CN112606709A - 一种燃料电池汽车电电混合动力系统参数匹配方法 - Google Patents

一种燃料电池汽车电电混合动力系统参数匹配方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种燃料电池汽车电电混合动力系统参数匹配方法，属于燃料电池汽车动力系统领域。该方法包括：确定整车的最大驱动功率PM,MAX和平均驱动功率PM,AVG，整车电附件的需求功率Pe；根据PM,AVG、Pe和当前燃料电池系统的裕量系数确定当前燃料电池系统的额定功率；根据PM,MAX、当前燃料电池系统的额定功率、当前动力电池系统的裕量系数和动力电池系统的充放电倍率确定当前动力电池系统的容量；根据PM,MAX和PM,AVG确定驱动电机的峰值功率和额定功率；调整燃料电池系统的裕量系数和/或动力电池系统的裕量系数，直至驱动电机的峰值功率和额定功率、确定的燃料电池系统的额定功率和动力电池系统的容量满足设计要求。本发明设计出的燃料电池系统和动力电池系统更加合理。

Description

一种燃料电池汽车电电混合动力系统参数匹配方法
技术领域
本发明涉及一种燃料电池汽车电电混合动力系统参数匹配方法，属于燃料电池汽车动力系统技术领域。
背景技术
目前燃料电池汽车一般采用电电混合动力系统作为动力源，常用的电电混合动力系统有以下3种类型：“燃料电池系统+蓄电池组(即动力电池系统)”、“燃料电池系统+超级电容”、“燃料电池系统+蓄电池组+超级电容”。目前进行燃料电池汽车电电混合动力系统的参数匹配时，一般是以“燃料电池系统+动力电池系统”这一类型混合动力系统为研究对象，对其中的几大关键部件(包括燃料电池系统、动力电池系统、驱动电机)进行选型设计，以保证整车的动力性和经济性。
目前市场上的丰田Mirai和现代NEXO燃料电池乘用车，通常配置大功率燃料电池系统和小容量高充放电倍率动力电池系统，使燃料电池系统可以单独满足整车的峰值功率和能量需求。但是，燃料电池客车运行工况相对固定，车速较低，整车的平均功率需求较小，采用大功率的燃料电池系统，导致冗余设计过大，成本高。
目前也有一些专门研究燃料电池汽车动力系统参数匹配的文献，例如：
涂雄在其硕士学位论文《电-电混合燃料电池汽车动力系统设计与优化研究》中，根据车辆行驶所需要的爬坡性能、加速性能和最高车速等要求完成了驱动电机参数的设计与选型；然后，综合考虑驱动电机的功率、逆变器的效率、DC/DC变换器的效率和电附件功率确定了燃料电池的输出功率；最后，通过综合考虑驱动电机的功率、驱动电机的效率和燃料电池的额定功率确定了动力电池的额定功率。
陈智家在其硕士学位论文《燃料电池电动汽车动力系统参数匹配与优化研究》中，定义了混合度的概念，用混合度表征两种动力源(即燃料电池系统和动力电池系统)的功率组合和分配比例，通过计算混合度的取值范围来确定燃料电池电电混合动力系统中燃料电池系统和动力电池系统的参数。其中，混合度H定义为：
Figure BDA0002728687660000011
PBA表示动力电池系统的输出功率，PFCE表示燃料电池发动机的输出功率。首先计算动力源总功率，动力源总功率由汽车的加速性、最高车速、最大爬坡度等性能确定；然后，在动力源总功率确定的前提下，通过确定燃料电池发动机的最小输出功率确定混合度的最大值，通过确定动力电池系统满足汽车平均车速时所需的最小输出功率确定混合度的最小值，从而确定混合度的取值范围，后续结合汽车的动力性和经济性目标进行仿真确定最优的混合度，进而完成燃料电池系统和动力电池系统的选型，最后，根据驱动电机的峰值功率等于动力源总功率完成驱动电机的选型。
综上所述，目前对“燃料电池系统+动力电池系统”这一类型混合动力系统进行参数设计时，驱动电机的参数设计原则大致相同，但在燃料电池系统和动力电池系统的参数设计上存在不同：涂雄通过将逆变器的效率、DC/DC变换器的效率、驱动电机的效率考虑在内，着重考虑了燃料电池系统和动力电池系统向外输送能量时的损耗；陈智家通过定义混合度的概念，将动力系统的参数优化问题转换为求解最优混合度的问题。由此可见，“燃料电池系统+动力电池系统”这一类型混合动力系统参数设计的关键在于燃料电池系统和动力电池系统的参数设计，设计过程中考虑因素不同、侧重点不同均会影响参数的设计结果。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够满足整车功率需求、同时兼顾燃料电池系统效率和性能衰减、动力电池系统性能衰减的燃料电池汽车电电混合动力系统参数匹配方法。
