燃料電池增程式電動車能量管理策略研究

侯玉嬌++馬小峰

摘 要：建立燃料電池增程式電動車仿真模型，以車輛最長續(xù)駛里程為優(yōu)化目標(biāo)，建立恒溫器及功率跟隨的能量管理策略。仿真結(jié)果分析表明在平均車速較低、怠速占比較高的低速工況下恒溫器策略在保證整車燃油經(jīng)濟(jì)性的前提下可以兼顧燃料電池壽命。功率跟隨策略可以覆蓋平均車速較高、怠速占比較低的工況，但整車燃油經(jīng)濟(jì)性較差。

關(guān)鍵詞：燃料電池增程式電動車；能量管理策略；燃油經(jīng)濟(jì)性

基金項(xiàng)目：中央高校（同濟(jì)大學(xué)）基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)學(xué)科交叉類項(xiàng)目 0800219311

1.引言

發(fā)展電動汽車是目前解決能源危機(jī)和環(huán)境污染的重要手段，但純電動汽車存在續(xù)駛里程短，充電時間長的問題。增程式電動汽車作為一種特殊的混合動力電動汽車，既擁有一定的純電動行駛里程，又可以通過增程器發(fā)電以獲得不遜于傳統(tǒng)車的續(xù)駛里程。在這樣的背景下，使用增程式電動汽車是解決排放污染和能源問題最具現(xiàn)實(shí)意義的途徑之一。

增程式電動車作為混合動力汽車的一個分支，具有混合動力汽車的基本特點(diǎn)。有別于傳統(tǒng)汽車和純電動車，增程式電動車可由兩種能量源提供動力。這種雙能量源的特征增加了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性，在整車能量管理系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制下，雙能量源與其他部件相互配合，可以進(jìn)行多種優(yōu)化組合，形成不同的動力系統(tǒng)工作模式，以適應(yīng)不同的行駛工況。同時整車能量管理策略決定了整車的燃油經(jīng)濟(jì)性、動力性和排放性，因此能量管理策略的設(shè)計(jì)對整車經(jīng)濟(jì)性有著顯著的影響。

2.增程式電動車

增程式電動車是在純電動汽車基礎(chǔ)上安裝增程器。增程器是能夠發(fā)電且給車載動力蓄電池充電的輔助能量裝置。當(dāng)蓄電池電量充足時，汽車以純電動模式行駛；當(dāng)蓄電池電量不足時，增程器開始工作，給蓄電池充電或直接驅(qū)動電機(jī)，從而大幅提高電動汽車的續(xù)駛里程。在眾多類型的增程器中，質(zhì)子交換膜燃料電池以其具有零排放、動態(tài)響應(yīng)迅速、能量轉(zhuǎn)換效率高等眾多優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的關(guān)注。本文研究對象是以燃料電池作為增程器的燃料電池增程式電動車。如圖1所示為燃料電池增程式電動車的動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[1]。

圖1燃料電池增程式電動汽車動力系統(tǒng)

2.1整車動力系統(tǒng)模型

基于原型車的基礎(chǔ)上建立混合動力汽車模型，保留其共有的部分，添加增程式燃料電池汽車特有的部件模型，編制控制算法，連接控制信號。首先根據(jù)汽車功率流的走向，依次將ADVISOR軟件中的各個組件模塊加入，建立連接關(guān)系，建立整車的結(jié)構(gòu)模型。

汽車在行駛過程中的阻力功率主要來自滾動阻力、風(fēng)阻、坡道阻力及加速阻力，汽車的需求牽引力可通過汽車行駛阻力方程式可通過以下公式來計(jì)算：

其中：

公式中，G=mg，f為滾動阻力系數(shù)，α為坡度，CD為空氣阻力系數(shù)，A為汽車迎風(fēng)面積。V為汽車當(dāng)前車速，δ為汽車質(zhì)量轉(zhuǎn)換系數(shù)，通常行駛道路的坡度角不大，cos α=1，sin α=tan α=I，則汽車的行駛方程可寫為：

則整車的功率平衡方程為

整車動力學(xué)參數(shù)如表1所示

表1 整車參數(shù)

2.2燃料電池系統(tǒng)模型

燃料電池的性能可以用它的電流-電壓特性圖來概述，該圖顯示在一個給定電流輸出時燃料電池的電壓輸出。

燃料電池釋放的功率由電流和電壓的乘積給出，因此反應(yīng)燃料電池的功率密度和電流密度的函數(shù)關(guān)系的功率密度曲線可以由電流-電壓曲線中的信息構(gòu)造。電流-電壓曲線和功率密度曲線組合的曲線圖為極化曲線圖，如圖2所示為燃料電池的極化曲線質(zhì)子交換膜燃料電池極化曲線可由下式描述：

