電電混合燃料電池電動汽車能量管理策略

聶璽 ，張輝

（1.西安理工大學電氣工程系，陜西 西安 710048；2.西安交通大學電力設(shè)備電氣絕緣國家重點實驗室，陜西 西安 710049）

1 引言

作為近、中期的輔助性技術(shù)，替代能源汽車技術(shù)的節(jié)能減排效果有限［1］。燃料電池電動汽車（FCEV）是一種高效、清潔的車型，具有幾乎無NOx、SOx和粉塵排放，CO和VOC的排放量也很低的特點［2］，但FCEV依然存在一些問題。1）燃料電池電動汽車單以燃料電池作為動力源時，所有負荷都由它承擔，電堆工況變化劇烈，性能衰退快［3］。2）燃料電池的能量不能反向流動，無法回收制動能量，需設(shè)置可以儲存能量的環(huán)節(jié)。3）燃料電池在負載動態(tài)變化時電壓變化大，使用時須在燃料電池與負載之間加入DC/DC變換器。因此，現(xiàn)多以燃料電池作為主動力源，增加蓄電池組或超級電容器作為輔助動力源。

本文以榮威E50為原型車，對汽車動力系統(tǒng)參數(shù)進行計算；采用功率跟隨思想設(shè)計燃料電池電動汽車的能量管理策略，最后用Matlab建立仿真模型進行仿真驗證。

2 動力系統(tǒng)參數(shù)計算

電電混合燃料電池電動汽車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。原型車為上海榮威公司生產(chǎn)的榮威E50純電動汽車，整車具體參數(shù)為：空氣阻力系數(shù)CD=0.3，迎風面積A=1.949 m2，輪胎滾動半徑R=0.27 m，最高車速130 km/h，滾動阻力系數(shù)f=0.01，軸距2.305 m，車重1080 kg，最大爬坡度20%。

圖1 電電混合燃料電池電動汽車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System configuration of electricityelectri city hybrid FCEV

首先，根據(jù)汽車理論，以最高車速vmax來確定電機的最大功率Pmax1：

式中：η為傳動效率；f為滾動阻力系數(shù)；CD為空氣阻力系數(shù)；A為迎風面積。

考慮到乘客和載重，整車質(zhì)量取m=1300 kg，最高車速取vmax=130 km/h，傳動效率η=0.9，將參數(shù)帶入式（1）可得Pmax1≈24 kW。

其次，根據(jù)最大爬坡度αmax來確定電機的最大功率Pmax2：

假定爬坡時車速為50 km/h，將參數(shù)帶入式（2）可得Pmax2≈42 kW。

電機的最大功率必須滿足P≥max｛Pmax1，因此選取1臺最大功率為42 kW，額定功率25 kW的電機作為燃料電池汽車電機。在城市循環(huán)工況下，燃料電池電動汽車的混合度為50%時，氫氣消耗率最低［2］，考慮到變換器的效率（ηDC-DC=0.95），燃料電池的最大輸出功率選為22 kW，額定功率18 kW。

超級電容器組不僅要滿足汽車啟動、加速、爬坡時的功率需求，還需滿足制動時吸收回饋能量的需求。即滿足下式：

式中：v為汽車制動速度；C為超級電容器組額定容量；η為傳動效率。

利用超級電容放電功率等于輸出功率與內(nèi)阻RES上消耗功率之和這一功率平衡關(guān)系，可由下式確定超級電容規(guī)模和數(shù)量：

式中：m為超級電容器組串聯(lián)數(shù)目；n為超級電容器并聯(lián)組數(shù)；P0為系統(tǒng)要求的輸出功率；t為超級電容器組持續(xù)輸出功率時間；ηC-CD為超級電容器組和DC/DC變換器的效率；RES為單體超級電容器的內(nèi)阻；K1為超級電容器組均一系數(shù)；C為單體超級電容器的額定容量；UCN為單體超級電容器額定工作電壓。

由式（3）和式（4）可確定仿真用超級電容器組由10000 F/2.7 V超級電容器10并50串構(gòu)成。

3 混合動力系統(tǒng)能量管理策略設(shè)計

車輛正常行駛時，超級電容器的電荷狀態(tài)（SOC）在最低設(shè)定值與最高設(shè)定值之間，燃料電池應(yīng)在某一設(shè)定的范圍內(nèi)輸出功率，超級電容器不工作；超級電容器的SOC低于最低設(shè)定值時，燃料電池輸出功率不僅滿足車輛驅(qū)動，還要為超級電容器充電，直到超級電容器SOC值達到最高設(shè)定值時，充電停止；車輛啟動時，燃料電池預(yù)熱，超級電容器提供啟動所需的能量；車輛加速或爬坡時，燃料電池和超級電容器共同提供能量。車輛制動時，超級電容器吸收回饋能量［4-5］。

