燃料电池跨座式单轨车辆动力系统匹配设计_李国伟.pdf

内燃机与配件 w w w.n r j p j.c n燃料电池跨座式单轨车辆动力系统匹配设计李国伟(重庆交通大学,重庆 4 0 0 0 4 1)摘 要:目前,氢燃料电池跨座式单轨车辆动力系统尚无人研究设计,本文借鉴新能源汽车研究思路,结合氢燃料电池跨座式单轨车辆的动力特性和实际运行工况,对电机、燃料电池和动力电池以及传动比等参数进行匹配设计,并对各部件进行选型。基于匹配设计结果,在A V L-C r u i s e环境下搭建氢燃料跨座式单轨车辆动力系统仿真模型,并进行车辆总体性能验证。仿真结果表明,氢燃料电池跨座式单轨车辆动力传动系统的匹配设计满足性能要求。关键词:氢燃料电池;跨座式单轨;动力系统;参数匹配 中图分类号:U 2 1 1.4 文献标识码:A 文章编号:1 6 7 4-9 5 7 X(2 0 2 3)0 5-0 0 2 3-0 4M a t c h i n gD e s i g no fP o w e rS y s t e mf o rF u e lC e l l S t r a d d l eM o n o r a i lV e h i c l eL iG u o-w e i(C h o n g q i n gJ i a o t o n gU n i v e r s i t y,C h o n g q i n g4 0 0 0 4 1)A b s t r a c t:A tp r e s e n t,n oo n eh a ss t u d i e da n dd e s i g n e dt h ep o w e rs y s t e mo fh y d r o g e nf u e l c e l l s t r a d d l et y p em o n o r a i l v e h i c l e.T h i sp a p e ru s e s t h er e s e a r c h i d e a so fn e we n e r g yv e h i c l e s f o r r e f e r e n c e,c o m b i n e s t h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sa n da c t u a lo p e r a t i n gc o n d i t i o n so fh y d r o g e nf u e lc e l ls t r a d d l et y p em o n o r a i lv e h i c l e,a n dc a r r i e so u tm a t c h i n gd e s i g nf o rp a r a m e t e r ss u c ha sm o t o r,f u e l c e l l,p o w e r c e l l a n dt r a n s m i s s i o nr a t i o,a n ds e l e c t sv a r i-o u sc o m p o n e n t s.B a s e do nt h em a t c h i n gd e s i g nr e s u l t s,ah y d r o g e nf u e ls t r a d d l em o n o r a i lv e h i c l ep o w e r t r a i ns i m u l a t i o nm o d e l i sb u i l tu n d e rt h eAV LC r u i s ee n v i r o n m e n t,a n dt h eo v e r a l lv e h i c l ep e r f o r m a n c ei sv e r i f i e d.T h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t t h em a t c h i n gd e s i g no f t h ep o w e r t r a i no f t h eh y d r o g e nf u e lc e l ls t r a d d l et y p em o n o r a i l v e h i c l em e e t s t h ep e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t s.K e yw o r d s:H y d r o g e nf u e l c e l l;S t r a d d l em o n o r a i l;P o w e rs y s t e m;P a r a m e t e rm a t c h i n g作者简介:李国伟(1 9 9 6),男,江苏淮安人,硕士研究生,主要从事车辆设计理论与方法方面的研究。0 引言近年来,燃料电池技术发展较快,在汽车领域应用较多,但是在轨道交通领域,燃料电池技术研究较少,作为新兴的研究方向,燃料电池技术在轨道交通上的应用受到了全世界的关注。跨座式单轨交通作为轨道交通系统的重要制式,现行驱动能源主要依赖于城市电网系统供给的电力能源,轨道交通的迅猛发展不仅使电力系统负荷日益增加,同时沿线供电设施和轨道梁上的接触网也使得轨道交通建设成本上升。氢能源具有可循环利用、高效、无污染等特点,可用于解决跨座式单轨交通建设成本高、环境污染等问题。目前,尚未发现有学者针对氢燃料电池跨座式单轨车辆动力传动系统参数匹配开展系统性研究。本文将基于氢燃料电池为主要动力源、跨座式单轨车辆应用对象和动力电池为辅助动力源的总体构想,借鉴氢动力有轨电车和新能源汽车等领域研究思路与研究方法,围绕氢燃料电池跨座式单轨车辆动力传动系统参数匹配设计开展研究,形成以氢燃料电池单轨车辆动力传动系统参数匹配理论与方法,为新能源轨道车辆整车提供理论与方法支持。