namiТруды НАМИTrudy NAMI0135-3152ФГУП «НАМИ»CIPEEFnami-458Research ArticleДВИГАТЕЛЕСТРОЕНИЕENGINE DEVELOPMENTОценка влияния параметров энергетической установки пассажирского транспорта на базе водородного топливного элемента на запас ходаAssessment of impact of parameters of passenger transport powertrain based on hydrogen fuel cell on the cruising rangeСоловьёвМ. А.Solov’yеvM. A.

Соловьёв Михаил Алексеевич – аспирант

г. Москва 105005

postgraduate

Moscow 105005

solovyevma@bmstu.ruБутаровичД. О.ButarovichD. O.

Бутарович Дмитрий Олегович – канд. техн. наук

г. Москва 105005

PhD (Eng)

Moscow 105005

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)»; ИЦ им. А.А. ЛипгартаРоссияFederal State Autonomous Educational Institution of Higher Education “Bauman Moscow State Technical University”; Lipgart Engineering CenterRussian Federation202610072026027284Copyright © Соловьёв М.А., Бутарович Д.О., 20262026Соловьёв М.А., Бутарович Д.О.Solov’yеv M.A., Butarovich D.O.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://nami.elpub.ru/jour/article/view/458

Введение (постановка задачи и актуальность). Глобальный переход к низкоуглеродной экономике стимулирует развитие водородного транспорта. Ключевым преимуществом водородных топливных элементов (ТЭ) перед литий-ионными аккумуляторами является их высокая удельная энергия, что потенциально увеличивает запас хода и грузоподъёмность транспортных средств (ТС). Актуальность работы обусловлена необходимостью оптимизации энергоустановок гибридных ТС на основе ТЭ для повышения их энергоэффективности, которая сильно зависит от конфигурации системы.

Цель исследования – анализ влияния конфигурации гибридной энергетической установки (ЭУ) на базе ТЭ и тяговой аккумуляторной батареи (ТАБ) на запас хода ТС в условиях городского и междугородного циклов движения.

Методология и методы

Методология и методы. Для достижения цели была разработана математическая модель движения ТС, включающая баланс мощности ЭУ и модели компонентов: топливного элемента с протонообменной мембраной (ПОМТЭ), ТАБ и системы хранения водорода. Моделирование проводилось для городского и междугородного маршрута с варьированием ключевых параметров ЭУ: максимальной мощности ТЭ, ёмкости ТАБ и массы перевозимого водорода.

Результаты и научная новизна. Установлено, что оптимальная конфигурация ЭУ кардинально зависит от типа маршрута. Для городского цикла максимальный запас хода (1433 км) достигается при конфигурации с ёмкой ТАБ (40 Ач) и маломощным ТЭ (40 кВт). Для междугородного цикла ключевым является увеличение мощности ТЭ (до 160 кВт), что позволяет снизить требования к ТАБ и увеличить массу перевозимого водорода, обеспечивая запас хода до 833 км. Научная новизна заключается в методе повышения энергоэффективности водородного ТС с учётом влияния массы компонентов при анализе различных конфигураций ЭУ.

Практическая значимость

Практическая значимость. Результаты исследования позволят разработать более эффективные конфигурации силовых установок для водородного транспорта, оптимизированные под конкретные условия эксплуатации. Это способствует снижению массы ЭУ, увеличению запаса хода и, как следствие, повышению экономической целесообразности и экологической эффективности водородных ТС.

Introduction (problem statement and relevance). The global transition to the low-carbon economy stimulates development of hydrogen transport. The key advantage of hydrogen fuel cells (FC) over lithium-ion batteries is high specific energy, which potentially extends the cruising range and increases the loading capacity of vehicles. The relevance of the paper is determined by the necessity to optimize hybrid vehicle FC-based powertrains in order to increase their energy efficiency, which depends heavily on the system configuration.

The purpose of the study is to analyze the impact of a hybrid fuel cell based powertrain and traction battery configuration on the vehicle cruising range under conditions of the urban and intercity (highway) driving cycles.

Methodology and research methods. In order to achieve the purpose, a mathematical model of vehicle driving is developed, which includes the powertrain power balance and models of the following components: proton exchange membrane fuel cell, traction battery and hydrogen storage system. The simulation is conducted for the urban and intercity routes with variation of the key powertrain parameters: fuel cell maximum power, traction battery capacity and weight of the hydrogen being transported.

Scientific novelty and results. It is found that the optimum powertrain configuration depends crucially on the route type. For the urban cycle, the maximum cruising range (1433 km) is achieved in case of a configuration with a large-capacity traction battery (40 A·h) and low-power FC (40 kW). For the intercity cycle, the key is to increase the power of fuel cells (up to 160 kW), which allows lowering of requirements for the traction battery and increasing of the weight of the hydrogen transported, providing the cruising range of up to 833 km.

