關(guān)鍵詞：燃料電池汽車；整車總布置；性能優(yōu)化

中圖分類號(hào)：U469.722 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0引言

燃料電池汽車作為未來清潔能源汽車的代表，因其高能量轉(zhuǎn)換效率與零排放特性，成為研究熱點(diǎn)[1-2]。燃料電池系統(tǒng)布局及關(guān)鍵部件配置對(duì)整車性能有著直接影響，合理的整車總布置不僅優(yōu)化了燃料電池系統(tǒng)的空間利用率，還提升了整車動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性[3-5]。整車質(zhì)量參數(shù)的精確計(jì)算方法確保了整車的穩(wěn)定性與安全性。車輛尺寸設(shè)定與人機(jī)工程分析通過優(yōu)化駕駛員坐姿和操控舒適性，提高了用戶體驗(yàn)。動(dòng)力系統(tǒng)模型的建立及關(guān)鍵部件參數(shù)匹配計(jì)算，為整車性能優(yōu)化提供了基礎(chǔ)。本研究基于CRUISE的整車仿真建模，進(jìn)行不同工況下的動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性仿真分析，能夠直觀呈現(xiàn)車輛在實(shí)際運(yùn)行中的性能表現(xiàn)。

1燃料電池汽車整車總布置

1.1燃料電池系統(tǒng)與關(guān)鍵部件的布局

燃料電池系統(tǒng)布局中，燃料電池堆置于車輛前軸與中部之間，具體位置距前軸中心線1500m。氫瓶容量為4.7kg，工作壓力為35MPa，氫瓶直徑為380mm，長(zhǎng)度為950mm，布局在車輛底部中心線，確保橫向穩(wěn)定。電動(dòng)機(jī)與控制單元安裝在后軸，距后軸中心線850mm。冷卻系統(tǒng)采用雙循環(huán)冷卻，冷卻管路總長(zhǎng)度為4500mm，確保有效散熱。氫氣循環(huán)泵置于燃料電池堆側(cè)面，距離為300mm。

1.2整車質(zhì)量參數(shù)及其計(jì)算方法

整車質(zhì)量參數(shù)需精確到公斤級(jí)，前后軸質(zhì)量比為55：45?？蛰d整車質(zhì)量為15450kg，滿載時(shí)達(dá)到2350kg。整車質(zhì)心高度為550mm，距車輛中心線120mm。燃料電池堆質(zhì)量為75.0kg，電動(dòng)機(jī)質(zhì)量為65.0kg，氫瓶總質(zhì)量（含氫氣）為150.0kg。計(jì)算方法基于各部件質(zhì)量及其安裝位置，通過質(zhì)心公式計(jì)算整車質(zhì)心位置。乘員質(zhì)量假設(shè)為75.0kg/人，滿載時(shí)計(jì)算4名乘員和200.0kg貨物。各質(zhì)量參數(shù)與車輛尺寸、動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)結(jié)合進(jìn)行迭代計(jì)算和仿真驗(yàn)證，確保精確度和實(shí)際使用場(chǎng)景的適配性。

1.3車輛尺寸設(shè)定與人機(jī)工程分析

車輛尺寸設(shè)定綜合考慮整車性能與用戶體驗(yàn)。車長(zhǎng)為4725mm，軸距為2825mm，車寬1865mm，車高1615mm，確保內(nèi)部空間與外部通過性。前懸長(zhǎng)度為925mm，后懸長(zhǎng)度為975mm。駕駛員座椅至方向盤中心距離為610mm，座椅至車頂距離為960mm，確保駕駛舒適性與視野開闊。前排座椅至后排座椅間距為855mm，提供充足的腿部空間。車門開口寬度為850mm，確保上下車便捷。人機(jī)工程分析通過RAMSIS軟件驗(yàn)證，優(yōu)化人體坐姿和操作便捷性，所有尺寸設(shè)定考慮氫瓶布局對(duì)內(nèi)部空間的影響，確保不影響乘客艙舒適度。