超級電容器組SOC最低設(shè)定值必須滿足超級電容器剩余的能量能夠提供汽車一次最大加速所需的能量，最高設(shè)定值必須滿足能夠完全吸收汽車最大速度制動所產(chǎn)生的能量［6］。

參考國際通用城市道路循環(huán)UDDS（urban dynamometerdriving schedule）工況的數(shù)據(jù)［7］，在該工況下汽車最高車速為91 km/h，平均車速為31 km/h，啟停和車速低于20 km/h的時間約占工況總時間的30%。

式（5）為汽車最大加速時電機功率公式，取汽車最大加速末速度vf=91 km/h，百米加速時間t=16 s，通過式（3）和式（5）確定超級電容器組SOC工作區(qū)間為0.4～0.8。

通過式（1）計算，車速為20 km/h時電機消耗功率為0.85 kW，超級電容可單獨提供能量。因此設(shè)置在汽車時速低于20 km/h時由超級電容單獨工作，避免燃料電池的頻繁開關(guān)。

同樣通過式（1）可算出最高車速下電機消耗的功率為10 kW，在燃料電池的額定功率范圍內(nèi)。因此，正常行駛時燃料電池提供能量，當加速或爬坡電機需求功率大于燃料電池額定功率時，再由超級電容器和燃料電池共同提供能量。

根據(jù)上述思想，設(shè)計超級電容器和燃料電池的控制規(guī)則，詳見表1與表2。

表1 燃料電池工作狀態(tài)判斷Tab.1 State judgment of the fuelcell

表2 超級電容器工作狀態(tài)判斷Tab.2 State judgment of the supercapacitor

通過表1、表2可看出，超級電容器和燃料電池共有3種工作狀態(tài)：超級電容器單獨工作、燃料電池單獨工作、超級電容器和燃料電池共同工作。當兩者共同工作時，由于兩變換器的輸出阻抗存在差異，不能夠平均分擔負載電流，引起動力系統(tǒng)的輸出功率達不到所設(shè)計的最大功率?？煽紤]加入均流控制，來解決功率分配不均的問題。

4 均流控制技術(shù)

常見的均流方法有下垂法、主從設(shè)置法、平均電流自動均流法、最大電流自動均流法等。其中主從設(shè)置法適用于采用電流型控制的并聯(lián)開關(guān)電源系統(tǒng)中，且均流精度高［8］；缺點是主從模塊之間需要通訊聯(lián)系，如果并聯(lián)模塊較多系統(tǒng)就很復(fù)雜。本文只有2個電源模塊，可以使用該方法進行均流。

圖2是主從設(shè)置法的原理圖，在并聯(lián)的模塊中選取一個作為主模塊（master），其它的模塊作為從模塊（slave）。主模塊通過電壓反饋來實現(xiàn)并聯(lián)系統(tǒng)輸出電壓的調(diào)節(jié)，從模塊根據(jù)主模塊所輸出的電流，使其輸出電流跟蹤主模塊的輸出電流。

圖2 主從設(shè)置法的原理圖Fig.2 Principle diagram of master-slave

燃料電池后接變換器采用推挽正激變換器，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 推挽正激變換器Fig.3 Push-pull for word converter

電氣參數(shù)：UFC=120～240 V，C=50 μF，Rload=8 Ω，Lf=1000 μF，Cf=1000 μF，n=3.3。

PI控制器參數(shù)：電流內(nèi)環(huán)KP=1.1，KI=0.01；電壓外環(huán)KP=0.8，KI=132。

超級電容后接變換器采用兩象限電流變換器，結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 兩象限電流變換器Fig.4 Two-quadrant current converter

圖4中，Ubus為燃料電池和超級電容并聯(lián)母線電壓。

電氣參數(shù)：Usc=135 V，L1=60 μH，C1=1000 μF，Rep=10 kΩ，Res=0.01 Ω，Csc=2000 F。

超級電容充電和放電模式都采用電壓電流雙閉環(huán)控制，PI控制器參數(shù)如下：Boost模式，電流內(nèi)環(huán)KP=0.1，KI=70；電壓外環(huán)KP=0.5，KI=20。Buck模式，電流內(nèi)環(huán)KP=0.05，KI=20；電壓外環(huán)KP=0.05，KI=20。

