影响燃料电池汽车回馈效率的因素分析

张俊林++彭再武++高亚云

摘 要：本文以上海燃气电池汽车动力系统有限公司新一代燃料电池轿车为研究对象，结合车辆的整车指标与动力系统相关参数，在对车辆实际运行数据详细分析的基础上，针对车辆回馈效率问题进行了计算与研究，得出车辆在不同运行工况下的回馈效率值。在上述分析与计算的基础上，较全面的分析了影响燃料电池汽车回馈效率的关键因素。通过对相关影响因素的调整，定性地分析车辆回馈效率的变化趋势，并得到相关结论，基本达到研究的目的。

关键词：燃料电池汽车；动力系统；运行工况；回馈效率

中图分类号：U469.72 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）18-0036-04

1 引言

1.1 燃料电池汽车简介

新能源汽车是区别于传统内燃机车的节能环保车辆。按照燃料的来源可分为五类：（1）基于传统石油燃料的节能环保汽车；（2）基于天然气和石油伴生品的燃气汽车；（3）基于石化燃料化工的替代燃料汽车，如煤制油等；（4）生物燃料汽车，包括燃料乙醇和生物柴油汽车；（5）燃料电池汽车和纯电动汽车。在多样化清洁能源发展中，燃料电池汽车可能成为汽车能源发展的最终方向。燃料电池汽车被认为是零排放、零污染的运输工具。它以电机驱动及变速系统、燃料电池系统以及蓄电池系统构成的动力与传输系统替代了内燃机汽车的发动机和传动装置[1]。其结构简图如图1所示。

与传统内燃机汽车相比，燃料电池汽车不通过热机过程，不受卡诺循环的限制，具有能量转化效率高、环境友好等内燃机汽车不可比拟的优点。

1.2 燃料电池汽车能量回馈原理

燃料电池汽车是以燃料电池发动机为主要动力源的电动车辆。因燃料电池发动机输出特性偏软及动态响应较慢，故目前的燃料电池汽车大都采用高功率动力蓄电池组作为辅助动力源[2]。主要从两方面考虑：第一，从动力性角度，采用辅助电源来弥补燃料电池动态响应不足的缺陷，并用来稳定驱动电机的输入电压，提高动力系统运行稳定性；第二，从经济性的角度，电动机回馈制动产生电能，通过动力蓄电池吸收该部分能量，可以显著提高车辆的经济性。下面将阐述回馈制动的原理，讨论回馈效率的定义以及计算方法，并着重分析影响回馈效率的因素。

理论上，当车辆减速时就可进行能量回馈，再生制动的基本原理如图2所示。t0～t2为功率器件的一个PWM开关周期，功率管导通期间（t0～t1），回路中电流上升，绕组电感储能；功率管关断期间（t1～t2），绕组电感放电，向蓄电池充电，电流下降。

电机回馈制动时PWM斩波方式分为半桥斩波和全桥斩波，以下说明半桥斩波工作方式。半桥调制的回馈制动方式中，逆变器只有处于下桥臂的3个功率管（T2、T4、T6）有PWM开关动作，而上桥臂的3个功率管（T1、T3、T5）总是截止的，T2、T4、T6各导通120°。下面以HALL状态为101时为例，具体说明一个周期内电流的变化过程。此时T4接受PWM信号。当T4导通时，绕组电感储能。这里根据第三相的反电势又分为两个不同状态（ec>0和ec≤0），下面分别对其进行讨论。

图3为ec>0时的系统状态。由于反电势的存在，电机的A、B相通过T4、D6形成续流回路，故电机中点电势v0=0，此时因为00，电机的A、B、C三相形成续流回路，电感储能。由于反电势的存在，无论在储能时的哪个时段，三相电流幅值均会逐渐增大，外界的动能一部分以磁场能的形式储存在绕组电感中，另一部分以热能的形式消耗在电阻上。

当T4关断时，绕组电感放电、蓄电池充电。系统状态如图5所示。由于电感中电流的续流作用，使得电感的感应电势与反电势之和大于蓄电池电压，从而为蓄电池充电。此时ec>eB，二极管D2被反向偏置，所以iC=0。

2 燃料电池汽车回馈效率的计算方法研究

2.1 燃料电池汽车回馈效率定义

在进行车辆回馈效率的分析与计算之前，必须明确回馈效率的具体定义。对于一段确定的运行工况，虽然实际回馈的电能确定、可回收的机械能也确定，但是由于不同的理解方式，得到的结果差别较大。因此，必须首先明确回馈效率计算的几个条件[3]：实际回馈的能量、理论上可回收能量、克服阻力消耗的能量。在此基础上，本文分两种情况进行了分析：

（1）

（2）

其中：EA指实际回馈的能量；ET指理论可回收的能量；EF指克服阻力消耗的能量。

在公式（1）和（2）中，实际回馈的能量是指在实际情况下所能回馈的能量，即当电机电流为负值时产生的能量。

其值可表示为（当I<0时）。其中：I表示电机的电流（A）；U表示电机的电压（V）；表示电机的电流电压对时间的积分，即实际情况下回馈能量值。

在公式（1-2）中，理论上可回收的总能量是车在减速时，即Vn+1

可回收的总能量，其值为。

其中：m表示车重，即质量（kg）；V表示车速（m/s）。

在公式（2）中，克服阻力消耗的能量是指车在克服风阻、滚阻的情况下消耗的能量。其值可表示为。

，表示汽车行驶时的滚动阻力（f表示滚动阻力系数）；

，表示汽车行驶时的空气阻力（Cd表示空气阻力系数；A表示为迎风面积（m2）；V表示车速（m/s））。

2.2 回饋效率算法

由上节阐述内容可知，燃料电池汽车回馈效率可表示为：、。

下面分别介绍上述三种能量的计算方法。利用公式可计算出实际回馈的能量。首先，判断电机的电流I是否小于0，当I小于0时，车辆处于回馈制动状态，此时利用公式算出的能量为实际回馈能量。然后，利用for循环可依次求出各点的回馈能量值。最后，可使用sum命令对各点的回馈能量值进行叠加，最终求出总和。