式中，V表示燃料電池的實(shí)際輸出電壓；Ethermo表示熱動力學(xué)預(yù)測的燃料電池電壓輸出；ηact表示由反應(yīng)動力學(xué)引起的活化損耗；ηohmic表示由離子和電子傳導(dǎo)而引起的歐姆損耗；ηconc表示由質(zhì)量傳輸引起的濃度損耗。從圖2中可以看出，燃料電池的功率密度隨電流密度的增加而增加，達(dá)到一個最大值，即峰值功率，然后在較高電流密度區(qū)下降。

一個完整的燃料電池系統(tǒng)模型主要有燃料電池電堆模型，氫氣供應(yīng)模型，輔助系統(tǒng)功耗模型、空壓機(jī)模型、氧氣供應(yīng)模型、產(chǎn)熱量模型以及產(chǎn)水量模型等構(gòu)成[2]。

N為燃料電池單體數(shù)目；Vfc為電堆工作時單體的平均電壓；ifc為電堆工作時的電流，Pcp為空壓機(jī)工作時的功耗；PAuxiliary為水泵以及繼電器等低壓器件的功耗。如圖3所示為燃料電池系統(tǒng)模型示意圖。

本文采用的燃料電池模型基于ADVISOR軟件搭建，模型構(gòu)成主要包含了燃料電池電堆、水泵及低壓用電器、氫氣供應(yīng)、空壓機(jī)功耗等幾個模塊。

本文基于某款10kw的燃料電池系統(tǒng)來進(jìn)行燃料電池系統(tǒng)模型的驗(yàn)證工作，驗(yàn)證模型的氫氣消耗量與系統(tǒng)臺架試驗(yàn)的誤差，氫氣當(dāng)量比1.2，燃料電池單體片數(shù)140，燃料電池系統(tǒng)額定功率10 kw，峰值功率11 kw。如圖4所示為燃料電池系統(tǒng)的模型圖。

2.3鋰電池模型

目前有很多可供借鑒參考的電池模型，本文選取所需參數(shù)較少的Rint模型。Rint模型只考慮內(nèi)阻引起的能量損失，它將蓄電池抽象為一個理想的開路電壓源VOC與一個內(nèi)阻Rint串聯(lián)的等效電路結(jié)構(gòu)。在ADVISOR中實(shí)現(xiàn)的Rint電池模型由五個主要部分組成：1）蓄電池組開路電壓及內(nèi)阻模塊；2）功率限制模塊；3）電流電壓計(jì)算模塊；4）SOC計(jì)算模塊；5）熱模塊。根據(jù)本文研究對象，主要修改了蓄電池組開路電壓及內(nèi)阻模塊中電池組開路電壓、充電內(nèi)阻、放電內(nèi)阻與SOC相關(guān)數(shù)據(jù)[3]。

Qbat為蓄電池容量，V0為蓄電池開路電壓，Rbat為蓄電池內(nèi)阻，V0，Rbat為電池SOC的函數(shù)。如圖5所示為動力電池的仿真模型。

2.4驅(qū)動電機(jī)模型

電機(jī)模型有兩種控制方式，：扭矩控制和功率控制。扭矩控制要求輸入電機(jī)在不同油門開度的情況下對應(yīng)的扭矩響應(yīng)特性曲線，可以較為精確地反映電機(jī)的控制策略，主要應(yīng)用整車動力性能的仿真。功率控制是直接根據(jù)整車行駛的功率和車速需求對電機(jī)提出扭矩和轉(zhuǎn)速請求，只要不超過電機(jī)的外特性曲線，電機(jī)就可以提供車輛所需的功率。該控制方法簡單，但可以反映電機(jī)的功率輸出，即能量消耗，因此適用于各種工況的經(jīng)濟(jì)性仿真。三相交流同步電機(jī)模型公式所示[4]

本文所采用的電機(jī)采用水冷模式，最大轉(zhuǎn)速12000rpm，最大轉(zhuǎn)矩270Nm，額定電壓308V。電動及發(fā)電模式下，系統(tǒng)最高效率都超過94%。如圖7所示為驅(qū)動電機(jī)的外特性及效率曲線。

