燃料電池電動汽車控制策略的仿真研究

白婷

(上海交通大學機械工程與動力學院，上海 200240)

0 前言

汽車給人們現(xiàn)代化的生活提供了極大的方便，同時也向大氣中排出了大量的有害氣體。近年來，以蓄電池為主要動力的電動汽車曾是世界各國研究的熱點，但經過多年示范運行，由于受蓄電池性能限制及其可能產生的二次污染，這類電動汽車前景看淡。以燃料電池為主要動力的新一代燃料電池電動汽車(FCEV)成為世界各大汽車公司競相開發(fā)的產品［1］。

燃料電池是一種等溫并直接將儲存在燃料和氧化劑中的化學能高效地轉化為電能的發(fā)電裝置，也是一種新型的無污染、無噪聲、大規(guī)模、大功率和高效率的汽車動力和發(fā)電設備。FCEV作為一種高效、低公害的清潔車輛，被普遍認為是解決城市機動車排氣污染的最有效途徑之一［1］。

由于目前FCEV的技術還不是很成熟，燃料電池電動汽車的系統(tǒng)很龐大、復雜，需要的成本高。在計算機技術十分發(fā)達、開發(fā)商競爭日趨激烈的今天，系統(tǒng)建模和仿真研究更顯重要。建立數學模型并應用適合的控制策略進行仿真分析，不僅便于靈活地調整設計方案，優(yōu)化設計參數，而且可以降低科研費用，縮短開發(fā)周期。因此為了更好地研究FCEV的整車性能從而設計真正的FCEV，對它的仿真研究就顯得非常必要［2］。

文中的建模與仿真工作是在MATLAB的仿真工具箱SIMULINK中完成的。SIMULINK是一個用來對動態(tài)系統(tǒng)進行建模、仿真和分析的軟件包，它支持連續(xù)、離散及兩者混合的線性和非線性系統(tǒng)，同時它也支持具有多種采樣速率的多速率系統(tǒng)［7］。

作者按照FCEV的真實物理系統(tǒng)對各個部件模型進行連接，搭建了FCEV的系統(tǒng)模型，并根據設計目標選取了適合的模型參數。最后，進行了仿真實驗，檢驗了FCEV系統(tǒng)部件模型的動態(tài)特性以及應用于系統(tǒng)模型上的控制策略的正確性，為今后研制真正的FCEV及其控制器提供了仿真基礎。

作者對FCEV的控制策略進行仿真研究，主要包括對汽車駕駛的控制(油門、剎車信號);對交流異步電動機的控制(包括再生制動);在混合動力方式下，對燃料電池與蓄電池協(xié)調運行的控制［8］?；诋惒诫妱訖C的物理模型，把傳統(tǒng)的摩擦制動和再生制動結合起來，實現(xiàn)了對FCEV再生制動功能的仿真。而把功率總線作為FCEV系統(tǒng)的一個部件進行建模，更加接近于實際的控制器，從而有利于今后實現(xiàn)真正的FCEV控制器［3，6］。

1 仿真模型的建立

首先需要建立FCEV系統(tǒng)模型。按照部件模型的接口描述，將各個部件模型進行連接和分層，分別構建駕駛控制子系統(tǒng)、機械傳動子系統(tǒng)、電力系統(tǒng)子系統(tǒng)。各個子系統(tǒng)及其構成的整個FCEV系統(tǒng)的SIMULINK模型圖如圖1—4所示。

2 仿真參數的選取

系統(tǒng)模型構建好以后，要選取每個部件模型的參數，使各個部件模型相互匹配，從而整個FCEV系統(tǒng)仿真可以協(xié)調運行。該仿真模型以某公司的概念車以及部分廠家的部件模型參數為參照，為了達到最高時速140 km/h、從0～80 km/h加速的時間小于10 s、以90 km/h的車速行駛的續(xù)駛里程大于400 km的設計目標，需要選取最大輸出功率55 kW的交流異步電機，同時燃料電池最大的輸出功率為30 kW，蓄電池有2000 A·h的容量。各個模型參數的選取如下［4］。

