用于城市交通的氢动力助力车的优化设计

1. 研究背景和目的

- 研究背景

- 欧盟委员会为保护环境，制定了到2030年温室气体排放量相较于1990年至少减少55%的计划，并迈向2050年实现气候中和的目标。在此背景下，零排放车辆（ZEVs）的发展至关重要，其中燃料电池电动汽车（FCEVs）相比电池电动汽车（BEVs）具有一些优势，如存储系统的体积能量密度更高、续航里程更长、加氢时间更短以及驾驶性能更好，且在燃料生产、存储和输送方面具有灵活性，更易于整合可再生能源。

- 微型交通工具在当前能源转型中扮演着越来越重要的角色，其能耗低且有助于缓解城市拥堵。电池轻型电动车辆（B - LEVs）如电动自行车、电动滑板车和电动助力车等，相比传统内燃机车辆具有多种优势，其生产和运营所需能量更少，对城市拥堵、有害排放和噪音的影响更小。开发和实施燃料电池混合动力轻型电动车辆（FCH - LEVs）可进一步推动电动微型交通工具的发展。

- 动力系统的设计和尺寸对于车辆效率和耐久性至关重要，尤其是对于混合动力系统。虽然已有一些关于不同车辆类型的FCHEVs优化设计的研究，但针对电动助力车FCHEVs的研究较少。

图1. 助力车配置的示意图：(a) 电动助力车的主要部件；(b) 燃料电池混合动力轻型电动助力车（FCH - LEV）的主要部件

- 研究目的

- 评估将一款商业电池电动助力车转化为燃料电池电动助力车的技术经济可行性。

- 通过基于反向动态规划的优化方法，确定燃料电池、储氢装置和缓冲电池的最佳尺寸，以替代电动助力车的锂离子电池，并证明该方法可通过基于规则的方法实现。

- 分析在意大利维泰博市的住宅和共享出行场景中，所提出的燃料电池电动助力车的影响。

2. 系统描述

- 车辆配置

- 电池电动助力车从锂离子电池获取电能，供给电机驱动。燃料电池电动助力车从MH储氢罐获取氢气，通过质子交换膜燃料电池（PEMFC）氧化产生电能供给电机，在减速过程中电机作为发电机为电池充电。

图2. (a) 1类世界统一轻型车辆测试循环（WLTC）速度曲线；(b) 1类世界统一轻型车辆测试循环（WLTC）加速度曲线

- 车辆选择

- 选择Askoll eS3作为案例研究的参考电动助力车，因为它在2019年1月 - 11月期间是意大利销量最高的电动助力车，在成本、功率和电池容量方面，是欧洲畅销电动助力车的代表性解决方案。介绍了其电机功率、最大速度、最大扭矩、续航里程、尺寸、重量和成本等主要特性，以及电池的类型、数量、容量、重量和成本等信息。

图3. 市售1kW和2kW风冷质子交换膜燃料电池（PEMFC）堆的实验数据[60,61]：(a) 消耗的氢气质量流量（ ）与电功率（ ）的关系，(b) 效率（ ）与电功率（ ）的关系，以及(c) 效率（ ）与设定点（ ）的关系

3. 研究方法

- 驾驶循环

- 使用世界统一轻型车辆测试程序（WLTP）分析助力车的性能，根据重量 - 功率比（PMR）确定不同的驾驶循环。计算Askoll eS3的PMR，确定其属于1类世界统一轻型车辆测试循环（WLTC），并描述了该循环的长度、最大速度和子循环组成。

- 车辆建模

- 根据WLTC的速度和加速度曲线，建立车辆的力学模型。电机力用于补偿空气动力学阻力和惯性，通过瞬时速度和加速度以及车辆的横截面积、阻力系数、空气密度和总质量计算得到。车轮的瞬时功率由电机力和瞬时速度计算得出，电机功率考虑了传动损失，初级功率考虑了电机和发电机的转换效率。

- 优化控制与设计

- 基于反向动态规划的优化方法，通过最小化规定时间跨度内的目标函数来确定能源系统主动组件的设定点。选择运行成本（燃料消耗）作为目标函数，以缓冲电池和燃料电池为主动组件，考虑多种因素如热、冷却和电负载，能量流和子系统动态行为的约束，功率和效率随环境条件的降额，燃料、维护和冷启动成本，以及与配电网的连接。燃料电池通过效率曲线采用黑箱模型，通过离散化目标函数并将问题表示为有向加权图，寻找最短路径确定最优控制策略。

表3. 市售1kW和2kW风冷质子交换膜燃料电池（PEMFC）堆的特性[60,61]

- 基于规则的控制与设计

- 提出一种基于规则的替代方法，从初始试探性的燃料电池功率开始，通过计算所需初级功率和产生的初级功率，根据能量平衡调整燃料电池功率。所需初级功率考虑了缓冲电池的充放电效率，产生的初级功率也基于缓冲电池的效率进行计算。重复该过程直至达到能量平衡，每次调整的步长为0.1W。

