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燃料电池城市客车动力系统匹配与仿真研究术

发布时间:2021-01-11 07:27内容来源:网络整理 点击:

李惠林,周凯,何锋,颜廷坤

(贵州大学机械工程学院,贵州贵阳550025)

  摘要:以某款城市客车为参考,开发燃料电池城市客车,依据整车性能设计指标,对燃料电池城市客车驱动电机、燃料电池系统及蓄电池组进行选择、计算与匹配。利用ADVIsOR搭建燃料电池城市客车模型、建立中国典型城市道路循环工况,对整车动力性、纯电动驱动模式下经济性和动力系统各部件性能进行仿真,结果表明,所选动力系统各部件能够满足整车功率需求,整车动力性能良好,蓄电池组soc在理想区间变化,纯电动模式下的续驶里程满足设计要求。

  0引言

  燃料电池汽车已被世界汽车业看作是未来新能源汽车发展的重要方向之一[1]。文献[2]通过制定适用于燃料电池汽车建模与动态控制设计流程,开发一种随机动态规划算法,将其应用于燃料电池汽车的能量管理,从而实现经济优化,同时保持了良好的驾驶性能。文献[3]利用MATLAB/simulink建立了燃料电池混合动力系统仿真车辆模型,并与使用混合控制单元实现逻辑阈值方法的功率控制策略并行,其具有在较低燃料消耗水平的同时实现所请求驱动功率的能力。文献[4]对燃料电池轿车动力系统匹配方法进行研究,提出选择能量源的方法;文献[5]针对纯电动汽车续驶里程短的问题,结合燃料电池与蓄电池的优点,对燃料电池+蓄电池增程式动力系统结构进行分析,提出根据能量管理策略和续驶里程要求确定燃料电池功率,再根据行驶习惯进行修正的动力系统匹配方法。

  本文燃料电池城市客车采用燃料电池系统为主动力源,蓄电池组为辅助动力源的混合动力系统结构形式。依据燃料电池城市客车整车性能设计指标,分别对驱动电机、燃料电池、蓄电池组各部件进行了参数计算、匹配,利用ADVIsOR搭建燃料电池城市客车模型,对所建立的中国典型城市道路循环工况、整车动力性能、纯电动驱动模式下的续驶里程进行仿真,验证所设计燃料电池城市客车动力性、纯电动驱动模式下经济性以及动力系统部件合理性。

  1燃料电池城市客车整车结构及参数

  燃料电池+蓄电池混合动力系统结构如图1。

  通常由燃料电池系统提供车辆行驶所需动力,燃料电池系统和蓄电池组则在车辆爬坡、急加速等工况时共同提供所需动力,另外根据车辆行驶工况需求,有时车辆仅在纯电动模式下行驶,可以有效避免单一燃料电池作为车辆动力系统能量源时所造成的车辆性能不足,从而提升车辆经济性。针对动力系统各部件相关参数计算,合理地匹配出燃料电池输出功率与蓄电池组输出功率,满足车辆行驶需要的功率稳态分量(匀速行驶状态)和动态分量(如起步、加速状态),保证车辆的动力性[6]。

  燃料电池城市客车结构参数如表1,其整车性能设计指标如表2。

  2动力系统各部件参数确定

  2.1驱动电机参数计算

  2.2燃料电池参数计算

  2.3蓄电池参数确定

  考虑燃料电池城市客车实际运行时,电器附件耗电量约占整车耗电量15%左右以及蓄电池内阻损耗,最终确定蓄电池组容量C=360 A·h。

  通过对比各种蓄电池性能参数,可知磷酸铁锂电池工作温度范围广、充放电电荷大,较适合用作燃料电池城市客车动力电池组,其主要性能参数如表3。

  3基于ADVISOR仿真结果

  ADVISOR是美国可再生能源实验室NREL在MATLAB和sIMuLINK软件环境下开发的高级车辆仿真软件,可以通过参数输入实现燃料电池城市客车仿真测试[9-10]。

  ADVISOR仿真后的主要输出结果包括各部件变量输出结果、整车燃油消耗结果、整车排放性能结果及加速与爬坡试验结果等。

  3.1车速跟随结果

  图2所示为车速跟随结果曲线,曲线cyc_kph_r和曲线kpha分别代表燃料电池城市客车在中国典型城市道路循环工况下的需求车速和实际车速,由图2可知,实际车速与循环工况需求车速相等。

  3.2蓄电池SOC结果

  蓄电池组SOC状态如图3所示。蓄电池组初始SOC=0.7,蓄电池组SOC上限值cs_lo_soc=0.8及下限值cs_hi_soc=0.4。

  由图3可知,在选择仿真的中国典型城市道路循环工况中,蓄电池组sOC始终保持在0.69~0.72之间。

  3.3动力系统部件输出功率结果

  图4所示为燃料电池城市客车行驶过程中,燃料电池实际输出功率、蓄电池组实际输出功率以及驱动电机实际输入功率变化曲线。燃料电池城市客车刚起步时,完全由蓄电池组输出功率;随着车速的提高,燃料电池城市客车正常行驶所需功率由燃料电池系统提供;当燃料电池城市客车处于爬坡或急加速工况时,燃料电池系统无法提供驱动电机所需峰值功率,蓄电池组作为辅助动力源和燃料电池系统一起提供驱动电机所需功率。

  3.4动力性能仿真结果

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