車身模型參數的選取見表1。

表1 車身模型參數的選取

交流異步電機模型參數的選取見表2。

表2 交流異步電機模型參數的選取

蓄電池模型參數的選取見表3。

表3 蓄電池模型參數的選取

燃料電池模型參數的選取見表4。

表4 燃料電池模型參數的選取

3 仿真結果與分析

為了驗證該FCEV模型的駕駛性能，把系統(tǒng)模型中的駕駛循環(huán)和駕駛員模型去掉，在程序中設置駕駛控制模型使得FCEV滿功率運行，并設定蓄電池的SOC范圍為0.65～0.80，初始SOC為0.79，來考察模型的最大車速［5］、最大車速下的續(xù)駛里程、蓄電池SOC變化及加速性等性能指標，仿真結果分別如圖5—7所示。

該次實驗的仿真時間為6219 s，折合為1 h 44 min(1.73 h)，在這個過程中，F(xiàn)CEV經歷了從燃料電池和蓄電池都供電的最大功率開始加速，由于蓄電池的關閉而切換到單獨由燃料電池供電運行，到最后燃料電池的燃料耗盡而滑行減速至停車的過程。

經歷了1 h 44 min，F(xiàn)CEV的行駛里程為244.8 km，最高車速達到165 km/h，燃料電池單獨工作可達到的最高車速為142 km/h，從0～80 km/h加速的時間為8.6 s，數據表明該FCEV仿真模型的加速性及最高車速達到了設計目標的要求。另外，從圖5可以看出:從啟動至行駛0.2 h左右的過程中，燃料電池與蓄電池共同提供電功率，因此，汽車很快就加速到最高車速165 km/h;在行駛0.2 h左右以后，由于蓄電池的SOC降到了功率總線控制策略要求的最小SOC(0.65)，蓄電池停止提供電功，SOC不再下降，此時完全由燃料電池提供電功，因此，車速開始減小并維持在142 km/h左右［5］。

為了檢測FCEV在不同車速下的續(xù)駛里程，可以進行多次仿真實驗分析FCEV在哪個車速下可以達到最大續(xù)駛里程，從而提高燃料的利用效率。

取間隔為10 km/h，在50～120 km/h的車速下進行仿真實驗，計算該FCEV仿真模型在相應車速下的續(xù)駛里程，對各個數據點進行曲線擬合，得到了反映“車速－續(xù)駛里程”關系的曲線，如圖8所示?？梢钥闯?當車速為60 km/h時，F(xiàn)CEV的續(xù)駛里程可以達到585 km，超過了設計目標。

4 結論

以上的實驗結果證明該FCEV模型滿足設計目標，而且初步驗證了功率總線控制策略的正確性。

【1】徐曉玲，張秋埜．燃料電池汽車技術的發(fā)展［J］．能源工程，2001(2):24－26．

【2】劉翔海．燃料電池及其相關技術在汽車領域的應用研究［J］．汽車工業(yè)研究，2001(9):25－28．

【3】王子杰，黃妙華，鄧亞東．EV再生制動系統(tǒng)的建模與仿真［J］．武漢理工大學學報，2001，23(4):102 －105．

【4】梁龍，張欣，李國岫．混合動力電動汽車驅動系統(tǒng)的開發(fā)與應用［J］．汽車工程，2001，23(2):113 －116．

【5】朱元，韓曉東，田光宇．電動汽車動力電池SOC預測技術研究［J］．電源技術，2000(3):153 －156．

【6】陳堅．交流電機數學模型及調速系統(tǒng)［M］．北京:國防工業(yè)出版社，1989:10 －15．

【7】單成信．汽車理論基礎［M］．北京:人民交通出版社，1990:17－25．

【8】米奇克 M．汽車動力學［M］．2版．北京:人民交通出版社，1999:7－18．