3.增程式燃料電池汽車能量管理策略

3.1 恒溫器控制策略

保證燃料電池工作在高效率區(qū)間之內(nèi)，其功率輸出根據(jù)整車SOC值來調(diào)整，當(dāng)動力電池SOC降到某一限值時，燃料電池啟動。整車對燃料電池系統(tǒng)輸出功率請求根據(jù)當(dāng)前動力電池SOC由下表插值得到。當(dāng)SOC升至某一限值時，燃料電池系統(tǒng)降低功率至最低允許輸出功率，當(dāng)SOC升至某一高限值時關(guān)閉燃料電池，直到再次達(dá)到啟動條件。燃料電池系統(tǒng)輸出功率上限見表3

表2不同SOC下燃料電池系統(tǒng)輸出功率限值

3.2 功率跟隨控制策略

燃料電池始終開啟，該策略的匹配目標(biāo)是將氫氣和動力電池同時耗盡，從而獲得當(dāng)前條件下的最大續(xù)駛里程。首先根據(jù)前一段時間內(nèi)SOC的下降率，估算動力電池還可持續(xù)使用的時間；結(jié)合當(dāng)前車載氫氣的剩余能量，估算出燃料電池系統(tǒng)需要輸出的功率：

其中： Pfc（kW）為需要燃料電池系統(tǒng)輸出的功率，mH2（kg）是氫氣剩余質(zhì)量，△t為預(yù)設(shè)的時間間隔，△SOC為當(dāng)前SOC與△t時間前的動力電池SOC之差。

4.仿真和結(jié)果討論

4.1 仿真初始條件

仿真初始條件取蓄電池SOC初始值為0.95，SOC截止窗口0.1，氫氣質(zhì)量1.73kg。仿真工況為在各個國家地區(qū)通用的仿真工況WLTP、NEDC、UDDS、HWFET、US06、10-15、JC08、QCT759 common 、QCT759 fast。

4.2 仿真結(jié)果對比

如表3、圖8和圖9所示為三種能量管理策略在不同工況下的續(xù)駛里程，氫氣剩余量，功率跟隨相對于恒溫器續(xù)駛里程增加百分比。

表3兩種策略下的仿真結(jié)果及續(xù)駛里程增加百分比

圖8兩種策略下的續(xù)駛里程仿真結(jié)果

4.3 功率跟隨與恒溫器策略對比

從表4中可以看出，功率跟隨與恒溫器策略相比，功率跟隨在WLTP、HWFET、US06、QCT759fast幾個工況下經(jīng)濟(jì)性有所提高，在其他工況下經(jīng)濟(jì)性均為負(fù)增長。其中在US06工況下，經(jīng)濟(jì)性增加百分比為34.51%，分析原因?yàn)樵诤銣仄鞑呗韵氯剂想姵叵到y(tǒng)輸出功率不能滿足US06工況功率需求，SOC 狀態(tài)不能保持，造成電量先于氫氣用完，而在功率跟隨策略下，燃料電池系統(tǒng)可以以較大功率輸出，可以保證氫氣在整個周期內(nèi)用完，導(dǎo)致續(xù)駛里程差距較大。

4.4 燃料電池系統(tǒng)輸出功率變化率對比

燃料電池功率波動對燃料電池壽命會造成影響，如圖6和8所示分別為燃料電池系統(tǒng)功率、電池SOC以及燃料電池系統(tǒng)功率變化率在NEDC工況下隨時間的變化關(guān)系。

圖9燃料電池電池系統(tǒng)功率、電池SOC在NEDC工況下隨時間的變化關(guān)系

圖10燃料電池系統(tǒng)輸出功率變化率在NEDC工況下隨時間的變化關(guān)系

從圖10中可以看出，在恒溫器策略下，除在初次啟動和最終停止階段出現(xiàn)燃料電池系統(tǒng)功率較大波動外，在正常工作范圍內(nèi)，功率波動最大值為0.42kW/s，燃料電池開關(guān)次數(shù)為0；在功率跟隨策略下功率波動最大值為2.7kW/s，燃料電池開關(guān)次數(shù)為0。綜合以上數(shù)據(jù)說明對燃料電池壽命的影響，恒溫器策略最優(yōu)，功率跟隨次之。

5.結(jié)論

本文將恒溫器、功率跟隨以及瞬時優(yōu)化策略用于增程式燃料電池汽車能量管理策略的研究與分析。結(jié)果分析表明在平均車速較低、怠速占比較高的低速工況下恒溫器策略在保證整車燃油經(jīng)濟(jì)性的前提下可以兼顧燃料電池壽命。但在平均車速較高、怠速占比較低的工況下整車燃油經(jīng)濟(jì)性有所降低。功率跟隨策略可以覆蓋平均車速較高、怠速占比較低的工況，但整車燃油經(jīng)濟(jì)性較差。

參考文獻(xiàn)

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