为实现上述目的，本发明提供了一种燃料电池汽车电电混合动力系统参数匹配方法，该方法包括以下步骤：
(1)根据目标市场车辆的实际运行工况数据，确定整车的最大驱动功率和平均驱动功率，以及整车电附件的需求功率；
(2)从燃料电池系统裕量系数的设定取值范围内随机选取一个系数作为当前燃料电池系统的裕量系数，并根据整车的平均驱动功率、整车电附件的需求功率和当前燃料电池系统的裕量系数确定当前燃料电池系统的额定功率；所述燃料电池系统裕量系数的设定取值范围根据燃料电池系统的效率和性能衰减确定；
(3)从动力电池系统裕量系数的设定取值范围内随机选取一个系数作为当前动力电池系统的裕量系数，并根据整车的最大驱动功率、当前燃料电池系统的额定功率、当前动力电池系统的裕量系数和动力电池系统的充放电倍率确定当前动力电池系统的容量；所述动力电池系统裕量系数的设定取值范围根据动力电池系统的性能衰减确定，所述动力电池系统的充放电倍率根据动力电池的类型和燃料电池汽车电电混合动力系统的设计要求确定；
(4)根据整车的最大驱动功率和整车的平均驱动功率确定驱动电机的峰值功率和额定功率；
(5)判断驱动电机的峰值功率和额定功率、当前燃料电池系统的额定功率和当前动力电池系统的容量是否满足车辆的动力性、经济性设计要求，若不满足，则对燃料电池系统的裕量系数和/或动力电池系统的裕量系数进行调整，并重复步骤(2)至步骤(3)重新确定燃料电池系统的额定功率和动力电池系统的容量，直至驱动电机的峰值功率和额定功率、重新确定的燃料电池系统的额定功率和动力电池系统的容量满足车辆的动力性、经济性设计要求，参数匹配完成。
本发明的有益效果是：首先对目标市场车辆的实际运行工况数据进行分析获得整车的功率需求(即整车的最大驱动功率和平均驱动功率，以及整车电附件的需求功率)，然后通过引入燃料电池系统的裕量系数和动力电池系统的裕量系数，使得对燃料电池系统和动力电池系统进行参数匹配设计时既能满足整车功率需求，同时还能兼顾燃料电池系统效率和性能衰减、动力电池系统性能衰减，适当加大燃料电池系统的额定功率和动力电池系统的容量，对燃料电池系统和动力电池系统的冗余量有了合理的控制，使得设计出的燃料电池系统和动力电池系统更加合理。
进一步地，在上述燃料电池汽车电电混合动力系统参数匹配方法中，所述当前燃料电池系统的额定功率通过公式PFC＝β(PM,AVG+Pe)得到，式中，PFC表示当前燃料电池系统的额定功率，β表示当前燃料电池系统的裕量系数，PM,AVG表示整车的平均驱动功率，Pe表示整车电附件的需求功率。
进一步地，在上述燃料电池汽车电电混合动力系统参数匹配方法中，所述当前动力电池系统的容量通过公式QBAT＝α(PM,MAX-PFC)CBAT得到，式中，α表示当前动力电池系统的裕量系数，PM,MAX表示整车的最大驱动功率，PFC表示当前燃料电池系统的额定功率，CBAT表示动力电池系统的充放电倍率。
进一步地，在上述燃料电池汽车电电混合动力系统参数匹配方法中，所述燃料电池系统裕量系数的设定取值范围为1.2～2.0。
进一步地，在上述燃料电池汽车电电混合动力系统参数匹配方法中，所述动力电池系统裕量系数的设定取值范围为1.2～2.0。
进一步地，在上述燃料电池汽车电电混合动力系统参数匹配方法中，驱动电机的峰值功率≥整车的最大驱动功率，驱动电机的额定功率≥整车的平均驱动功率。
附图说明
图1是本发明方法实施例中的燃料电池汽车电电混合动力系统参数匹配方法流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。
方法实施例：
本实施例的燃料电池汽车电电混合动力系统是指“燃料电池系统+动力电池系统”这一类型的混合动力系统，如图1所示，本实施例的燃料电池汽车电电混合动力系统参数匹配方法(以下简称动力系统参数匹配方法)包括以下步骤：
(1)根据目标市场车辆的实际运行工况数据确定整车的最大驱动功率PM,MAX和平均驱动功率PM,AVG，以及整车电附件的需求功率Pe；