The scientific novelty consists in the method of increasing the energy efficiency of a hydrogen vehicle, taking into account the impact of the weight of components when analyzing various powertrain configurations.

Practical significance. The research results allow development of more efficient configurations of powertrains for hydrogen transport optimized for specific operating conditions. This promotes powertrain weight decrease, cruising range extension and, as a result, increase in economic feasibility and environmental efficiency of hydrogen vehicles.

водородный транспортгибридная энергоустановкатопливный элементзапас ходаматематическое моделированиевыбор параметровhydrogen transporthybrid powertrainfuel cellcruising rangemathematical simulationparameter selectionReferencesZhang W., Fang X., Sun C. The alternative path for fossil oil: Electric vehicles or hydrogen fuel cell vehicles // Journal of Environmental Management. – 2023. – V. 341. – P. 118019. DOI: 10.1016/j.jenvman.2023.118019.Zhang W., Fang X., Sun C. The alternative path for fossil oil: Electric vehicles or hydrogen fuel cell vehicles // Journal of Environmental Management. – 2023. – V. 341. – P. 118019. DOI: 10.1016/j.jenvman.2023.118019.Карпухин К.Е., Келлер А.В. Варианты подходов к увеличению пробега электрифицированных транспортных средств и их технико-экономическая оценка // Труды НАМИ. – 2025. – № 2 (301). – С. 56–66. EDN: RJLCOY.Karpukhin K.E., Keller A.V. [Variants of approaches to extend the cruising range of electrified vehicles, and their technical and economic assessment]. Trudy NAMI, 2025, no. 2 (301), pp. 56–66. EDN: RJLCOY. (In Russian)Thomas C.E. Fuel cell and battery electric vehicles compared // International Journal of Hydrogen Energy. – 2009. – V. 34, no. 15. – P. 6005–6020. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2009.06.003.Thomas C.E. Fuel cell and battery electric vehicles compared // International Journal of Hydrogen Energy. – 2009. – V. 34, no. 15. – P. 6005–6020. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2009.06.003.Ajanovic A., Glatt A., Haas R. Prospects and impediments for hydrogen fuel cell buses // Energy. – 2021. – V. 235. – P. 121340. DOI: 10.1016/j.energy.2021.121340.Ajanovic A., Glatt A., Haas R. Prospects and impediments for hydrogen fuel cell buses // Energy. – 2021. – V. 235. – P. 121340. DOI: 10.1016/j.energy.2021.121340.Биксалеев Р.Ш., Карпухин К.Е., Маликов Р.Р., Климов А.В., Рябцев Ф.А. Об аспектах проектирования электрифицированных транспортных средств с комбинированной энергоустановкой на основе топливных элементов // Труды НАМИ. – 2021. – № 1 (284). – С. 47–58. DOI: 10.51187/0135-3152-2021-1-47-58. EDN: JLFZSS.Biksaleev R.Sh., Karpukhin K.E., Malikov R.R., Klimov A.V., Ryabtsev F.A. [Design peculiarities aspects of electrified vehicles with a combined power unit based on fuel cells]. Trudy NAMI, 2021, no. 1 (284), pp. 47–58. DOI: 10.51187/0135-3152-2021-1-47-58. EDN: JLFZSS. (In Russian)Ahmadi P., Khoshnevisan A. Dynamic simulation and lifecycle assessment of hydrogen fuel cell electric vehicles considering various hydrogen production methods // International Journal of Hydrogen Energy. – 2022. – V. 47. – Iss. 62. – P. 26758–26769. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2022.06.215.Ahmadi P., Khoshnevisan A. Dynamic simulation and lifecycle assessment of hydrogen fuel cell electric vehicles considering various hydrogen production methods // International Journal of Hydrogen Energy. – 2022. – V. 47. – Iss. 62. – P. 26758–26769. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2022.06.215.Ларин В.В. Теория движения полноприводных колёсных машин. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010. – 392 с.Larin V.V. [Theory of motion of all‑wheel drive wheeled machines]. Moscow, Publishing House of the Bauman Moscow State Technical University, 2010. 392 p. (In Russian)Fakherdinne O., Gharbia Y., Farrokhi Derakhshandeh J., Amer A.M. Challenges and solutions of hydrogen fuel cells in transportation systems: a review and prospects // World Electric Vehicle Journal. – 2023. – V. 14, no. 6. – P. 156. DOI: 10.3390/wevj14060156.Fakherdinne O., Gharbia Y., Farrokhi Derakhshandeh J., Amer A.M. Challenges and solutions of hydrogen fuel cells in transportation systems: a review and prospects // World Electric Vehicle Journal. – 2023. – V. 14, no. 6. – P. 156. DOI: 10.3390/wevj14060156.