引言
新能源汽车产业的发展对“双碳”目标的实现和助推新质生产力的变革具有重要战略意义，是构建新型能源体系、推动汽车产业高质量发展的重要战略举措。氢燃料电池汽车具有无污染、零排放、低噪音特性等特性，是新能源汽车未来发展的重要方向之一。氢燃料电池汽车在性能层面上非但不逊色于传统燃油汽车，反而在多项指标上实现了显著超越，展现出卓越的能量效率。它们的推广应用，除了带来环保效益，还能大幅度降低车主的长期运行成本。尽管如此，该领域仍面临若干挑战：关键技术的可获取性有限，以及高额的研发与应用成本。鉴于此，当前研究与开发的焦点集中在如何整合氢燃料电池、动力电池及超级电容器等多元动力元件，共同构成高效的电电混合动力系统。这一技术路径被视为推动燃料电池电动汽车迈向商业化的关键突破点。在氢燃料电池汽车研究方面，魏添等对氢燃料电池汽车的性能进行了深入仿真分析，并通过优化参数配置显著提升了车辆的整体性能[1]，王承祥等对氢燃料电池汽车在实际运行环境中的性能进行了全面评估，为氢燃料电池汽车的性能仿真测试提供了重要参考[2]。在开发阶段，为确保车辆的整体性能，对车辆相关的参数测试、配置检验尤为必要，本文通过采用ADVISOR软件对氢燃料电池汽车进行性能仿真，为氢燃料电池汽车的开发应用提供有效的数据参考。
1.氢燃料电池概述
1.1氢燃料电池的工作原理
氢燃料电池，也被称为氢能源电池，其工作原理基于氢气与氧气的化学反应，直接将化学能转换为电能。这一过程与电解水反应相反，具体步骤如下：氢气被输送到阳极，并与电解质发生反应，释放电子。然而，这些电子并不能直接产生电能。为了将这些电子转化为电能，需要外部负载连接到阴极，使电子通过电解质形成电流，从而为外部设备提供电能。同时，在催化剂的作用下，位于正极的氧气与穿过质子交换膜的氢离子反应，生成水并释放热量。这种转换方式高效且迅速，能在短时间内将化学能转换为电能，且无需经过热能、机械能等中间转换过程，因此转换效率高达60%以上，实际使用效率更是内燃机的两倍左右。此外，氢燃料电池的转换过程中仅产生水和热量，且所使用的氢燃料来源于可再生能源，因此整个过程中不产生任何有害物质。这使得氢燃料电池成为一种高效、环保的可再生能源利用装置。
1.2质子交换膜氢燃料电池的优势
质子交换膜氢燃料电池运用质子交换膜的特性，通过氢氧化学反应将化学能快速转化为电能，同时具备低温运行和高电能转化率的独特优势。作为车用燃料电池中技术最成熟的类型，质子交换膜氢燃料电池凭借其紧凑的结构、轻量化的质量以及高功率等特性，在频繁启停操作中表现出色。在实际应用中，氢燃料电池能够稳定输出满足车辆在最高时速所需的动力。如果氢燃料电池的输出功率过大，将增加车辆的设计制造成本；而输出功率过小，则可能无法满足制动功率控制要求，甚至需要增加动力电池的使用量，从而导致成本上升。因此，合理匹配氢燃料电池的功率输出与车辆需求，对于实现高效、经济的能源利用至关重要。
2.氢燃料电池汽车
2.1氢燃料电池汽车动力系统结构
氢燃料电池汽车的动力系统，主要包括燃料电池系统、直流/直流(DC/DC)变换器、动力电池(BP)、电机与驱动(MC)四大组成部分。动力系统结构简图如图1所示。
动力系统的基本工作原理是，注入氢燃料电池中的氢气与空气中的氧气，在燃料电池的系统环境中产生化学反应电能，而电能作为主要能源供给，经过DC/DC变换器的阻抗匹配、电压转换后，再和动力电池并联，两者一起为驱动电机供应制动能量，以此，不仅能够保证车辆在驱动模式下，电机在峰值功率的运行功率供给，还能补足燃料电池功率不足的缺点。不仅如此，当车辆处于行驶状态时，驱动电机工作在发电模式下，其中所产生的电能可以被动力电池进行有效回收，从而实现车辆制动能量的回收再利用循环[3]。
图1 动力系统结构简图
2.2氢燃料电池与动力电池联合驱动
氢燃料电池汽车的关键部件之一，即氢燃料电池，以氢燃料电池的功率为变量进行仿真，分析变量对动力性的影响。使用了氢燃料电池作为主要能源供给的汽车，在起步、加速的情况下，会受到反应时间的限制，不能做到短时间内输出足够的功率动能，由此，难以达到效果较为理想的驾驶要求。所以，在安装了燃料电池的前提下，再增加动力电池，就能做到短时间的有效加速、起步，还能够对再生制动能源，进行良好的吸收，从而提高能源利用率，燃料电池加动力电池的工作原理，如图2所示。
图2燃料电池加动力电池的工作原理示意图
3.ADVISOR软件概述