利用公式可计算出理论上可回收的总能量。首先，判断车辆是否在减速即Vn+1

3 不同运行工况下的回馈效率比较

为了研究燃料电池汽车回馈效率的影响因素，我们以上燃动力新一代燃料电池轿车为研究对象，进行了各种城市工况循环试验并积累了大量实验数据。而且，在2.2节所述回馈效率算法的基础上进行各种工况下车辆回馈效率分析。上燃动力国家863项目燃料电池汽车passat6的性能参数如表1所示。

3.1 中国城市工况回馈效率

中国城市工况下的V-t曲线如图6所示。

在中国城市工况下，电机设定的最大回馈转矩为，通过转毂实验数据进行分析得出中国城市工况回馈效率为：；。

3.2 日本城市工况回馈效率

日本城市工况下的V-t曲线如图7所示。

在日本城市工况下，电机设定的最大回馈转矩为，通过转毂实验数据进行分析得出日本城市工况回馈效率：；。

3.3 欧洲城市工况回馈效率

欧洲城市工况下的V-t曲线如图8所示。

在欧洲城市工况下，电机设定的最大回馈转矩为，通过转毂实验数据进行分析得出欧洲城市工况回馈效率：；。

4 影响回馈效率的因素分析

综合上述理论分析以及实验数据结果不难得出：燃料电池汽车回馈效率受到几方面因素的影响。其中，主要包含下述三个因素：车辆行驶路面、车辆回馈控制策略、驾驶员的驾驶习惯[5]。下面逐一进行介绍：

4.1 行驶路面对回馈效率的影响

在不同路面上，滚动阻力系数变化时，会影响克服阻力消耗的能量，从而对燃料电池轿车的回馈效率产生影响。不同路面的滚动阻力系数f的经验值如表2所示。

因为，车辆克服地面阻力所消耗的能量可表示为，其中，，因此，随着f增大，导致增大，从而增大，车辆回馈效率提高。

4.2 不同控制策略对回馈效率的影响

理论上，假设机械能-电能的转换效率为100%，动力蓄电池的充电效率为100%，即燃料电池汽车电动机主动回馈的机械能全部转换为电能，那么车辆的实际回馈能量EA可用公式（3）表示为： （3）

则由式（3）可知：不同回馈转矩设定值、以及回馈时的车辆速度值直接影响回馈能量。因此，回馈控制策略对回馈效率影响深远。不考虑电机驱动器可承受的反电动势的影响，从（3）直接判断：随着回馈转矩设定值的增大，EA增大，从而使回馈效率增大；随着允许回馈点转速的增大，EA增大，从而使回馈效率增大。

4.3 駕驶习惯对回馈效率的影响

由上述章节可知，不同的驾驶习惯对回馈效率有较大影响。理论上，一旦车辆处在减速的情况下，都可以进行能量回馈。然而，实际情况是：只有当转矩值Tq<0时，车辆处于制动回馈状态，机械能可以转化为电能被动力蓄电池吸收。因此，转矩值的设定影响回馈效率的大小。

以上燃动力研制的燃料电池轿车为例，正常情况下，电动机转矩的大小主要由两个因素决定：加速踏板值、电机转速。具体如图9所示。

因此，在允许回馈的速度范围内，无论在哪一速度点，当加速踏板值为零时，加速转矩Tq设定为最小值，意味着回馈力矩为最大值，在其它影响因素一定的情况下，此时回馈效率也为最大值。因为驾驶习惯的差异，在车辆减速时，不同驾驶员加速踏板处于不同的位置，导致回馈转矩设定值Tq不尽相同。因此，不同的驾驶习惯带来车辆回馈效率各不相同。

5 结语

通过上述计算分析可知，关于车辆的回馈效率问题，仁者见仁、智者见智，不同的计算方法得到的效率值不同，但是，影响燃料电池汽车回馈效率的诸多因素一致，其中的关键因素包括以下几点：电机的转换效率、动力蓄电池的充电效率、整车的滚阻系数、风阻系数、回馈控制策略以及驾驶员的驾驶习惯。因此，要提高燃料电池汽车的回馈效率，可以针对以上几点进行改进。比如：提高电机转换效率，动力蓄电池的充电效率，同时尽可能完善回馈控制策略，尽可能规范驾驶员的驾驶习惯。

参考文献

[1]曹秉刚，张传伟，白志峰，等.电动汽车技术进展和发展趋势[J].西安交通大学学报，2004，（1）：1-5.

[2]邹广才，罗禹贡，边明远，等.并联式HEV制动能量回收控制策略的仿真研究[J].汽车技术，2005，（7）：14-18.

[3]张承慧，李珂，杜春水，等.基于幅相控制的变频器能量回馈控制系统[J].电工技术学报，2005，（2）：41-45.

[4]刘博，杜继宏，齐国光，等.电动汽车制动能量回收控制策略研究[J].电力技术应用，2004，（1）：34-36.

[5]李竟成.电动汽车驱动控制与再生制动研究[D].西安：西安交通大学出版社，2003.