燃料电池/动力电池混合动力装置的设计涉及以下方面的权衡：

（1）产品性能：在极端环境（高海拔和温度）下最大功率。

（2）生产成本：燃料电池和动力电池的数量影响成本。

（3）运行成本：氢耗取决于整个系统的效率。

（4）产品寿命：燃料电池和蓄电池都存在老化机制，而且会被运行策略影响。

本报告使用GT-ISE搭建仿真模型，基于已知的驾驶循环对PEM FCEV商用车的产品性能和燃料消耗进行早期概念评估。

根据试验数据对电堆模型进行标定，欧姆损失通过调整Springer coefficients参数进行标定，活化损失通过调整Catalyst-Specific area 和Catalyst loading参数进行标定，燃料电池电堆模型如图1所示，极化曲线标定结果如图2所示。

图1 燃料电池电堆模型

图2 极化曲线标定结果

为燃料电池电堆模型增加阳极H2路径和阴极空气路径，如图3所示。阴极空气路径包括空气过滤器、压缩机、加湿器、涡轮机、排气阀等部件；阳极H2路径包括进气阀、鼓风机、排气阀等部件。

图3 燃料电池模块

在本项目中，利用DOE试验设计方案量化不同工况下产生的净功。独立参数包括：环境条件（温度、压力、湿度），冷却剂入口温度和流量，阴极压力和温度PID目标，电流，压气机MAP，涡轮机MAP。非独立参数包括：阳极压力PID目标，阳极和阴极化学计量比。

建立一个散热器面积和风扇尺寸可缩放的冷却系统模型，以确定几种候选散热器尺寸下燃料电池模块的散热量。燃料电池冷却系统如图4所示。

图4 燃料电池冷却系统

环境温度、环境压力（海拔）、环境湿度、散热器风扇转速、冷却剂质量流量（泵转速）、冷却剂温度。仿真结果被用来生成一个MAP，这个MAP是环境条件、燃料电池散热和冷却剂温度的函数，表征冷却系统的能量需求。  

通过对燃料电池模块和燃料电池冷却系统DOE结果的后处理，评估每种工况下燃料电池子系统效率和净功率。在给定的环境条件下，燃料电池的工作参数(如阴极压力比、冷却剂温度、阴极湿度目标)的选择将导致系统效率和净发电量的高低。图5用圆形标记显示了单个case的结果。

图5 系统效率曲线

这些圆点云图的边界表示在优化的运行参数下系统的性能。定义一个分析模型来表示系统在这些前沿点的效率。燃料电池子系统效率的解析模型是净电功率、环境温度、环境压力（海拔）的函数。

基于电芯信息建立电池包模型，电芯信息包括：容量（A·h）、内阻、开路电压、串联的电芯数量、并联的电芯数量。电池包模型如图6所示。

图6 电池包模型

施加到电池包上的电气负载取决于：电机功率（再生制动时为负）、电机和逆变器损耗、升压/双向DCDC变换器损耗、燃料电池模块（由分析模型定义的功率）。

混动控制器目标包括：

（1）在上下限范围内管理电池的充电状态。

（2）在限值范围内管理电池的充电倍率，避免电池组冷却系统能力不足导致电池过热。

（3）监测燃料电池模块功率改变的倍率限值。

（4）选择合适的功率分配，以尽量减少在高海拔，高环境温度下的功率下降。

（5）选择合适的功率分配，以尽量降低H2的消耗。

控制策略的优化是一个复杂的问题，在每个工况下都使用迭代方法来优化控制器参数。

图7 混动控制模型

对于总燃料消耗，尺寸较小的电池组比尺寸较大的电池组模型消耗的燃料多，因此将会出现电池包尺寸与总燃料消耗之间的权衡。燃料消耗与电芯数量之间的关系如图8所示。

图8 燃料消耗与电芯数量之间的关系

在高海拔/温度条件下，燃料电池子系统作为电动机的唯一能量源是不够的，因此需要增加动力电池。由于受到充电倍率和能量容量的限制，尺寸较小的电池组将使功率下降程度更大，如图9所示。所需的电池组尺寸可以从模拟中确定。

图9 功率降额惩罚与电芯数量的关系