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轴集成电机驱动的燃料电池/电池混合动力客车的开发与性能分析
摘要
本文介绍了一个研究项目的结果，该项目旨在开发和评估用于城市公共交通的燃料电池汽车的可行性，并研究将其商业化的方法。考虑到低地板客车设计和动力传动系统的高效性，所提出的燃料电池/电池混合动力客车的一个显著特点是在后轴集成了两个近轮永磁同步电机（pmsms）的电驱动桥。作为汽车动力总成的重要组成部分，电驱动桥被用来驱动汽车，捕捉制动能量，并与差速器所需的转速相匹配。详细介绍了燃料电池/电池混合动力客车动力总成的结构和参数。为了延长燃料电池堆的使用寿命，根据能量管理策略，通过直流-直流转换器控制燃料电池堆输出功率的逐渐变化。基于选定的行驶循环进行了能量分析，研究了该动力系统的效率，结果表明，该动力系统的氢耗为13.29km/kg。道路试验结果表明，该客车的牵引性能和操纵性能均达到了设计要求。
关键词：质子交换膜燃料电池；燃料电池/电池城市巴士；混合动力电子驱动桥；近轮电机
1.介绍
环境污染和有限的化石燃料储备已导致人们对替代车辆推进系统的兴趣增加。燃料电池作为绿色发电最有前途的候选产品之一，受到了汽车制造商和研究人员的广泛关注。尤其是质子交换膜燃料电池（PEMFC）技术由于其固有的无排放、高效率、高比功率、高比能量、低噪声等优点，被认为是最有可能实现商业化的发电源之一[1]。为了使质子交换膜燃料电池具有商业可行性，必须提高系统的寿命和可靠性，同时降低成本。混合能源成为一个可行的解决方案，与较小的燃料电池系统和高能量储存设备，如锂离子电池[2-3]。城市公交车非常适合展示燃料电池在交通中的应用，大多数燃料电池公交车采用混合动力系统[4]。
根据我国城市客车的现状和发展趋势，低地板客车因其无障碍性和舒适性而越来越受到人们的青睐。低地板客车普遍需要降低后桥，这给动力总成部件尤其是集中驱动电机的布置带来了较大困难。梅赛德斯-奔驰-西塔罗混合动力燃料电池客车为本期提供了宝贵的经验和参考[5]。
21世纪初，清华大学汽车安全与能源国家重点实验室（ASE，THU）开发了十多种燃料电池客车原型，用于验证中国城市公共交通用燃料电池汽车的技术可行性和商业可行性。ASE的研究小组专注于动力系统配置[6-9]和能源管理策略[10-13]，并期望找到一些最有可能用于车辆的燃料电池混合动力系统类型。在这十年里制造的所有原型车都不是低地板巴士，一般采用一个集中驱动马达来推进。
由中国中央和地方政府资助的燃料电池客车动力总成项目于2011年启动，鼓励研究人员开发新一代低地板混合动力燃料电池/电池客车平台，如图1.1所示。该车效率高、成本低、寿命长。该车还展示了创新的电驱动技术，例如一个电驱动车轴，其中包括两个近轮永磁同步电机（PMSMs），集成在后轴上，带有固定减速齿轮箱。与大多数使用中的燃料电池公交车的集中驾驶相比，电驱动桥的优点是通过优化质量分布来提高驾驶性能，并允许以显著的高精度对每个车轮进行独立的扭矩控制[14]。此外，它还可以为低地板公交车释放空间[15]。
本文重点描述了基于PEM燃料电池系统、锂离子电池、直流-直流变换器和轴集成PMSMs驱动系统的平台动力系统。介绍了该平台的能量管理策略，测试结果表明该混合燃料电池总线性能良好。
图1.1平台视图
2.车辆和混合动力系统描述
2.1车辆描述
表1.1
拟定总线的设计规范见表1.1。采用低地板底盘，很难用一台大功率电动机驱动公交车。因此，该平台客车采用了两个近轮永磁同步电机，它们都通过一个减速比为13.92的固定减速箱集成在后桥上。根据设计规范和实际行驶周期，计算和设计部件规范。此外，在考虑燃油经济性和成本时，部件尺寸与动力总成的能量管理策略密切相关[16]。
2.2混合动力系统的一般配置
图2.1示出了平台上的动力总成布置和拟议的混合燃料电池/电池动力总成的布置。该平台的动力系统由电力驱动系统、燃料电池组（FCS）、锂离子电池组、直流-直流转换器和动力系统控制系统组成。FCS和直流-直流转换器位于总线的后部。蓄电池系统分为一系列四组，在车身两侧有成对排列。燃料电池附件、空调和氢罐从后到前安装在车辆顶部。平台的动力总成结构与串联式混合动力汽车相似。如图2.1所示，每台电动机通过减速箱连接到轮毂。电池组包括四个串联的单元。FCS通过直流-直流转换器连接到电池组，两个电源为电力驱动系统提供电力，电力驱动系统由一个逆变器和两个PMSM组成。由于燃料电池电压范围根据负载或操作条件而变化很大，燃料电池的辅助部件，例如空气压缩机、冷却子系统等由电池供电，以提高燃料电池系统的可靠性。顺序地，动力系统的其它辅助部件，例如泵、24V系统等也直接连接到电池输出端子。电池组的输出端称为高压直流母线。