其中，通过在车辆上搭载相关的数据采集设备对目标市场车辆的实际运行工况数据进行采集，实际运行工况包含典型运行状态和极端运行状态，典型运行状态是指：不开空调、春秋季公交工况实际道路正常驾驶，极端运行状态是指：空调及取暖器工作、夏冬季公交工况激烈驾驶；实际运行工况数据包括车速、电机功率、以及电附件功率等。
根据采集的实际运行工况数据，直接记录车辆的车速-时间、电机功率-时间、电附件功率-时间等参数，利用MATLAB等工具软件进行数据处理，计算得到整车的最大驱动功率PM,MAX、平均驱动功率PM,AVG和整车电附件的需求功率Pe。
(2)确定当前燃料电池系统的额定功率PFC；
具体地，从燃料电池系统裕量系数的设定取值范围内随机选取一个系数作为当前燃料电池系统的裕量系数，并根据整车的平均驱动功率、整车电附件的需求功率和当前燃料电池系统的裕量系数确定当前燃料电池系统的额定功率，具体如下式所示：
PFC＝β(PM,AVG+Pe)
式中，PFC表示当前燃料电池系统的额定功率，β表示当前燃料电池系统的裕量系数，PM,AV表示整车的平均驱动功率，Pe表示整车电附件的需求功率。
由当前燃料电池系统的额定功率的计算公式可知，本实施例确定燃料电池系统的额定功率的原则为：燃料电池系统的额定功率需要满足整车平均驱动功率和电附件功率，同时考虑燃料电池系统裕量系数，其中，燃料电池系统裕量系数的设定取值范围根据燃料电池系统全生命周期的性能衰减和高效区运行(即效率)确定，结合实际经验，本实施例中燃料电池系统裕量系数的设定取值范围为1.2～2.0。
(3)确定当前动力电池系统的容量QBAT；
具体地，从动力电池系统裕量系数的设定取值范围内随机选取一个系数作为当前动力电池系统的裕量系数，并根据整车的最大驱动功率、当前燃料电池系统的额定功率、当前动力电池系统的裕量系数和动力电池系统的充放电倍率确定当前动力电池系统的容量，具体如下式所示：
QBAT＝α(PM,MAX-PFC)CBAT。
式中，α表示当前动力电池系统的裕量系数，PM,MAX表示整车的最大驱动功率，PFC表示当前燃料电池系统的额定功率，CBAT表示动力电池系统的充放电倍率。
由动力电池系统的容量的计算公式可知，本实施例确定动力电池系统的容量的原则为：动力电池系统的峰值功率需要满足整车的峰值功率需求，同时考虑动力电池系统的裕量系数和动力电池系统的充放电倍率，其中，动力电池系统裕量系数的设定取值范围根据动力电池系统的性能衰减确定，结合实际经验，本实施例中动力电池系统裕量系数的设定取值范围为1.2～2.0；动力电池系统的充放电倍率根据动力电池的类型和燃料电池汽车电电混合动力系统的设计要求确定。
(4)确定驱动电机的峰值功率P电机峰值和额定功率P电机额定；
本实施例确定驱动电机的峰值功率和额定功率的原则如下：
驱动电机的峰值功率需要覆盖整车的最大驱动功率，驱动电机的额定功率需要覆盖整车的平均驱动功率，具体如下：
P电机峰值≥PM,MAX
P电机额定≥PM,AVG
通过步骤(2)和步骤(3)初步确定了燃料电池系统、动力电池系统的关键参数(即当前燃料电池系统的额定功率、当前动力电池系统的容量)，通过步骤(4)确定了驱动电机的关键参数(即驱动电机的峰值功率和额定功率)。
(5)利用仿真工具对燃料电池汽车电电混合动力系统的整车动力性、经济性等关键参数进行仿真验证，对比整车动力性、经济性设计要求，若初步确定的燃料电池系统、动力电池系统的关键参数和确定的驱动电机的关键参数满足整车动力性、经济性设计要求，则参数匹配计算结束，若不满足要求，则调整裕量系数α和β，重复步骤(2)至步骤(3)重新计算燃料电池系统、动力电池系统的关键参数(即重新计算燃料电池系统的额定功率、动力电池系统的容量)，直至驱动电机的关键参数、重新计算得到的燃料电池系统、动力电池系统的关键参数满足整车动力性、经济性设计要求，参数匹配结束。
其中，仿真工具是基于车辆动力学建立的一套计算车辆基本性能的公式集或者软件工具，通常包含Excel工具、MATLAB SimuLink、Cruise等。整车动力性关键参数主要是最高车速、0-50km/h加速时间、最大爬坡度等，整车经济性关键参数主要是百公里氢耗、等效电耗等。以典型的12米燃料电池公交客车为例，其典型的动力性、经济性设计要求是：最高车速是69km/h(法规限速70km/h)、0-50km/h加速时间≤20s、最大爬坡度≥12％、百公里氢耗≤7kg。实际应用时，整车动力性、经济性的具体设计要求由整车项目立项时根据市场需求确定。当根据燃料电池系统、动力电池系统和驱动电机的关键参数计算得到的整车性能满足整车项目立项时确定的动力性、经济性设计指标，设计裕量适中，属于满足整车动力性、经济性设计要求。