2模型建立

2.1動(dòng)力系統(tǒng)模型的建立

動(dòng)力系統(tǒng)模型基于整車動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性需求，通過電動(dòng)機(jī)、燃料電池系統(tǒng)及能量管理策略的集成建立。假設(shè)電動(dòng)機(jī)輸出功率Pem與扭矩和轉(zhuǎn)速ωem的關(guān)系為：

Pem＝T×ω （1）

式中：P為電動(dòng)機(jī)輸出功率數(shù)值，單位為kW；T為電動(dòng)機(jī)扭矩?cái)?shù)值，單位為N·m；ω為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速數(shù)值，單位為rad/s。

燃料電池系統(tǒng)輸出功率P與氫氣消耗率m的關(guān)系可表示為：

2.3動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性參數(shù)匹配

動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性參數(shù)匹配基于整車動(dòng)力需求和燃料效率，通過實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)驗(yàn)證（表1）。

3仿真分析與結(jié)果

3.1基于CRUISE的整車仿真建模

基于CRUISE軟件的整車仿真建模，需精確模擬燃料電池汽車的動(dòng)力系統(tǒng)及其各個(gè)關(guān)鍵部件。建模過程中，首先定義車輛的基本參數(shù)，包括整車質(zhì)量、軸距和車身尺寸等。然后，輸入動(dòng)力系統(tǒng)的具體參數(shù)，如電動(dòng)機(jī)的功率、扭矩特性，燃料電池系統(tǒng)的效率及氫氣消耗率等。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)模型，設(shè)置傳動(dòng)比和效率。對(duì)于整車控制策略，需根據(jù)車輛行駛工況定義能量管理策略，確保動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的平衡。仿真模型還需包括環(huán)境參數(shù)設(shè)置，如道路條件、坡度和風(fēng)阻系數(shù)等。

3.2不同工況下的動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性仿真

仿真過程中，選擇典型駕駛循環(huán)工況，如城市工況（UDDS）、高速公路工況（HWFET）及綜合工況（WLTC），以評(píng)估車輛在不同駕駛條件下的性能表現(xiàn)。表2所示為不同工況下的動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性參數(shù)。仿真結(jié)果顯示，車輛各項(xiàng)參數(shù)表現(xiàn)介于城市和高速公路工況之間，反映了其在混合駕駛條件下的整體性能。

3.3仿真結(jié)果分析與優(yōu)化建議

分析仿真結(jié)果，城市工況下車輛表現(xiàn)出較高的燃料電池效率，氫氣消耗率較低，續(xù)航里程相對(duì)較長(zhǎng)。高速公路工況下，車輛的最大速度和平均功率顯著提升，但燃料電池效率略有下降，氫氣消耗率增加。綜合工況表現(xiàn)介于城市和高速公路工況之間，反映出車輛在混合駕駛條件下的整體性能。根據(jù)仿真結(jié)果，建議優(yōu)化能量管理策略，特別是在高速行駛時(shí)，通過調(diào)整燃料電池的輸出特性，提升整體效率。

4優(yōu)化試驗(yàn)與結(jié)果

4.1車輛實(shí)際道路測(cè)試方案設(shè)計(jì)

測(cè)試方案主要包括對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)控制策略的調(diào)整和空氣動(dòng)力學(xué)優(yōu)化。優(yōu)化方案如表3所示。分析表3可知，優(yōu)化后控制方案中，燃料電池輸出功率動(dòng)態(tài)調(diào)整至95kW，空氣阻力系數(shù)降至0.28，電動(dòng)機(jī)扭矩輸出動(dòng)態(tài)調(diào)整。

4.2性能測(cè)試與數(shù)據(jù)分析

測(cè)試方案主要包括車輛速度、加速性能、燃料電池效率和氫氣消耗率等指標(biāo)的測(cè)量。測(cè)試結(jié)果如表4所示，可以看出，優(yōu)化后的性能在多個(gè)指標(biāo)上均有所提升。