电池可以通过电机回收制动能量。对于这种混合动力系统，燃料电池系统用于扩展车辆的行驶范围，所需的峰值功率由电池管理，这使得燃料电池系统的尺寸和成本大大降低。混合动力系统中的每个部件都可以通过CAN总线与其他部件通信或交换数据。
图2.1平台动力总成布置图（a）和布置图（b）
表2.1
2.3质子交换膜燃料电池系统
图2.2燃料电池系统的效率
本项目选用的燃料电池系统为日出电力公司生产的PEM燃料电池产品，平台用PEM燃料电池系统规格见表2.1。为了研究燃料电池系统的特性，首先对其进行了测试，然后将其集成到动力系统和车辆中。图2.2示出了作为燃料电池系统的输出功率的函数的输出电压和效率。这里，燃料电池系统的输出功率等于堆叠输出功率减去辅助部件（主要是空气压缩机功率）消耗的功率。
2.4储氢系统
在客车车顶安装了8个由CTIC制造的相同碳纤维氢罐。这些容器的标称储存压力为35兆帕，总容量为140升，所需行驶里程为300公里。
2.5电池组
平台动力系统选用LiMn2O4锂离子电池。电池组由MGL生产的96块电池组成。表2.2列出了平台电池组的规格，该电池组既为“未来作战系统”提供启动电源，也为驱动系统提供主峰功率。
表2.2
2.6 DC/DC转换器
使用Buck 直流-直流转换器将FCS连接到ofdc总线。该变换器作为电力电子接口，可以控制现场总线的输出功率。由于FCS的电压范围比电池的电压范围大，所以采用了非隔离buck变换器。转换器的方案如图2.3所示。利用输入电容C1和输出电容C2来减小变换器的FCS电流纹波和输出电流纹波。
图2.2 DC/DC变换器方案
根据电流与功率的关系，FCS的输出功率主要由Buck变换器的输入电流控制。根据能量管理策略和车辆所需功率，利用PWM信号驱动直流-直流变换器中的IGBT器件，根据燃料电池系统的目标功率控制实际输出功率。燃料电池系统的目标功率应通过坡度限制来减缓燃料电池系统的功率变化。
3.电子驱动桥和电子驱动系统
选择图3.1所示的E驱动桥作为平台。E驱动桥使得在低地板总线上具有高效率动力系统、灵活的车辆动态控制和更多的后部空间成为可能。由于这些优点，平台采用两个永磁同步电机作为近轮电机集成在后桥上。PMSM的规格见表3.1。在永磁同步电机和车轮之间安装一个固定的减速齿轮箱，以增加驱动车辆的扭矩。
表3.1
图3.1电驱动桥平台
由于该平台有两个独立的后轮驱动和两个永磁同步电机，因此需要采用电子差速技术来提高车辆的动态性能。这样，两个永磁同步电机可以在不同的速度或扭矩下运行，这取决于道路条件和驾驶员的意图。有了这样一个电力驱动系统，每个单独的永磁同步电动机可以单独控制自己的三相逆变器。然而，为了安全可靠，两个永磁同步电动机仅用一个六相逆变器进行实时协调控制。该逆变器采用基于TMS320F28335单片机的磁场定向控制（FOC）技术。图3.2示出了所提出的逆变器的组件和控制系统结构。
图3.2提出的电子驱动桥逆变器及控制系统结构
4.动力总成控制系统
基于32位PowerPC MPC5644A系统，车辆动力传动系统控制系统用于管理动力传动系统内的能量或功率流。MPC5644A通过CAN总线与前面提到的其他动力总成部件交换数据或信息，从AD模块获取加速踏板和制动踏板的位置，并通过数字1/O模块获取报警和故障信号。
5.能源管理战略
采用能量管理策略在平台动力系统的电源和负载之间分配电力。能源管理策略的基本目的是提高燃油经济性，在长时间运行期间保持电池的荷电状态（SOC），并在保持良好牵引性能的同时提高燃料电池系统的寿命[17]。
由于燃料电池系统的峰值功率远小于车辆所需的功率，因此平台可以看作是一种扩展范围的混合动力客车。根据车辆设计规范和实际行驶周期，上述确定的燃料电池系统功率指标和电池容量保证了在多次城市行驶周期后，电池不需要从外部充电，但这样做，续航里程和燃油经济性有望提高。
在制定能源管理战略之前，需要考虑以下三个关键因素：
a） 频繁的起步-停车操作和可变负载加剧了燃料电池系统的耐久性，因此燃料电池系统应尽可能稳定地运行。