1 单轨车辆整车参数及等效模型选型1.1 跨座式单轨车辆整车参数跨座式单轨列车的编组形式分为:4节编组、6节编组和8节编组1。本文以6节编组为列,对氢燃料电池跨座式单轨车辆动力传动系统参数匹配开展研究,单轨车辆的基本参数如表1、表2所示,车辆性能指标如表3所示。表1 单轨车辆基本参数参数数值滚动阻力系数f0.0 1 4迎风面积A/m21 1空气阻力系数Cd0.8旋转质量换算系数1.1机械传动效率0.9 5滚动半径r/mm4 9 1表2 单轨车辆满载质量参数车辆质量/t乘客质量/tM c 1、M c 22 8.61 2.7 2M 2-M 52 7.61 3.8表3 单轨车辆性能指标性能项目要求值最高速度/(k mh-1)7 5起步平均加速度/(ms2)0.8 3 3最大爬坡度6 01.2 等效模型选型本文以6节编组为研究对象,其动力转向架和非动力转向架分布如图1所示。图1 燃料电池跨座式单轨列车编组及转向架布置由图1所示,6节编组列车共有9个动力转向架和1 832DOI:10.19475/ki.issn1674-957x.2023.05.0282 0 2 3年第5期个驱动电机,不带司机的车厢有两个动力转向架,带司机的车厢有一个动力转向架,所以带司机的车厢与不带司机的车厢有一定的差别,如果对任何一节车厢单独研究,所得的结果与整车的性能必然存在一定的差异。因此,为了结果的准确性,本文对单轨车辆整车模型进行简化,平均一个动力转向架上的两个电机牵引1/9节列车,此时在AW 3载荷状态下单轨车辆的平均整备质量和乘客平均质量分别为2:M1=2 8.6 02+2 7.6 049=1 8.6 2 tM2=1 2.7 22+1 3.8 049=8.9 6 t车辆的平均总质量为:M=M1+M2=2 7.5 8 t2 氢燃料电池跨座式单轨车辆动力系统参数匹配2.1 动力系统形式选取本文根据实际运行工况和动力性能要求,选取氢燃料电池和动力电池混合驱动车辆行驶系统。如图2所示。图2 燃料电池跨座式单轨车辆动力系统2.2 驱动电机参数匹配驱动电机作为氢燃料电池跨座式单轨车辆唯一的动力部件,应满足整车的各项运行工况以及动力性能指标。本文对驱动电机的峰值功率和额定功率参数进行匹配设计以及对其选型。2.2.1 峰值功率与额定功率驱动电机的峰值功率需要满足氢燃料电池跨座式单轨车辆在最高车速、最大爬坡度以及最短加速时间下正常行驶的需求8。1)最高车速所需功率为:P1=vm a x3 6 0 0Tm o tM g f+6Fy if+CdA2 1.1 5v2m a x式中:T为传动系的机械效率;m o t为电机效率,本文取0.9 5;M为氢燃料电池跨座式单轨车辆AW 3载荷状态下车辆平均总质量;f为滚动阻力系数;Fy i为单轨车辆行驶过程中所产生的阻力附加力,取4 4 0 0 N;Cd为空气阻力系数;A为迎风面积。2)最大爬坡度所需功率为:P2=vi3 6 0 0Tm o tM g fc o sm a x+6Fy if+M gs i nm a x+CdA2 1.1 5v2i3)最大加速度所需功率为:P3=vm3 6 0 0Tm o tM g f+6Fy if+CdA v2i2 1.1 5+Md ud t式中:vm加速后末速度;d ud t为加速度。取P1、P2、P3的最大值为电机峰值输出功率,即Pmm a xP1、P2、P3选取单轨车辆以最高车速行驶时所需要的功率为电机的额定功率,则:Pe=P1式中:Pe为电机额定功率。根据匹配计算的结果得到单个驱动电机的峰值功率为1 0 3 k W,额定功率为6 7.3 9 k W。综合考虑氢燃料电池跨座式单轨车辆的动力性与经济性要求,最终选取市场上一款永磁同步电机,其参数性能如表4所示。表4 电机参数参数数值电机类型永磁同步电机峰值功率/k W1 0 5峰值转速/(rm i n-1)2 8 0 0峰值转矩/(Nm)1 0 0 0额定功率/k W7 0额定转速/(rm i n-1)1 3 0 0额定转矩/(Nm)7 7 02.3 传动比参数匹配减速器传动比的取值应当满足氢燃料电池跨座式单轨车辆的动力性需求,减速器传动比的比值应在最大值与最小值之间。2.3.1 最大传动比确定以最大爬坡度确定最大传动比im a x(M g fc o sm a x+6Fy if+M gs i nm a x)rTm a xTm o t2.3.2 最小传动比确定由单轨车辆最高车速和驱动电机最高转速的关系可得最到减速器最小传动比,则最小传动比为:im i n0.3 7 7nm a xrvm a x因此本文设计选取的减速器传动比i0为6.5 5。2.4 氢燃料电池参数匹配氢燃料电池作为氢燃料电池跨座式单轨车辆行驶时的主要动力源,其功率应该保证燃料电池跨座式单轨车辆以一定的车速能够长时间持续平稳运行9。因此单轨车辆氢燃料电池的功率为:Pf c=v3 6 0 0TDM g f+6Fy if+CdA2 1.1 5v2+P0式中:Pf c为燃料电池的额定功率;v为巡航车速,本文取3 6 k m/h;D为D C/D C转换器效率,本文取0.9 5;P0为其他附件消耗功率。由于燃料电池系统附件较多,因此通过综合考虑得燃料电池输出功率Pf c为5 0 k W。最终选用一套HD型燃料电池,其参数如表5所示:表5 氢燃料电池参数参数数值功率/k W5 0输出最大电流/A3 0 0输出电压范围/V4 6 57 3 0工作温度/-1 04 5燃料类型氢气氧化剂空气2.5 动力电池组参数匹配42内燃机与配件 w w w.n r j p j.c n动力电池作为燃料电池跨座式单轨车辆的辅助动力源,在单轨车辆起步以及大负荷工况下(爬坡、加速)能够提供辅助动力。此外,动力电池还具有回收制动能量的作用,因此在进行参数匹配时,应综合考虑动力电池组的功率、容量以及数目等关键因素1 02.5.1 动力电池功率确定氢燃料电池和动力电池共同提供单轨车辆的最大需求功率,因此电机最大功率与氢燃料电池最大功率的差值应该不大于动力蓄电池的最