100kW PEM燃料电池卡车性能的GT仿真研究

本文基于Ashok Leyland的一款卡车用的100kW质子交换膜燃料电池进行仿真研究，Ashok Leyland是一家印度跨国汽车制造商，总部位于金奈。它是印度第二大最成功的商用车制造商，世界上第三大最成功的公共汽车制造商，也是世界上第十大最成功的卡车制造商。在卡车领域，Ashok Leyland的研究主要集中在16至25吨的范围内，在7.5至49吨的范围内也有项目存在。过去150年大气中温室气体的增加是由于人类活动的增加造成的，如图1所示，交通运输产生的CO2排放在总的温室气体排放中占比22%左右^[1]。

图1交通运输产生的温室气体排放

燃料电池是一种电化学装置。它们将氢和氧等燃料的化学能转化为电能，铂作为催化剂。质子与氧反应形成水，水被排出并收集到外部。PEM燃料电池有一层非常薄的聚合物膜(充当固体电解质，分离阴极和阳极)。PEM燃料电池的工作温度为75~80℃，比其他燃料电池的工作温度低得多。为了使燃料电池顺利工作，环境温度、压力和湿度等其他因素也很重要。燃料电池工作原理如图2所示。

图2 燃料电池工作原理

如果不使用仿真分析，将会产生PEM燃料电池功率容量设计过度或不足的问题。由于燃料电池系统量产有限，且使用贵金属催化剂，过度设计的燃料电池系统将为燃料电池模块开发带来巨大的成本。因此，本文基于仿真研究，为给定参数的车辆选择了最佳的燃料电池规格。此外，还模拟了电机、动力电池和燃料电池组合在不同车辆负载下的性能。总的来说，使用模拟为初始筛选节省了资金和时间，避免了燃料电池、电机和动力电池的采购和测试成本。

利用GT-SUITE进行PEM燃料电池卡车系统的建模，整车架构如图3所示。对于给定的车辆参数，动力电池、电动机和燃料电池的规格需进行选择，如表1所示。

图3 燃料电池电动货车系统架构

表1 模拟所需车辆参数和燃料电池、锂电池、电机规格

此燃料电池的大部分数据通过查找文献^[2]和车辆规格数据表得到。压缩机和燃料电池冷却系统的关键输入如图4、图5所示。一个锂离子动力电池(>55kWh）用于协助燃料电池提供电机的需求功率(功率>200kW)。

图4 压缩机模型参数

图5 热交换器模型参数

本文首先进行了30km/h、50km/h和70km/h三种车速的稳态计算，每种车速的仿真时间设为300秒，主要分析了三种车速下燃料电池车的功率需求，电池的SOC、电堆的温度以及电机的功率变化。

(1)燃料电池车的功率需求分析

电机功率>200kW。不同车速下燃料电池车的功率需求如图6所示。

图6 不同车速下燃料电池车的功率需求

在加速时，燃料电池和锂电池会产生100kW的功率，锂电池容量是100kWh。模型设置了一辆35t的卡车，需要经历一段爬坡时间才能到达功率峰值，30km/h的巡航车速需要12s达到功率峰值；50km/h的巡航车速需要25s达到功率峰值；70km/h的巡航车速需要50s达到功率峰值。在达到目标速度后，车辆的电机功率逐渐下降并稳定在适合巡航的水平。

(2)电池SOC分析

三种车速模拟期间动力电池SOC的变化如图7所示。

图7 不同车速条件下动力电池SOC的变化对比

模拟开始时，动力电池SOC均为50%。对于30km/h和50km/h，SOC没有明显下降；对于70km/h，SOC有一个最低点，这可能是由于在加速阶段，为电池充电分配的FC功率降低导致的。总体而言，在三种车速下，电池的电量状态都略有下降，直到车辆达到巡航速度。

(3)电堆温度分析

在30km/h的巡航速度下，燃料电池可以持续产生72kW的功率，电堆温度上升到85°C(高于80°C的阈值)。三种不同车速条件下燃料电池堆温度对比如图8所示。

图8 不同车速条件下燃料电池堆温度对比

在50km/h、70km/h的巡航速度下，燃料电池可以分别连续产生95kW和100kW的功率，电堆温度超过预期限值，这会影响到FC电堆的寿命。因此，需要修改冷却系统以提升冷却能力。

(4)电机功率对比

将车辆设为满载状态35t，进行300s的稳态仿真，对比达到30km/h、50km/h、70km/h巡航速度的时间，结果如图9所示。

图9 达到三种巡航速度的时间对比

达到30km/h的巡航车速，将用时12.8s；达到50km/h的巡航车速，将用时25s；达到70km/h的巡航车速，将用时50s。通过比较，车速较低时，达到巡航车速所需时间也会相应减少。基于此35t负荷的车辆，模拟所选择的电机尺寸具有最佳性能。

对100kW燃料电池进行瞬态仿真，以获得更真实的运行性能。所选择的瞬态循环是GT-SUITEMP软件中默认的公路循环，如图10所示，在此循环中高速段车速可以达到80km/h，整个循环运行时间为1200s，大约用时600s可以跑完全程4.2km。

图10 瞬态驾驶循环

(1)电机和电池的性能分析

此瞬态循环的电机功率需求如图11所示，电池功率如图12所示，电池SOC如图13所示。

图11 瞬态循环的电机功率需求

图12 瞬态循环的电池功率

图13 瞬态循环电池SOC

仿真模型为35t的卡车，电机功率最大需求为200kW，此时电池系统为电机提供的功率高于120kW。瞬态驾驶循环中有一些时刻电机功率＜0 kW，此时车辆处于再生制动状态。600秒后，没有功率需求，因此电池SOC也会上升。

(2)燃料电池功率vs燃料电池堆温度分析

燃料电池堆的初始温度设为38℃，在瞬态驾驶循环中燃料电池功率、电堆温度变化如图14所示。

图14 瞬态循环燃料电池功率、电堆温度变化

根据模拟结果得到，620s后电堆温度超过了期望的边界极限85°C，这可能是由于散热系统的散热能力不足导致的。虽然所选的燃料电池系统可以提供100kW的额定功率来满足200kW的电机需求，但对于当前的散热系统，建议最安全的连续输出功率限值是70~75kW。为了提高燃料电池的功率要求，散热器的尺寸还需要进一步增大。

利用GT-SUITE仿真软件，建立了燃料电池卡车模型，对100kw PEM燃料电池的性能进行了仿真研究。通过稳态和瞬态驾驶循环模拟，验证了冷却系统、燃料电池、电机和动力电池的性能，消除了确定燃料电池规格的初步测试数量。总体而言，根据仿真结果，以较少的时间和成本，最终确定了用于35t卡车的电机、电池和燃料电池的最优规格。