本文來自 2018 年 7 月 10 日出版的《 上海汽車 》，作者是上海汽車集團(tuán)股份有限公司前瞻技術(shù)研究部殷婷婷。
引言
燃料電池汽車是以氫能發(fā)電和電機(jī)驅(qū)動(dòng)為動(dòng)力的新能源電動(dòng)汽車，具有零排放、無污染、高效節(jié)能、噪聲極低的突出優(yōu)點(diǎn)。燃料電池轎車是由燃料電池與動(dòng)力蓄電池組成的「電-電」混合動(dòng)力轎車，其中燃料電池為主要?jiǎng)恿υ矗铍姵刈鳛檩o助動(dòng)力源以及能量回收裝置而存在。
1. 燃料電池轎車動(dòng)力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與原理
本文以上汽開發(fā)的某款燃料電池轎車為例簡要介紹燃料電池轎車的工作原理。動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖如圖 1 所示。
圖 1 動(dòng)力系統(tǒng)架構(gòu)圖
燃料電池的輸出功率經(jīng) DC/DC（或稱為 DCF）輸出到高壓母線，這部分能量可以流向電機(jī)，也可以流向蓄電池。DCF 的作用一方面對(duì)燃料電池進(jìn)行升壓，另一方面能夠通過控制燃料電池的輸出功率，起到蓄電池與燃料電池間能量分配的作用。
燃料電池高壓輔助系統(tǒng)掛在母線端，即 DCF 的輸出端。這是因?yàn)槿剂想姵叵到y(tǒng)的輸出電壓較低，并且電壓隨功率增加下降較快，特性較軟。同時(shí)在啟動(dòng)燃料電池前，需要空壓機(jī)先工作起來，這樣將空壓機(jī)放于母線端后，就能通過動(dòng)力電池給空壓機(jī)供電。如果空壓機(jī)放于燃料電池輸出端，則需要雙向 DCF，增加了開發(fā)的技術(shù)難度以及成本。
2. 燃料電池轎車經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)
汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性常用一定運(yùn)行工況下汽車行駛百公里的燃油消耗量或一定燃油量能使汽車行駛的里程來衡量。汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性常用等速行駛百公里燃油消耗量作為一種評(píng)價(jià)指標(biāo)，例如在勻速 60 km/h 或 90 km/h 條件下，汽車以一定載荷（我國標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定轎車為半載、貨車為滿載）在水平良好路面上行駛百公里的燃油消耗量。
但是，等速行駛工況不能全面地反映汽車實(shí)際行駛工況，特別是在市區(qū)行駛中頻繁出現(xiàn)的加速、減速、怠速停車等行駛工況。因此，在對(duì)實(shí)際行駛車輛進(jìn)行跟蹤測(cè)試統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上，各國都制定了一些典型的循環(huán)行駛試驗(yàn)工況來模擬實(shí)際汽車的運(yùn)行狀況，并以百公里燃油消耗量來評(píng)定相應(yīng)行駛工況的燃油經(jīng)濟(jì)性。
圖 2 NEDC 工況
綜上，經(jīng)濟(jì)性是通過車輛的百公里油（能）耗來衡量的。本文中燃料電池轎車的經(jīng)濟(jì)性是指 NEDC 工況下百公里的氫耗量，NEDC 工況如圖 2 所示。
3. 整車能流圖及經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)分解
圖 3 整車能量流
燃料電池轎車的經(jīng)濟(jì)性仿真是在 NEDC 工況下進(jìn)行，在一個(gè) NEDC 工況運(yùn)行結(jié)束時(shí) SOC 的起始狀態(tài)保持平衡。以上汽開發(fā)的某款燃料電池轎車為例，整車 NEDC 工況氫耗為 1.063 kg/100 km，能流圖如圖 3 所示。整車氫耗的優(yōu)化方向包括：降低整車質(zhì)量，提升電機(jī)、DCF、FC 效率，改善整車能量分配策略。
圖 4 不同優(yōu)化措施后的氫耗