4.3優(yōu)化措施實(shí)施與效果評(píng)估

4.3.1優(yōu)化措施實(shí)施

在動(dòng)力系統(tǒng)控制策略優(yōu)化方面，收集大量車輛運(yùn)行數(shù)據(jù)，分析不同工況下燃料電池的工作特性和能量需求。在此基礎(chǔ)上，制定動(dòng)態(tài)調(diào)整燃料電池輸出功率的策略，使其在不同速度和負(fù)載下均能保持高效率運(yùn)行。具體措施包括實(shí)時(shí)監(jiān)控燃料電池輸出功率，結(jié)合車輛速度和加速需求，動(dòng)態(tài)調(diào)整燃料電池輸出功率，從而提高整車的能源利用效率。

空氣動(dòng)力學(xué)優(yōu)化主要通過改進(jìn)車身外形設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)。實(shí)施過程中，首先通過計(jì)算流體力學(xué)（CFD）仿真分析車輛在不同速度下的空氣流動(dòng)情況，找出空氣阻力最大的部位。然后，根據(jù)仿真結(jié)果，對(duì)車身前部、中部和尾部的形狀進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低空氣阻力系數(shù)。具體改進(jìn)措施包括優(yōu)化車頭和車尾的曲線設(shè)計(jì)，增加車底導(dǎo)流板，減少車輛底部的空氣阻力，以及改進(jìn)車輪和輪罩的設(shè)計(jì)，降低輪胎和輪罩之間的空氣阻力。

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制策略優(yōu)化主要針對(duì)電動(dòng)機(jī)的扭矩輸出進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。實(shí)時(shí)監(jiān)控車輛加速和減速過程中的扭矩需求，結(jié)合車輛速度和道路條件，動(dòng)態(tài)調(diào)整電動(dòng)機(jī)的扭矩輸出，從而提高整車的動(dòng)力性能和能源利用效率。

4.3.2優(yōu)化效果評(píng)估

優(yōu)化措施實(shí)施后數(shù)據(jù)表明，動(dòng)力系統(tǒng)控制策略的優(yōu)化使燃料電池輸出功率能夠動(dòng)態(tài)調(diào)整，提高了燃料電池的工作效率和輸出功率，從而提升了車輛的加速性能和最高車速。空氣動(dòng)力學(xué)優(yōu)化有效降低了車輛在高速行駛時(shí)的空氣阻力，使車輛在高速行駛時(shí)能夠更好地保持穩(wěn)定性和動(dòng)力輸出，從而提升了最高車速。

經(jīng)濟(jì)性方面，優(yōu)化措施實(shí)施后數(shù)據(jù)表明，動(dòng)力系統(tǒng)控制策略的優(yōu)化使燃料電池能夠根據(jù)不同工況動(dòng)態(tài)調(diào)整輸出功率，提高了燃料電池的工作效率和能源利用效率，從而降低了氫氣消耗率。空氣動(dòng)力學(xué)優(yōu)化有效降低了車輛在高速行駛時(shí)的空氣阻力，使車輛在高速行駛時(shí)能夠更好地保持穩(wěn)定性和動(dòng)力輸出，從而提升了續(xù)航里程。

5結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，優(yōu)化后的燃料電池汽車在動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性方面表現(xiàn)優(yōu)異。具體測(cè)試數(shù)據(jù)展示了最高車速、加速性能、燃料電池效率和氫氣消耗率等關(guān)鍵性能指標(biāo)的顯著提升，驗(yàn)證了所提出的優(yōu)化措施的有效性和可行性。通過合理調(diào)整動(dòng)力系統(tǒng)控制策略、改進(jìn)空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)以及優(yōu)化驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制策略，實(shí)現(xiàn)了整車性能的全面提升。未來，應(yīng)進(jìn)一步優(yōu)化能量管理策略，以提高不同駕駛工況下的燃料利用效率。

作者簡(jiǎn)介：

朱一男，碩士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)檎囬_發(fā)。