Аверина Ю.М., Графов Д.Ю., Моисеева Н.А., Рыбина Е.О. Топливные элементы для экологически чистого автомобильного транспорта // Успехи в химии и химической технологии. – 2018. – Т. 32. – № 14 (210) – С. 9–12. EDN: YWYSFN.Averina Yu.M., Grafov D.Yu., Moiseeva N.A., Rybina E.O. [Fuel cells for environmentally friendly road transport]. Uspekhi v khimii i khimicheskoi tekhnologii, 2018, vol 32, no. 14 (210), pp. 9–12. EDN: YWYSFN. (In Russian)РЕМ fuel cell modeling and simulation using Matlab / ed. Spiegel С. – Burlington–San-Diego–London: Academic Press, 2008. – 443 p.РЕМ fuel cell modeling and simulation using Matlab / ed. Spiegel С. – Burlington–San-Diego–London: Academic Press, 2008. – 443 p.Воробьёв А.А., Воробьёв С.А., Трофимов Е.С., Разумов П.А. Действие системы топливных элементов на основе протонообменной мембраны на автомобильном транспорте // Мир транспорта и технологических машин. – 2024. – № 1-3 (84). – С. 42–48. EDN: VEZJHU.Vorobyov A.A., Vorobyov S.A., Trofimov E.S., Razumov P.A. [Operation of a fuel cell system based on a proton exchange membrane in road transport]. Mir transporta i tekhnologicheskikh mashin, 2024, no. 1-3 (84), pp. 42–48. EDN: VEZJHU. (In Russian)Schröer P., van Faassen H., Nemeth T., Kuipers M., Sauer D.U. Challenges in modeling high power lithium titanate oxide cells in battery management systems // Journal of Energy Storage. – 2020. – V. 28. – P. 101189. DOI: 10.1016/j.est.2019.101189.Schröer P., van Faassen H., Nemeth T., Kuipers M., Sauer D.U. Challenges in modeling high power lithium titanate oxide cells in battery management systems // Journal of Energy Storage. – 2020. – V. 28. – P. 101189. DOI: 10.1016/j.est.2019.101189.Mekonnin A.S., Wacławiak K., Humayun M., Zhang S., Ullah H. Hydrogen storage technology, and its challenges: a review // Catalysts. – 2025. – V. 15. – No. 3. – P. 260. DOI: 10.3390/catal15030260.Mekonnin A.S., Wacławiak K., Humayun M., Zhang S., Ullah H. Hydrogen storage technology, and its challenges: a review // Catalysts. – 2025. – V. 15. – No. 3. – P. 260. DOI: 10.3390/catal15030260.Saias C.A., Roumeliotis I., Goulos I., Pachidis V., Bacic M. Assessment of hydrogen fuel for rotorcraft applications // International Journal of Hydrogen Energy. – 2022. – V. 47. – Iss. 76. – P. 32655–32668. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2022.06.316.Saias C.A., Roumeliotis I., Goulos I., Pachidis V., Bacic M. Assessment of hydrogen fuel for rotorcraft applications // International Journal of Hydrogen Energy. – 2022. – V. 47. – Iss. 76. – P. 32655–32668. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2022.06.316.Hua T., Ahluwalia R., Peng J.K., Kromer M., Lasher S., McKenney K., Law K., Sinha J. Technical assessment of compressed hydrogen storage tank systems for automotive applications // International Journal of Hydrogen Energy. – 2011. – V. 36. – P. 3037–3049. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2010.11.090.Hua T., Ahluwalia R., Peng J.K., Kromer M., Lasher S., McKenney K., Law K., Sinha J. Technical assessment of compressed hydrogen storage tank systems for automotive applications // International Journal of Hydrogen Energy. – 2011. – V. 36. – P. 3037–3049. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2010.11.090.Xu Z., Zhao N., Hillmansen S., Roberts C., Yan Y. Techno‑economic analysis of hydrogen storage technologies for railway engineering: a review // Energies. – 2022. – V. 15. – No. 17. – P. 6467. DOI: 10.3390/en15176467.Xu Z., Zhao N., Hillmansen S., Roberts C., Yan Y. Techno‑economic analysis of hydrogen storage technologies for railway engineering: a review // Energies. – 2022. – V. 15. – No. 17. – P. 6467. DOI: 10.3390/en15176467.Zhou W., Yang L., Cai Y., Ying T. Dynamic programming for new energy vehicles based on their work modes. Part II: Fuel cell electric vehicles // Journal of Power Sources. – 2018. – V. 407. – P. 92–104. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2018.10.048.Zhou W., Yang L., Cai Y., Ying T. Dynamic programming for new energy vehicles based on their work modes. Part II: Fuel cell electric vehicles // Journal of Power Sources. – 2018. – V. 407. – P. 92–104. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2018.10.048.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.