不同優(yōu)化措施后的氫耗如圖 4 所示，減重是目前降低能耗和提升動(dòng)力性的主要方向之一，減重 100 kg 氫耗優(yōu)化約 0.03 kg/100 km。車輛的能量需求中效率損耗所占的比例最高，效率損耗是指各個(gè)零部件的效率損耗，包括 FC、DCF、電機(jī)等。
圖 5 整車能量流
考慮提升各零部件的效率和改善整車能量分配策略，最終優(yōu)化狀態(tài)下，整車 NEDC 工況氫耗為 0.907 kg/100 km，能流圖如圖 5 所示。
4. 整車能量管理策略
4.1 燃料電池系統(tǒng)（FCS）輸出功率穩(wěn)定時(shí)間控制
圖 6 FCS 輸出功率穩(wěn)定時(shí)間 5 s 后電池 SOC 和 FCS 功率
FCS 輸出功率穩(wěn)定時(shí)間 5 s 后電池 SOC 和 FCS 功率如圖 6 所示，F(xiàn)CS 效率為 56.79%，DCF效率為 96.23%，電池?fù)p耗為 233 kJ，制動(dòng)回收為 955 kJ，氫耗為 0.919 kg/100 km。
圖 7 FCS 輸出功率穩(wěn)定時(shí)間 20 s 后電池 SOC 和 FCS 功率
FCS 輸出功率穩(wěn)定時(shí)間 20 s 后電池 SOC 和 FCS 功率如圖 7 所示，F(xiàn)CS 效率為 57.39%，DCF 效率為 96.17%，電池?fù)p耗為 327 kJ，制動(dòng)回收為 864 kJ，氫耗為 0.936 kg/100 km。
增長穩(wěn)定時(shí)間雖然使 FCS 效率提升，但是電池充放電幅度增大，損耗增加；同時(shí)在 NEDC 后段，動(dòng)力電池充電能力限制，使得制動(dòng)回收能量減小。
因此，增加穩(wěn)定時(shí)間，耗氫變高。
圖 8 H 狀態(tài) FCS 輸出功率穩(wěn)定時(shí)間 2 s 后電池 SOC 和 FCS 功率
H 狀態(tài) FCS 輸出功率穩(wěn)定時(shí)間 2 s 后電池SOC 和 FCS 功率如圖 8 所示，F(xiàn)CS 啟?？刂剖荢OC＞60% 條件下，F(xiàn)CS idle off；SOC＜40% 條件下，F(xiàn)CS on；FCS Power Required＜FCS idle power 條件下，F(xiàn)CS idle off。FCS 效率為 57.06%，DCF 效率 為 96.17%，電池?fù)p耗為 175 kJ，氫耗為 0.907 kg/100 km。
4.2 FCS 啟?？刂?/strong>
圖 9 G 狀態(tài)電池 SOC 和 FCS 功率
不同優(yōu)化措施下 G 狀態(tài)電池 SOC 和 FCS 功率如圖 9 所示，F(xiàn)CS 控制策略為 SOC＞60% 條件下，F(xiàn)CS idle off；SOC＜40% 條件下，F(xiàn)CS on；圖中可以看出 SOC 在較大范圍變動(dòng)（40% ～ 60%），電池?fù)p耗為 341 kJ，氫耗為 0.927 kg/100 km。
圖 10 H 狀態(tài)電池 SOC 和 FCS 功率
不同優(yōu)化措施下，H 狀態(tài)電池 SOC 和 FCS 功率如圖 10 所示，F(xiàn)CS 控制策略為 SOC＞70% 條件下，F(xiàn)CS idle off；SOC＜60% 條件下，F(xiàn)CS on；FCS Power Required＜FCS idle power 條件下，F(xiàn)CS idle off。
圖中可以看出電池 SOC 在較小范圍變動(dòng)（55% ～ 60%），電池?fù)p耗為 175 kJ，氫耗為 0.907 kg/100 km。電池?fù)p耗之差為 166 kJ，折算到氫耗為 0.023 kg/100 km，約等于 2 種方案整車氫耗之差。
5. 結(jié)語
表 1 指標(biāo)要求
通過上述分析，基本確定整車氫耗的優(yōu)化方向包括：降低整車質(zhì)量、提升零部件效率和改善整車能量分配策略。為滿足 NEDC 工況 0.9 kg/100 km 氫耗，對(duì)整車及各系統(tǒng)要求如表 1 所示。
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