b） 燃料电池系统的相对稳定输出功率应随电池荷电状态和负载的变化而缓慢变化。同时，燃料电池系统的工作范围应尽可能有效。
c） 电池应吸收再生制动能量，在SOC未达到上限时，从燃料电池系统供应车辆所需的任何电力不足。
平台的能量管理策略不同于传统的恒温器控制策略[18]。其主要原因是，减少启动-停止循环的频率可以提高燃料电池系统的寿命[19,20]，并且燃料电池系统在轻负载（如图2.2中从10千瓦到30千瓦）下的效率最高。
该平台的能量管理策略可以在实际实现中使用查找表来实现。在图5.1中，燃料电池系统的目标功率可以基于电池的SOC和车辆所需的功率来获得。利用直流-直流变换器根据燃料电池的目标功率来控制实际输出功率。利用电池来补偿动力总成负载与燃料电池系统负载之间的功率差，从而实现动力分配。
图5.1燃料电池系统的目标功率
6.道路性能分析
在动力总成集成到平台后，进行了一系列的道路试验，以验证车辆的性能。该车在上海附近安亭镇道路上行驶，牵引性能试验按国家标准GB/T 19752-2005[21]执行，油耗试验按GB/T 197542005[22]执行。在路试过程中，在公交车前方进行监控，帮助驾驶员跟踪目标车速。
7.牵引性能
道路测试验证了 PLATFORM 的所有设计规范。图7.1显示了与加速循环对应的测试结果，用于确定满载的总线从静止速度加速到所需速度的能力。从图7.1可以看出，加速度（0-50 km/h）为12.8s。此外，最高时速达到83公里/小时，满载时最大载坡能力达到18%。平台与电子驱动轴的牵引力满足表1.1中的设计要求。由于使用两个近轮 PMSM 来推动平台，图3.2中的驱动系统应为每个驾驶轮提供所需的扭矩，并根据驾驶员的目的和路况允许不同的车轮速度。图7.2显示了两个 PMSM 在不同驾驶条件下的速度曲线，包括直道、不平坦的道路、转弯和在红绿灯处停车，这表明 E 驱动轴能够可靠地运行。
图7.1加速循环
图7.2永磁同步电动机差动控制
8.能量分析
除了牵引性能优势外，采用电子驱动桥作为平台还可以带来油耗效益。根据GB/T 19754-2005《中国典型客车行驶循环》（CTBDC）标准，燃料电池混合动力客车进行了油耗试验，如图8.1所示。CTBDC综合了我国各大城市公交车的城市行驶循环特点，在获得国家认证前已成为公交车性能测试的国家标准。图8.1（a）显示平台的实际速度能够很好地匹配目标速度。在图8.1（b）中，由于坡度限制控制，燃料电池系统的功率在整个行驶循环中变化非常缓慢。电池的SOC变化不大有两个原因，一是电池容量大，短时间的电池功率对SOC影响不大；二是在行驶过程中充放电能量几乎相等。
图8.1基于CTBDC的测试结果（a）速度剖面和距离（b）动力系统中部件和SOC的功率
为了分析动力总成不同部件的效率并了解它们对平台油耗的影响，基于六次CTBDC测试的平均车载测量数据的能量流Sankey图如图8.2所示。在这个图中，电能是由电压和相应电流的乘积的积分定义的，机械能是由速度和相应扭矩的乘积的积分定义的。燃料电池组的输入能量使用较低的氢热值（LHV）作为效率计算的基线（100%）。
图8.2CTBDC的能量流Sankey图
从图8.2可以看出，在行驶循环期间，充电能量和放电能量几乎相等，因此车辆消耗的几乎所有能量都由燃料电池组提供。它可以在图中观察到。9和3基于CTBDC的燃料电池系统的输出功率控制在20kw到40kw之间，这是本文所考虑的燃料电池系统的高效区。该燃料电池混合动力客车的氢耗为13.29km/kg，比文献[13]中最后一代原型车在相同行驶循环下的氢耗高3.53%。
辅助部件消耗16.495%的输入氢能量。在这些部件中，燃料电池系统部件消耗电能的4023千焦，而其他辅助设备消耗4812.1千焦的电能。在测试过程中，空调系统是客车上最大的辅助负载。
平均而言，试验期间总氢输入量的5%从燃料电池中排出。图11显示燃料电池组的平均效率为57.93%，这表明燃料电池组在行驶循环中表现良好。通过直流-直流变换器的能量流导致总氢输入损失的1.64%。剩余的能量为电池提供逆变器、辅助设备和其他负载。
在5.89公里的CTBDC测试中，电力驱动系统（逆变器和PMSMs）需要4879.3 KJ/km的电能，可由燃料电池组和电池提供。大约9.03%的这种能量
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