淺談氫燃料電池客車動力系統開發范文

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摘要:對氫燃料客車動力系統主要部件和整車控制策略進行介紹，基于AVLCRUISE對氫燃料客車進行性能仿真。為氫燃料電池客車設計提供參考。

關鍵詞:氫燃料電池客車;動力系統;整車控制;AVLCRUISE

氫燃料汽車具有無污染、續航里程長、加注燃料時間短等優點，被視為最適合推廣應用的新能源汽車［1－2］。近幾年來，氫燃料電池客車逐漸受到國家和企業的重視，氫燃料電池客車產業化的春天即將到來［3－5］。

1氫燃料電池系統集成

氫燃料電池客車相對于純電動客車，增加了氫燃料反應堆、輔助系統以及控制系統。

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］。氫氣具有極強的擴散能力，任何泄漏的氫氣將容易被周圍的空氣稀釋，而氫氣泄漏現象不易察覺。鑒于氫氣的特點，氫氣瓶布置在車輛頂部，這樣便于泄漏時能夠快速擴散，并且泄漏的氫氣不會擴散到乘客區和其他電器集中區域，同時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罩和良好的通風系統。氫瓶組儲氫口設置氫濃度傳感器，一旦檢測到氫濃度超過限定值就會立即發出警報，關閉氫氣供給。

1.2氫氣供給系統

氫氣供給系統主要由一個內部氫氣供給比例閥、氫氣循環泵及其他一系列部件和管路組成，對進入電堆參加反應的氫氣壓力和濕度進行調節。在氫燃料電池系統正常工作時，要保證電堆內部的氫濃度在一個合適的范圍，電堆內部的電磁閥會周期性開閉，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至空氣尾排管，利用陰極側反應剩余的空氣對其進行稀釋，使排向大氣的尾氣氫氣濃度控制在安全的閥值內。系統運行過程中如果由于故障導致氫氣壓力過大，系統內部的泄壓閥會自動開啟，降低氫氣濃度，保證氫濃度在正常安全的范圍內。

1.3空氣供給系統

氫燃料電池系統對進入系統的空氣質量有著嚴格要求，不僅要保證系統的高效運行，更要保證系統的安全［8］。空氣供給系統主要由空壓機、中冷器、消聲器、增濕器等部件組成，對進入燃料電池電堆的空氣量、空氣壓力和空氣濕度進行調節。進入系統的空氣經過空壓機壓縮后，溫度上升，中冷器對其進行冷卻后進入增濕器。增濕器利用電堆反應生成水的濕氣與中冷器出口的干燥空氣進行熱濕交換，保證系統內部的濕度要求。1.4電堆模塊電堆模塊是氫反應堆，一般放置在車輛尾部支架上，為了保證減振效果，采用四點懸置設計。電堆中的氫氣很容易擴散，因此電堆模塊不應在封閉或不通風的環境下運行。氫燃料電堆反應會產生大量的熱量，所需的散熱系統體積較大，采用電子風扇形式，將風扇布置在車頂后部，直接將熱量散發到空氣中，這樣便于溫度控制。

2氫燃料電池客車控制系統

氫燃料電池客車控制系統主要由整車控制系統、儲氫系統、燃料電池系統、輔助控制系統、動力電池系統、驅動電機系統等組成，各元件通過CAN總線組成一個分布式控制系統，采用的是并聯式雙能源形式。燃料電池作為主能源，提供車輛行駛的主要動力;動力電池組是輔助能量源，在汽車行駛中提供瞬時大扭矩。

2.1氫燃料電池系統

啟停燃料電池系統使用常電和ON擋電信號的供電方式。常電為燃料電池系統提供低壓電源，ON擋信號作為喚醒和停止工作信號。當整車上ON擋電，氫燃料系統接收到ON擋信號，燃料電池系統則從休眠狀態啟動，系統低壓上電，IGN(喚醒信號)達到ON狀態，氫燃料系統完成上電狀態。燃料電池系統的控制系統升壓器(DCF)直接與整車高壓電相連，當整車動力電池總正總負連通后，DCF系統會進行預充電處理，在自診斷整車無故障的條件下，氫燃料系統進入就緒狀態。當整車控制器發出啟動信號后，氫燃料系統開始啟動、運行，整個過程不能出現二級以上故障。當整車控制器發出停止或者出現重大故障時，氫燃料系統會自行關閉。

2.2氫燃料電池系統能量控制

純電動模式下，燃料電池系統不參與工作，整車動力由動力電池提供，動力電池能量通過電機及控制器到主減速器和差速器分配到車輪，實現車輛的驅動。能量從電機返回動力電池，實現能量回收。混動模式下，燃料電池系統產生的電能與動力電池的電能共同輸送到電機，電機產生的驅動力再傳遞到車輪，實現車輛的驅動。能量分別從燃料電池系統和電機共同返回動力電池實現能量回收。怠速模式下，能量由燃料電池系統發電通過DCF流入動力電池，實現動力電池的充電。行車充電模式下，能量由燃料電池系統分別流向動力電池和電機及控制器，從而實現動力電池的充電和整車驅動。

3氫燃料電池客車動力仿真

AVLCRUISE主要用于車輛的動力性、經濟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構的車輛模型，復雜完善的求解器可以確保計算速度［9］。它可以計算優化車輛的經濟性、動力性及排放性能等，也可以為應力計算和傳動系的振動生成載荷譜［10］。

4結束語

氫燃料電池車是未來新能源車一個重要領域，本文完成了氫燃料電池客車的開發，實現了樣車的生產。在AVLCRUISE仿真中得到的結果完全滿足實際城市客車的日常運營，并且在樣車的實際路試中得到了驗證。

參考文獻:

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

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

［5］丁舟波．電動汽車燃料電池系統性能與優化設計研究［D］．長沙:湖南大學，2014．

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

［7］溫延兵．氫燃料電池轎車能源與動力系統優化匹配及控制策略研究［D］．淄博:山東理工大學，2016．

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

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

［10］陳元文．燃料電池汽車動力系統參數匹配及控制策略初步研究［J］．工業，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