近年来，众多汽车性能仿真软件纷纷涌现，如ADVISOR、ADAMS、CAUISE等。其中，由美国可再生能源实验室开发的ADVISOR软件表现尤为突出。它基于MATLAB和SIMULINK环境，集成了丰富的模型、数据和脚本文件，可迅速分析各类车型的燃油经济性、动力性和排放性能等关键指标。该软件不仅具备强大的仿真功能，还具备高度的开放性，允许用户自定义汽车模型和仿真策略，从而进行深入的仿真数据分析。自1994年11月起，ADVISOR开始广泛应用于相关开发工作，最初目的是辅助美国可再生能源部研发混合动力系统。随着功能的不断扩展和完善，如今ADVISOR已能够高效分析和模拟各种新能源汽车的性能。
4.基于ADVISOR软件的仿真模拟
4.1选择系统模型
在利用ADVISOR软件进行车辆参数仿真时，后向建模仿真设计应占据主导地位，而前向建模仿真设计则作为辅助。这种策略基于模块化流程设计，不仅可以降低工作量，还能显著提高设计的精度。通过采用后向建模方法，仿真工作人员能够专注于对特定车辆系统的深入研究，而不是对整个车辆系统进行全面的建模。这大大减少了仿真的复杂性，同时确保了设计的准确性和可靠性。在仿真过程中，仿真工作人员可以选用预制的氢燃料电池汽车模型作为仿真对象。这些模型已经具备了基本的车辆系统和部件结构，工作人员只需根据实际需要调整相关参数，即可进行仿真模拟。
4.2输入仿真数据
车辆数据输入环节是仿真模拟分析的关键步骤，它不仅要求技术操作人员精准设置车辆配置参数，还需将氢气储存罐的高压汽化控制、反应槽温度等关键参数纳入考量，并在软件程序中执行高达一万两千次每秒的复杂计算。在此过程中，必须将车辆动力系统的各个分部件整体模型，精确地导入模拟搭建的车辆整车系统模型中。整车模型是一个高度综合的系统，涵盖了汽车行驶状态工况、车辆模型、车轮车轴模型、主减速器模型、变速箱模型、驱动电机模型、电子附件模型、功率总线模型、燃料电池控制策略、燃料电池模型、动力电池模型以及排放系统等众多方面。通过这样精细的模拟分析，我们能够更加准确地预测车辆在实际运行中的性能表现，从而优化设计方案，提升车辆的性能和效率。
4.3 ADVISOR仿真过程
首先要定义车辆的仿真参数，选择传动系统类型，ADVISOR提供了内部已有的电动车的数据文件，以及ADVISOR内部的传统汽车、纯电动汽车、混合动力汽车等。设定部件的仿真参数ADVISOR设计了车辆、能量转化存储系统和电动机等，多个部件的仿真模型。其次是运行仿真，选择仿真工况，ADVISOR提供了道路循环、多重循环和测试过程三种仿真工况来仿真车辆的性能。而加速性能仿真以三组从初速度加速到末速度所需要的最短时间；某时间段内车辆行驶的最大距离；行驶某段距离所需要的最短时间；最大速度和最大加速度。计算辅助电器的负荷该功能，可以计算车辆上辅助电器的能源消耗。交互式仿真该功能由系统控制、车辆控制与显示和仿真三部分组成，仿真输出的部分动态显示车辆的运动图像。最后是仿真结果，如图3所示：显示部件参数值随仿真时间的变化情况。仿真报告：包括行驶距离、最大速度、最大加速度和爬坡能力。能源消耗图：显示各个部件在做功模式和能量再生模式下的输入能量，输出能量，损失能量和效率。比较仿真：最大可以同时打开八个仿真结果和测试数据，并显示在同一幅坐标图上。例如，在ADVISOR仿真中，针对氢燃料电池SUV车型，设定了市区和高速混合的道路循环工况。结果显示，车辆从0加速到60公里/小时仅需5秒，证明了出色的加速性能。同时，能源消耗图数据显示，燃料电池堆在运行中效率高达55%，具有良好的续航里程。这些具体数据为车辆性能评估提供了有力支撑。
图3各个部件的仿真模型和整车模型界面
5.结语
综上所述，通过采用ADVISOR软件，开发人员可以方便地进行各部件的设计、选型、参数确定，进而将这些部件和参数组合成一个完整的整车模型。在模型的构建过程中，软件支持根据实际情况进行调整、测试和优化，确保最终呈现的汽车动力系统达到最优状态。这种全面而细致的支持，使开发人员能够集中精力进行高效工作，持续推动氢燃料电池车动力系统的研究与发展，为未来的汽车能源革新奠定坚实基础。
参考文献：
[1] 魏添，于蓬，裴冯来，张元元.基于ADVISOR的氢燃料电池汽车性能仿真[J].农业装备与车辆工程, 2022, 60(8):50-54.
[2] 王承祥,崔立堃,冯绪永,等.氢燃料电池汽车动力系统设计及性能仿真[J].汽车实用技术, 2023, 48(5):8-15.DOI:10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.05.002.
[3] 丁玉红,郑法,张莉,等.氢燃料电池一体化分布式热电联供系统控制实现[J].中国化工贸易, 2017.DOI:10.3969/j.issn.1674-5167.2017.36.120.
