燃料电池物流车动力驱动系统参数匹配

曾昭炜，刘 阳，严 超，梁益铭，武小花

(西华大学汽车与交通学院， 四川 成都 610039)

减少对化石燃料的需求和减少排放对解决全球变暖问题至关重要[1-3]。由于氢燃料的可持续性，以氢为燃料的燃料电池汽车不可避免地比其他传统车辆更具优势，同时燃料电池具有能量效率高等优点，因此用燃料电池取代内燃机有助于能源的可持续发展。基于以上因素，交通运输部门对燃料电池汽车的重视程度正在迅速增加[4-5]。

中国已经具备了开展燃料电池汽车大规模示范运行的基础，而燃料电池物流车对加氢站的依赖度较低；因此，现阶段研发燃料电池物流车不仅能够顺应市场，而且能提高燃料电池汽车的研发水平。

一般来说，燃料电池系统通过化学反应将输入的氢气转化为电能，同时生成水[6-7]，具有高能效和低排放等优点[8-9]。除此之外，燃料电池存在一些缺点，例如其功率密度较低及功率响应较慢、无法对制动能量实现回收[10]。为了减少以上缺点，超级电容器和电池等能量存储系统可与燃料电池一起使用[11-12]，因此燃料电池汽车的动力系统一般采用混合动力驱动。其结构形式可分为“燃料电池+动力电池、燃料电池+超级电容或燃料电池+动力电池+超级电容”[13]。在理论计算和工程分析的基础上，针对燃料电池与超级电容混合为动力源的燃料电池城市客车，文献[14]提出了其动力系统的匹配设计方法。文献[15]结合燃料电池大客车动力总成的设计实例，提出了燃料电池汽车动力总成结构配置和参数优化匹配的一般方法。由此可见，参数匹配是实现燃料电池物流车的优点并且减轻其劣势的最基本要素。 但是，对“燃料电池+动力电池”型结构的燃料电池物流车，少有对动力系统进行匹配的研究。因此，本文针对某燃料电池物流车，结合动力性能要求，完成了动力传动系统的参数匹配。

1 动力系统结构及主要参数

燃料电池物流车的结构如图1所示，控制机构包括燃料电池控制器、电机控制器、整车控制器、电池管理系统、DC / DC转换器等。

燃料电池物流车以燃料电池为主要能源，主DC/DC转换器作为连接燃料电池与直流总线的中间部分，起到升压与稳压的调节作用。当燃料电池的功率不足时，动力电池会提供额外功率。在汽车制动时，驱动电机变成发电机，动力电池将储存回馈的能量。

图1 动力驱动系统结构

燃料电池物流车的整车主要参数如表1所示，整车设计性能指标如表2所示。

2 参数匹配

2.1 电机参数选择

首先对整车需求功率进行分析，通过汽车的需求功率确定电机的主要参数。

表1 整车主要参数

表2 整车设计性能指标

2.1.1 整车需求功率分析

根据文献[16]，汽车功率平衡关系为

(1)

式中：P为车辆需求功率；i为道路坡度；δ为旋转质量换算系数；du/dt为加速度；ua为车速。

最高车速umax对应的车辆需求功率P1为

PCCP管在长距离输水工程中的施工要点与质量控制……………………………………………………… 辛海生（5-139）

(2)

假定爬坡时最低车速ua为20 km/h，最大爬坡度αm对应的车辆需求功率P2为

(3)

根据经验公式[17]，汽车从车速0加速到目标车速um的需求功率P3为

(4)

将整车参数分别代入式(2)—(4)，求得结果如表3所示。

新常态的背景下，电商冲击下的连锁零售企业，在进入寒冬之后，就可以提供贴近百姓生活的便利店。例如：上海联合会就在差别化竞争的过程中，发展便利店，贴近消费者的消费形态，并在此作用下，调整商品的结构，增加服务价值。从目前的形势上看，不少地区已经在便利店有效诞生的前后，实现了有效的延伸与拓展。与此同时，还有不少连锁零售企业开始从服务的基础上，为客户提供更多的车位，提供更加安全与优化的考量。

2．选中棋子进行走子操作，如果已有选中的棋子，则不能选中其他棋子。如果想选择其他棋子，则需点击已选中的棋子，进行取消。

表3 不同整车动力性指标对应的车辆功率需求

基于多层电价响应机制的主动配电网源-网-荷协调方法//徐熙林,宋依群,姚良忠,索瑞鸿,严正//(5):9

驱动电机额定功率Pe必须满足

Pe≥P1

(5)

即Pe≥56.25 kW。

(3) 钢管塔地线挂点位移随地震烈度增大而增大,且从Ⅰ类场地到Ⅳ类场依次增大.钢管塔内最大应力随地震烈度增大而增大,且从Ⅰ类场地到Ⅳ类场依次增大.Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ类场地输电塔内应力最大的单元为塔头处斜材,Ⅳ类场地输电塔内应力最大的单元为中横担上第2节间主材.