表4. 填充AB₂合金的市售金属氢化物储罐[64]的特性

- 动力总成组件建模与设计

- 燃料电池：考虑1kW和2kW的风冷PEMFC堆，比较其氢气消耗和效率与产生功率和设定点的关系。选择1kW的燃料电池堆用于FCH - LEV，因为2kW的堆虽然氢气消耗略少，但成本和质量更高，边际氢气节省不足以弥补成本和质量的增加。

- 金属氢化物：根据优化方法确定的燃料电池输入功率，利用氢气流量公式计算所需氢气质量，选择商业可用的MH储氢罐，暂不考虑热管理系统的详细设计，仅考虑其所需空间。

- 缓冲电池：通过优化方法迭代计算存储能量随时间的变化，确定缓冲电池的容量为最大和最小存储能量之差，同时计算荷电状态（SOC）随时间的变化。选择240Wh的锂离子缓冲电池，因其容量大于优化得到的最小所需容量，且更符合商业应用实际情况。

4. 结果与讨论

- 功率分析

- 给出了1类WLTC中车轮 功率、电机功率和初级功率随时间的变化曲线，显示了车辆功率与驾驶循环的直接相关性，以及减速过程中回收的功率有限。同时展示了FCH - LEV中燃料电池和缓冲电池的功率时间序列，表明优化策略是使燃料电池保持恒定设定点，电池采用负载跟随方法，以保证在驾驶循环中的能量平衡，并提高整体效率。

- 组件选择

- 选择1kW的燃料电池堆、240Wh的缓冲电池和2000Sl的MH储氢罐可使FCH - LEV达到与电动助力车相同的续航里程（119km）。该混合动力系统体积为14.4L，相比电动助力车电池占用空间（54L）更小，质量比电动助力车电池重5.5kg，但质量增加相对总质量（157kg）可忽略不计（仅3.5%）。然而，该系统成本为9560欧元，是电动助力车电池成本的五倍以上，目前经济上不具竞争力，且缺乏加氢基础设施，但未来可能随着氢能的发展而改善。

- 不同配置比较

- 分析了不同储氢配置下的系统特性。使用两个MH储氢罐时，混合动力系统质量为35.7kg，体积为19.7L，续航里程为234km；使用三个MH储氢罐时，质量为49.7kg，体积为25L，续航里程为348km，表明增加MH储氢罐可提高续航里程。使用高压复合储氢罐时，在不同体积和压力下可储存不同量的氢气，如在44.9L体积下以46bar压力可储存164g氢气满足119km续航里程，在相同体积下以300bar压力可储存1080g氢气，可满足超过六倍的续航里程，但压缩氢气至300bar会消耗高达10%的氢气热值，增加加氢成本。

- 基于规则的方法验证

- 应用基于规则的设计方法，经过249次迭代后得到的燃料电池功率为605W，与优化方法结果一致，同时展示了最终迭代时燃料电池产生的初级功率和所需初级功率（考虑缓冲电池）随时间的变化曲线。

- 对交通系统的影响

- 在维泰博市的住宅场景中，假设住宅安装3.3kW的光伏系统，利用PVGIS数据库和Energy Plus软件，分析光伏生产和住宅能源负荷，确定多余的光伏生产可通过80%效率的PEM电解槽生产氢气，每年可生产68kg氢气，足以满足FCH - LEV每年充电415次，实现零排放行驶49300km以上。在共享出行场景中，以维泰博市的大学生通勤为例，假设学生每天通勤4km，使用FCH - LEV可避免传统交通工具的污染物排放，减少个人交通排放。通过光伏系统为氢气生产提供能源，每kW可满足25名学生的需求，维泰博市的大学可安装的光伏系统可满足大量学生的出行需求。

5. 研究结论

- 技术层面：1kW质子交换膜燃料电池、2000Sl金属氢化物储氢罐和240Wh缓冲电池组成的混合动力系统可达到与电动助力车相同的续航里程，系统体积更小，质量增加可忽略不计，但成本较高。增加MH储氢罐数量可提高续航里程，使用复合储氢罐可在不同压力下储存氢气以满足不同需求，但高压储存会增加成本，且压缩会消耗一定的氢气能量。

- 应用层面：燃料电池混合动力电动助力车可使用绿色氢气充电，实现零排放，在住宅和共享出行场景中具有应用潜力，可减少污染物和温室气体排放。

- 未来研究方向：可进一步研究热管理系统设计，特别是针对金属氢化物储氢罐和燃料电池堆，以及评估先进材料（如金属氢化物合金）以提高系统的能量存储密度等特性。

本文来源:Optimized Design of a H2-Powered Moped for Urban Mobility