)

氫氣供給系統(tǒng)主要由一個(gè)內(nèi)部氫氣供給比例閥、氫氣循環(huán)泵及其他一系列部件和管路組成，對(duì)進(jìn)入電堆參加反應(yīng)的氫氣壓力和濕度進(jìn)行調(diào)節(jié)。在氫燃料電池系統(tǒng)正常工作時(shí)，要保證電堆內(nèi)部的氫濃度在一個(gè)合適的范圍，電堆內(nèi)部的電磁閥會(huì)周期性開閉，將多余氫氣從氫氣管路中吹掃出去。吹掃出去的氫氣混合物引導(dǎo)至空氣尾排管，利用陰極側(cè)反應(yīng)剩余的空氣對(duì)其進(jìn)行稀釋，使排向大氣的尾氣氫氣濃度控制在安全的閥值內(nèi)。系統(tǒng)運(yùn)行過程中如果由于故障導(dǎo)致氫氣壓力過大，系統(tǒng)內(nèi)部的泄壓閥會(huì)自動(dòng)開啟，降低氫氣濃度，保證氫濃度在正常安全的范圍內(nèi)。

1.3空氣供給系統(tǒng)

氫燃料電池系統(tǒng)對(duì)進(jìn)入系統(tǒng)的空氣質(zhì)量有著嚴(yán)格要求，不僅要保證系統(tǒng)的高效運(yùn)行，更要保證系統(tǒng)的安全［8］。空氣供給系統(tǒng)主要由空壓機(jī)、中冷器、消聲器、增濕器等部件組成，對(duì)進(jìn)入燃料電池電堆的空氣量、空氣壓力和空氣濕度進(jìn)行調(diào)節(jié)。進(jìn)入系統(tǒng)的空氣經(jīng)過空壓機(jī)壓縮后，溫度上升，中冷器對(duì)其進(jìn)行冷卻后進(jìn)入增濕器。增濕器利用電堆反應(yīng)生成水的濕氣與中冷器出口的干燥空氣進(jìn)行熱濕交換，保證系統(tǒng)內(nèi)部的濕度要求。1.4電堆模塊電堆模塊是氫反應(yīng)堆，一般放置在車輛尾部支架上，為了保證減振效果，采用四點(diǎn)懸置設(shè)計(jì)。電堆中的氫氣很容易擴(kuò)散，因此電堆模塊不應(yīng)在封閉或不通風(fēng)的環(huán)境下運(yùn)行。氫燃料電堆反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，所需的散熱系統(tǒng)體積較大，采用電子風(fēng)扇形式，將風(fēng)扇布置在車頂后部，直接將熱量散發(fā)到空氣中，這樣便于溫度控制。

2氫燃料電池客車控制系統(tǒng)

氫燃料電池客車控制系統(tǒng)主要由整車控制系統(tǒng)、儲(chǔ)氫系統(tǒng)、燃料電池系統(tǒng)、輔助控制系統(tǒng)、動(dòng)力電池系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)等組成，各元件通過CAN總線組成一個(gè)分布式控制系統(tǒng)，采用的是并聯(lián)式雙能源形式。燃料電池作為主能源，提供車輛行駛的主要?jiǎng)恿?動(dòng)力電池組是輔助能量源，在汽車行駛中提供瞬時(shí)大扭矩。

2.1氫燃料電池系統(tǒng)

啟停燃料電池系統(tǒng)使用常電和ON擋電信號(hào)的供電方式。常電為燃料電池系統(tǒng)提供低壓電源，ON擋信號(hào)作為喚醒和停止工作信號(hào)。當(dāng)整車上ON擋電，氫燃料系統(tǒng)接收到ON擋信號(hào)，燃料電池系統(tǒng)則從休眠狀態(tài)啟動(dòng)，系統(tǒng)低壓上電，IGN(喚醒信號(hào))達(dá)到ON狀態(tài)，氫燃料系統(tǒng)完成上電狀態(tài)。燃料電池系統(tǒng)的控制系統(tǒng)升壓器(DCF)直接與整車高壓電相連，當(dāng)整車動(dòng)力電池總正總負(fù)連通后，DCF系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行預(yù)充電處理，在自診斷整車無故障的條件下，氫燃料系統(tǒng)進(jìn)入就緒狀態(tài)。當(dāng)整車控制器發(fā)出啟動(dòng)信號(hào)后，氫燃料系統(tǒng)開始啟動(dòng)、運(yùn)行，整個(gè)過程不能出現(xiàn)二級(jí)以上故障。當(dāng)整車控制器發(fā)出停止或者出現(xiàn)重大故障時(shí)，氫燃料系統(tǒng)會(huì)自行關(guān)閉。