其中，当初步确定的燃料电池系统、动力电池系统的关键参数和确定的驱动电机的关键参数不满足整车动力性、经济性设计要求时，只需要重新计算燃料电池系统的额定功率和动力电池系统的容量，不用重新计算驱动电机的峰值功率和额定功率，原因如下：驱动电机的关键参数主要影响整车的动力性，根据实际运行工况数据取超过最大功率需求的电机型号，一般就可以满足整车需求，此外，市面上电机的型号相对比较固定，典型的12米公交的驱动电机的额定功率是100kW，峰值功率是200kW，基本可以满足绝大部分市场需求，当部分市场需求不能满足时，可以通过提升或下降一个功率等级从已有的驱动电机型号库中选择一个电机型号，比如额定功率80kW、120kW的电机都可以作为一个备选项。
本实施例中，重新计算燃料电池系统的额定功率和动力电池系统的容量时同时调整α和β，作为其他实施方式，重新计算燃料电池系统的额定功率和动力电池系统的容量时还可以先调整α，α调整结束后再调整β，或者先调整β，β调整结束后再调整α，或者仅调整β，不调整α。

Claims (6)

1.一种燃料电池汽车电电混合动力系统参数匹配方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)根据目标市场车辆的实际运行工况数据，确定整车的最大驱动功率和平均驱动功率，以及整车电附件的需求功率；
(2)从燃料电池系统裕量系数的设定取值范围内随机选取一个系数作为当前燃料电池系统的裕量系数，并根据整车的平均驱动功率、整车电附件的需求功率和当前燃料电池系统的裕量系数确定当前燃料电池系统的额定功率；所述燃料电池系统裕量系数的设定取值范围根据燃料电池系统的效率和性能衰减确定；
(3)从动力电池系统裕量系数的设定取值范围内随机选取一个系数作为当前动力电池系统的裕量系数，并根据整车的最大驱动功率、当前燃料电池系统的额定功率、当前动力电池系统的裕量系数和动力电池系统的充放电倍率确定当前动力电池系统的容量；所述动力电池系统裕量系数的设定取值范围根据动力电池系统的性能衰减确定，所述动力电池系统的充放电倍率根据动力电池的类型和燃料电池汽车电电混合动力系统的设计要求确定；
(4)根据整车的最大驱动功率和整车的平均驱动功率确定驱动电机的峰值功率和额定功率；
(5)判断驱动电机的峰值功率和额定功率、当前燃料电池系统的额定功率和当前动力电池系统的容量是否满足车辆的动力性、经济性设计要求，若不满足，则对燃料电池系统的裕量系数和/或动力电池系统的裕量系数进行调整，并重复步骤(2)至步骤(3)重新确定燃料电池系统的额定功率和动力电池系统的容量，直至驱动电机的峰值功率和额定功率、重新确定的燃料电池系统的额定功率和动力电池系统的容量满足车辆的动力性、经济性设计要求，参数匹配完成。
2.根据权利要求1所述的燃料电池汽车电电混合动力系统参数匹配方法，其特征在于，所述当前燃料电池系统的额定功率通过公式PFC＝β(PM,AVG+Pe)得到，式中，PFC表示当前燃料电池系统的额定功率，β表示当前燃料电池系统的裕量系数，PM,AVG表示整车的平均驱动功率，Pe表示整车电附件的需求功率。
3.根据权利要求2所述的燃料电池汽车电电混合动力系统参数匹配方法，其特征在于，所述当前动力电池系统的容量通过公式QBAT＝α(PM,MAX-PFC)CBAT得到，式中，α表示当前动力电池系统的裕量系数，PM,MAX表示整车的最大驱动功率，PFC表示当前燃料电池系统的额定功率，CBAT表示动力电池系统的充放电倍率。
4.根据权利要求1-3任一项所述的燃料电池汽车电电混合动力系统参数匹配方法，其特征在于，所述燃料电池系统裕量系数的设定取值范围为1.2～2.0。
5.根据权利要求1-3任一项所述的燃料电池汽车电电混合动力系统参数匹配方法，其特征在于，所述动力电池系统裕量系数的设定取值范围为1.2～2.0。
6.根据权利要求1所述的燃料电池汽车电电混合动力系统参数匹配方法，其特征在于，驱动电机的峰值功率≥整车的最大驱动功率，驱动电机的额定功率≥整车的平均驱动功率。
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