將燃料電池作為主模塊，超級電容器作為從模塊設(shè)計均流控制器。設(shè)置負載功率為20 kW，先將2個電源模塊直接并聯(lián)供電，0.3 s時加入主從設(shè)置均流算法，仿真結(jié)果見圖5。

圖5 均流控制輸出電流波形Fig.5 Current wave forms of power-following

可以看出直接并聯(lián)時，燃料電池的穩(wěn)態(tài)輸出電流是35.2 A，超級電容器的穩(wěn)態(tài)輸出電流是14.8 A，均流誤差為81.6%；加入均流算法后，燃料電池的穩(wěn)態(tài)輸出電流是25.3 A，超級電容器的穩(wěn)態(tài)輸出電流是24.6 A，均流誤差為2.8%，滿足均流誤差小于5%的標準。

5 仿真結(jié)果及結(jié)論

在Matlab環(huán)境下搭建仿真模塊，對設(shè)計的能量管理策略進行驗證。

為模擬汽車工況的變化，在Matlab中進行以下設(shè)置：將超級電容器SOC初始值設(shè)為0.6，負載功率為0.8 kW；0.2 s時，將超級電容SOC值降至0.3，負載功率增至8 kW；0.4 s時，將超級電容器SOC值恢復(fù)到初始值，負載功率不變；0.6 s，將負載功率增至20 kW，超級電容器SOC值不變，仿真結(jié)果見圖6～圖8。

圖6 負載功率波形Fig.6 Power wave form ofload

圖7 FC和SC輸出電流波形Fig.7 Out put current wave form of FC&SC

圖8 負載電壓波形Fig.8 Voltage waveform ofload

從圖6和圖7可看出，在0～0.2 s時，負載功率由超級電容器提供，燃料電池不工作。在0.2～0.4 s時，燃料電池不僅提供負載所需功率，還對超級電容器進行充電。在0.4～0.6 s時，負載功率由燃料電池提供，超級電容器不工作。在0.6～0.8 s時，燃料電池和超級電容器共同為負載提供能量。當負載功率和SOC發(fā)生變化時，燃料電池和超級電容器能按照設(shè)計的控制策略工作。

從圖8可看出，在負載不斷增加和燃料電池與超級電容器的工作狀態(tài)不斷切換的情況下，負載電壓都能夠保持穩(wěn)定。

根據(jù)燃料電池電壓輸出特性偏軟、動態(tài)響應(yīng)差和超級電容器可快速充放電、功率密度大但能量密度較小等特點，參考國際通用城市道路循環(huán)UDDS工況的數(shù)據(jù)，設(shè)計了一種能量管理策略。仿真結(jié)果表明，在該控制策略下變換器能夠根據(jù)負載功率和超級電容SOC的變化正確分配功率。

［1］Zhang Yi，Li Jinhui.New Development of Fuel Cell Vehicle［C］//ICEICE 2011.IEEE，2011（1）：5970-5973.

［2］賈迎春.燃料電池混合動力電動車仿真分析與控制策略研究［D］.吉林：吉林大學，2005.

［3］Yang Xiqian，Hou Ming，Sun Liyan.The Study on Transient Characteristics of Proton Exchange Membrane Fuel Cell Stack During Dynamic Loading［J］.Journal of Power Sources，2007，163（2）：966-970.

［4］Jiang Zhi-ling，Chen Wei-rong.Energy Management for a Fuel Cell Hybrid Vehicle［C］//APPEEC 2010.IEEE，2010：6612-6617.

［5］Phatiphat Thounthong，Panarit Sethakul.Control of Fuel Cell/Battery/Supercapacitor Hybrid Source for Vehicle Applications［C］//Industrial Technology 2009.IEEE，2009：1-6.

［6］張飛飛.混合動力車用復(fù)合電源優(yōu)化控制算法研究［D］.吉林：吉林大學，2012.

［7］張京明，王守軍.PHEV再生制動試驗臺建模與仿真［J］.機械設(shè)計與制造，2010（4）：58-60.

［8］張軍明，謝小高.DC/DC模塊有源均流技術(shù)研究［J］.中國電機工程學報，2005，19（25）：31-36.