2.2氫燃料電池系統(tǒng)能量控制

純電動(dòng)模式下，燃料電池系統(tǒng)不參與工作，整車動(dòng)力由動(dòng)力電池提供，動(dòng)力電池能量通過電機(jī)及控制器到主減速器和差速器分配到車輪，實(shí)現(xiàn)車輛的驅(qū)動(dòng)。能量從電機(jī)返回動(dòng)力電池，實(shí)現(xiàn)能量回收。混動(dòng)模式下，燃料電池系統(tǒng)產(chǎn)生的電能與動(dòng)力電池的電能共同輸送到電機(jī)，電機(jī)產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力再傳遞到車輪，實(shí)現(xiàn)車輛的驅(qū)動(dòng)。能量分別從燃料電池系統(tǒng)和電機(jī)共同返回動(dòng)力電池實(shí)現(xiàn)能量回收。怠速模式下，能量由燃料電池系統(tǒng)發(fā)電通過DCF流入動(dòng)力電池，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力電池的充電。行車充電模式下，能量由燃料電池系統(tǒng)分別流向動(dòng)力電池和電機(jī)及控制器，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)力電池的充電和整車驅(qū)動(dòng)。

3氫燃料電池客車動(dòng)力仿真

AVLCRUISE主要用于車輛的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性以及排放性能仿真，模塊化的建模理念使用戶可以便捷地搭建不同布置結(jié)構(gòu)的車輛模型，復(fù)雜完善的求解器可以確保計(jì)算速度［9］。它可以計(jì)算優(yōu)化車輛的經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性及排放性能等，也可以為應(yīng)力計(jì)算和傳動(dòng)系的振動(dòng)生成載荷譜［10］。

4結(jié)束語

氫燃料電池車是未來新能源車一個(gè)重要領(lǐng)域，本文完成了氫燃料電池客車的開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了樣車的生產(chǎn)。在AVLCRUISE仿真中得到的結(jié)果完全滿足實(shí)際城市客車的日常運(yùn)營，并且在樣車的實(shí)際路試中得到了驗(yàn)證。

參考文獻(xiàn):

［1］問朋朋，黃明宇，倪紅軍，等．燃料電池車發(fā)展概況及展望［J］．電源技術(shù)，2012，36(4):596－598．

［2］胡驊，宋慧．電動(dòng)汽車［M］．北京:人民交通出版社，2012:38－49．

［5］丁舟波．電動(dòng)汽車燃料電池系統(tǒng)性能與優(yōu)化設(shè)計(jì)研究［D］．長沙:湖南大學(xué)，2014．

［6］唐江凌．基于支持向量回歸機(jī)的燃料電池研究［D］．重慶:重慶大學(xué)，2012．

［7］溫延兵．氫燃料電池轎車能源與動(dòng)力系統(tǒng)優(yōu)化匹配及控制策略研究［D］．淄博:山東理工大學(xué)，2016．

［8］汪秋婷，肖鐸，戚偉．燃料電池混合動(dòng)力整車能量管理研究［J］電源技術(shù)，2012，36(10):1459－1462．

［9］張琴．燃料電池汽車動(dòng)力系統(tǒng)能量管理策略研究［D］．武漢:武漢理工大學(xué)，2013．

［10］陳元文．燃料電池汽車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配及控制策略初步研究［J］．工業(yè)，2017(4):192．

作者;魯飛；王少凱；朱鶴；王成堯；王亞峰 單位：安徽安凱汽車股份有限公司