2.1.3 电机最大功率

2.1.2 电机额定功率

驱动电机最大功率Pemax必须同时满足整车动力性指标要求，即

Pemax≥max(P1,P2,P3)

(6)

在允许的范围内适当调整各挡的传动比有利于变速器的设计与制造，因此选用一挡传动比ig1=2.59，二挡传动比ig2=1.55，满足式(9)—(10)要求，此时q=1.67，低于最大值，符合标准。

2.1.4 电机最高转速和额定转速

电机以及逆变器的效率取94%，汽车附属设备的功率取 2 kW，变换器的效率取90%。此时燃料电池系统的输出功率值为Pf=68.71 kW。

《数学课程标准》中指出：让学生在观察操作中获得直观的经验，在丰富多彩的探索活动中经历过程与体验。因此，在小数教学中，教师要根据学生所学内容的实际情况，选择适宜学生操作的内容，让学生亲自去经历，去体验，去建构，使学生真正明白数学知识的来龙去脉，提升数学学习效果。

根据选用的电机类型，初步确定电机最高转速nmax=7 000 r/min。同时电机额定转速ne和最高转速nmax应与电机扩大恒功率区系数β(即弱磁扩速能力)有关，一般要求β在3～5之间，才能满足最高行驶车速的要求[18]，具体公式如下：

ne=nmax/β

(7)

考虑到国内车用驱动电机的工艺水平和技术状况，选定ne=2 200 r/min。经校验β=3.18，满足β的范围要求。由此选定电机数据如表4所示。

表4 驱动电机主要性能参数

2.2 传动系参数确定

最大传动比imax主要考虑最大坡道上车辆的行驶阻力和驱动电机的最大输出转矩Tmax，其范围表达式为

i=igi0

(8)

式中：ig为变速器传动比；i0为主减速器传动比。

车辆在最高车速时，电机功率为其额定功率Pe，此时燃料电池应具备独自提供车辆所需功率的能力，并且维持其附属设备的运行，在特定情况下，能为动力电池充电。考虑到系统效率，公式如下：

(9)

与固定速比传动系统相比，电动汽车采用两挡变速后，整车的爬坡能力、加速性能以及运行效率都有明显的改善，同时紧凑的传动系统结构，使换挡过程中电机控制简单、挡位切换平顺[19]，因此本文选择两挡变速器。传动系包括变速器与主减速器，其中主减速器采用现有结构，即i0=6.143。而车辆变速功能需要变速器与主减速器共同配合才能实现，因此传动系总速比i为二者之积：

(10)

式中，Ftmax为汽车的最大驱动力，在坡道上车速通常比较低，空气阻力可以忽略不计，即：

其实，这位学生提出的问题很好，说明他是一个爱动脑筋的好孩子。对此，教师要在鼓励和赞美的同时，通过生活实践，让学生亲身感受三角形的稳定性。如教师可以在课堂上，用一次性筷子给学生做成两个形状，一个是三角形，一个是四边形，然后在每个形状上各绑一个橡皮筋，把两个形状挂在黑板上，让学生在橡皮筋上挂东西，学生把橡皮，铅笔，铅笔盒，书本等物品挂上去之后，发现四边形很快就变了形，而三角形依然非常稳固，通过这样的实践教学，学生不但兴趣盎然，而且感悟也非常深刻。

Ftmax=Ff+Fimax

(11)

(12)

由式(10)—(12)以及所选电机主要参数可确定变速器速比最大和最小值的范围，在此基础上，还需进一步验证变速器挡位数。挡位数多少影响到挡与挡之间的传动比值，比值过大会造成换挡困难，一般认为比值q不宜大于1.7～1.8。因此，如最大传动比与最小传动比之比值越大，挡位数也应越多。

可得Pemax≥76.64 kW。

2.3 动力源匹配

2.3.1 燃料电池的输出功率

这件事上报后，上级克扣了丁主任和甲洛洛两个月的工资。这个惩罚很轻，甲洛洛知道自己罩在丁主任的光里。惩罚归惩罚，更重要的是名声，那可不能就此不了了之啊，小偷这名号，甲洛洛是无论如何都消受不起的，如果落这一恶名，那他大半辈子人生所树起来的光辉形象就会一下全毁了。甲洛洛想到这些，一阵阵寒意从后背袭来，在心口一层层摺叠，他不由走出屋子，坐在门口的木桩上，长长地吐气。

汽车最高车速行驶时，需要以最小传动比imin调节才可实现，该传动比对应变速器的最高挡位，利用相应的电机转速和车速即可求得

(13)

