浅谈氢燃料电池客车动力系统开发范文

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摘要:对氢燃料客车动力系统主要部件和整车控制策略进行介绍，基于AVLCRUISE对氢燃料客车进行性能仿真。为氢燃料电池客车设计提供参考。

关键词:氢燃料电池客车;动力系统;整车控制;AVLCRUISE

氢燃料汽车具有无污染、续航里程长、加注燃料时间短等优点，被视为最适合推广应用的新能源汽车［1－2］。近几年来，氢燃料电池客车逐渐受到国家和企业的重视，氢燃料电池客车产业化的春天即将到来［3－5］。

1氢燃料电池系统集成

氢燃料电池客车相对于纯电动客车，增加了氢燃料反应堆、辅助系统以及控制系统。

1.1氢气瓶布置

氢气是一种无色无味且高度易燃的气体。氢气本身无毒，但它可以置换空气中的氧气而引起窒息并容易燃烧［6－7］。氢气具有极强的扩散能力，任何泄漏的氢气将容易被周围的空气稀释，而氢气泄漏现象不易察觉。鉴于氢气的特点，氢气瓶布置在车辆顶部，这样便于泄漏时能够快速扩散，并且泄漏的氢气不会扩散到乘客区和其他电器集中区域，同时还能提升整车的空间利用率。布置在车辆顶部的氢气瓶还具有防晒防护罩和良好的通风系统。氢瓶组储氢口设置氢浓度传感器，一旦检测到氢浓度超过限定值就会立即发出警报，关闭氢气供给。

1.2氢气供给系统

氢气供给系统主要由一个内部氢气供给比例阀、氢气循环泵及其他一系列部件和管路组成，对进入电堆参加反应的氢气压力和湿度进行调节。在氢燃料电池系统正常工作时，要保证电堆内部的氢浓度在一个合适的范围，电堆内部的电磁阀会周期性开闭，将多余氢气从氢气管路中吹扫出去。吹扫出去的氢气混合物引导至空气尾排管，利用阴极侧反应剩余的空气对其进行稀释，使排向大气的尾气氢气浓度控制在安全的阀值内。系统运行过程中如果由于故障导致氢气压力过大，系统内部的泄压阀会自动开启，降低氢气浓度，保证氢浓度在正常安全的范围内。

1.3空气供给系统

氢燃料电池系统对进入系统的空气质量有着严格要求，不仅要保证系统的高效运行，更要保证系统的安全［8］。空气供给系统主要由空压机、中冷器、消声器、增湿器等部件组成，对进入燃料电池电堆的空气量、空气压力和空气湿度进行调节。进入系统的空气经过空压机压缩后，温度上升，中冷器对其进行冷却后进入增湿器。增湿器利用电堆反应生成水的湿气与中冷器出口的干燥空气进行热湿交换，保证系统内部的湿度要求。1.4电堆模块电堆模块是氢反应堆，一般放置在车辆尾部支架上，为了保证减振效果，采用四点悬置设计。电堆中的氢气很容易扩散，因此电堆模块不应在封闭或不通风的环境下运行。氢燃料电堆反应会产生大量的热量，所需的散热系统体积较大，采用电子风扇形式，将风扇布置在车顶后部，直接将热量散发到空气中，这样便于温度控制。

2氢燃料电池客车控制系统

氢燃料电池客车控制系统主要由整车控制系统、储氢系统、燃料电池系统、辅助控制系统、动力电池系统、驱动电机系统等组成，各元件通过CAN总线组成一个分布式控制系统，采用的是并联式双能源形式。燃料电池作为主能源，提供车辆行驶的主要动力;动力电池组是辅助能量源，在汽车行驶中提供瞬时大扭矩。

2.1氢燃料电池系统

启停燃料电池系统使用常电和ON挡电信号的供电方式。常电为燃料电池系统提供低压电源，ON挡信号作为唤醒和停止工作信号。当整车上ON挡电，氢燃料系统接收到ON挡信号，燃料电池系统则从休眠状态启动，系统低压上电，IGN(唤醒信号)达到ON状态，氢燃料系统完成上电状态。燃料电池系统的控制系统升压器(DCF)直接与整车高压电相连，当整车动力电池总正总负连通后，DCF系统会进行预充电处理，在自诊断整车无故障的条件下，氢燃料系统进入就绪状态。当整车控制器发出启动信号后，氢燃料系统开始启动、运行，整个过程不能出现二级以上故障。当整车控制器发出停止或者出现重大故障时，氢燃料系统会自行关闭。

2.2氢燃料电池系统能量控制

纯电动模式下，燃料电池系统不参与工作，整车动力由动力电池提供，动力电池能量通过电机及控制器到主减速器和差速器分配到车轮，实现车辆的驱动。能量从电机返回动力电池，实现能量回收。混动模式下，燃料电池系统产生的电能与动力电池的电能共同输送到电机，电机产生的驱动力再传递到车轮，实现车辆的驱动。能量分别从燃料电池系统和电机共同返回动力电池实现能量回收。怠速模式下，能量由燃料电池系统发电通过DCF流入动力电池，实现动力电池的充电。行车充电模式下，能量由燃料电池系统分别流向动力电池和电机及控制器，从而实现动力电池的充电和整车驱动。

3氢燃料电池客车动力仿真

AVLCRUISE主要用于车辆的动力性、经济性以及排放性能仿真，模块化的建模理念使用户可以便捷地搭建不同布置结构的车辆模型，复杂完善的求解器可以确保计算速度［9］。它可以计算优化车辆的经济性、动力性及排放性能等，也可以为应力计算和传动系的振动生成载荷谱［10］。

4结束语

氢燃料电池车是未来新能源车一个重要领域，本文完成了氢燃料电池客车的开发，实现了样车的生产。在AVLCRUISE仿真中得到的结果完全满足实际城市客车的日常运营，并且在样车的实际路试中得到了验证。

参考文献:

［1］问朋朋，黄明宇，倪红军，等．燃料电池车发展概况及展望［J］．电源技术，2012，36(4):596－598．

［2］胡骅，宋慧．电动汽车［M］．北京:人民交通出版社，2012:38－49．

［5］丁舟波．电动汽车燃料电池系统性能与优化设计研究［D］．长沙:湖南大学，2014．

［6］唐江凌．基于支持向量回归机的燃料电池研究［D］．重庆:重庆大学，2012．

［7］温延兵．氢燃料电池轿车能源与动力系统优化匹配及控制策略研究［D］．淄博:山东理工大学，2016．

［8］汪秋婷，肖铎，戚伟．燃料电池混合动力整车能量管理研究［J］电源技术，2012，36(10):1459－1462．

［9］张琴．燃料电池汽车动力系统能量管理策略研究［D］．武汉:武汉理工大学，2013．

［10］陈元文．燃料电池汽车动力系统参数匹配及控制策略初步研究［J］．工业，2017(4):192．

作者;鲁飞；王少凯；朱鹤；王成尧；王亚峰 单位：安徽安凯汽车股份有限公司