Оценка влияния параметров энергетической установки пассажирского транспорта на базе водородного топливного элемента на запас хода

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. 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. 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.

1. 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.

2. 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.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. Ларин В.В. Теория движения полноприводных колёсных машин. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010. – 392 с.

8. 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.

9. 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.

10. РЕМ fuel cell modeling and simulation using Matlab / ed. Spiegel С. – Burlington–San-Diego–London: Academic Press, 2008. – 443 p.

11. 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.

12. 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.

13. 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.

14. 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.

15. 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.

16. 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.

17. 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.