式中：ηDC为DC/DC变换器的效率；ηinv为电机及逆变器的效率；Pacc为附属设备的功率。

电机的最高转速需要合理考虑电机的成本、制造工艺和传动系尺寸。增大电机最高转速，有利于降低其体积、减小质量，但会加大传动系统的体积、质量和传动损耗；因此应该综合考虑多方因素。

1.4.3 提取时间对树舌灵芝多糖提取率的影响。准确称取6份质量相同的5 g灵芝干粉末，按液料比45∶1加入蒸馏水，设置提取时间分别为30、60、90、120、150、180 min，在70 ℃条件下提取3次，根据所测吸光度考察提取时间对树舌灵芝粗多糖得率的影响。

风味的研发带来的是对于消费者味蕾的刺激，而许多食品企业对于其核心技术的升级往往带来品牌竞争力的大幅提升。

考虑到燃料电池的效率，以及动力电池需要有一定的充电功率，选定燃料电池系统额定功率为70 kW。

2.3.2 动力电池组参数的确定

车辆在加速、爬坡和高速行驶等大负荷工况下，车辆需求功率大于燃料电池最大功率时，蓄电池作为辅助动力源，能提供的最大功率由下式可得[20-21]：

(14)

式中，ηq为电池效率，取0.95，由此可得Pb=28.42 kW。

考虑到系统效率以及附属设备的损耗，选定蓄电池最大功率Pb=35 kW。

3 动力性能指标的验证

在假设燃料电池系统和动力电池能够满足整车动力性需求的基础上，充分考虑车辆两挡的动力性差异，对动力性能指标进行验证，包括最高车速、加速时间和爬坡能力。

不同挡位时车辆的驱动力-阻力曲线如图2所示。当车速处于0～20 km/h时，电机处于恒转矩区，此阶段车辆输出的驱动力最大且保持不变。当车速超过20 km/h后，电机处于恒功率区，此时随着车速逐渐上升，车辆能输出的驱动力将逐渐减小。比较不同挡位的驱动力曲线，可知当电机处于恒转矩区，低挡位比高挡位能输出更大的驱动力；处于恒功率区，两挡具有相同变化趋势的驱动力曲线，但高挡位驱动力曲线具有更广的速度区间。因此，起步时低挡位车辆能输出更大驱动力，使其具有更好的加速与爬坡性能，高挡位使汽车具有高速行驶的能力。当车速达到96 km/h时，驱动力与阻力相交，此时即为车辆能达到的最高车速。

经过护理后,观察组患者的骨折愈合时间显著短于对照组(P<0.05);观察组患者的关节功能恢复的优良率为95.6%,对照组的优良率为82.2%,组间差异具有统计学意义(P<0.05),数据详见表1.

氧弹燃烧液闪测量法是目前比较普遍使用的生物样品14C分析方法，尤其是针对环境生物样品。本方法通过氧弹燃烧将干燥的生物样品转化为二氧化碳和水，利用碱性有机试剂吸收生成的二氧化碳，与有机闪烁液混合制备成待测样品，放入液闪谱仪中测量。[1-3]此方法在国际上也有较为普遍的使用，例如加拿大、法国、日本等国。在国内实践应用的基础上，有必要推出关于生物样品14C分析方法的相关标准。我单位承担了此项分析方法国家标准的编写工作。在此之前，已经完成了该方法的企业标准编写并获得发布[4]。

图2 驱动力与阻力曲线

车辆的加速能力如图3所示。车辆0～50 km/h的加速时间为15 s，符合预先设定的标准。随着车辆速度逐渐提升，加速性能逐渐下降，表明车辆若要提升至最高速度，过程会相对缓慢。考虑到所研究车辆为物流车，其作业范围为定点传输，更多属于城市道路工况，因此加速能力能够满足车辆正常作业要求。

图4为车辆爬坡的性能图。当车速小于20 km/h时，车辆能够达到20%的爬坡高度，随后由于电机进入恒功率区，爬坡能力逐渐减弱，但在较高速度时车辆仍具有一定爬坡能力，因此爬坡能力符合预先设定要求。

图3 车辆加速能力

图4 车辆爬坡能力

4 结 论

本文以燃料电池物流车的动力系统为研究对象，以车辆整车动力需求出发，在设计了燃料电池物流车动力系统结构的前提下，分别对电机、变速器、动力源(燃料电池和动力电池系统)的参数匹配方法进行了分析，通过验证得到以下结论：使用文中所用动力驱动系统参数匹配方法，车辆动力性主要指标(爬坡性、加速性、最高车速)满足设计要求。下一阶段可以通过建立整车和各部件的仿真模型，应用系统仿真的方法来细致、精确地评价动力系统的参数匹配效果[22]，使车辆具有更佳的动力性。