功率平衡式燃料電池系統(tǒng)控制算法研究

黃桂東　柳建新　劉志龍

摘 要：本文以燃料電池城市客車為研究對象，根據(jù)燃料電池系統(tǒng)的特性，研究適合功率平衡式燃料電池系統(tǒng)的控制算法，并通過仿真分析對該燃料電池的控制算法進行驗證。

關(guān)鍵詞：燃料電池系統(tǒng);功力平衡;控制算法;仿真分析

1 引言

燃料電池系統(tǒng)能具有無污染、效率高和續(xù)駛里程長等優(yōu)點，因而具有相當大的市場潛力。本文基于某客車制造有限公司的燃料電池客車項目，在Simulink搭建燃料電池整車控制策略，然后基于中國典型城市公交工況，對燃料電池系統(tǒng)控制算法進行深入研究。

2 整車構(gòu)型和參數(shù)

本文基于某燃料電池客車對燃料電池系統(tǒng)控制算法進行研究，該燃料電池客車包括燃料電池、主DCDC、供氫系統(tǒng)、主電機、AMT變速箱和動力電池等，該車具體構(gòu)型如圖1所示[1]。

該整車基本參數(shù)：車長12m，整備質(zhì)量13t，最大質(zhì)量18t，風阻系數(shù)0.6，迎風面積7.07m2，滾阻系數(shù)0.008，輪胎半徑0.47m，主減速比6.14;驅(qū)動電機參數(shù)：峰值/額定功率為140/80kW，峰值/額定扭矩為1200/ 600Nm，最高/額定轉(zhuǎn)速為3000/1200rpm;AMT變速器速比4.83/2.82/1.65/1;動力電池參數(shù)：額定電壓576V，額定容量92Ah;燃料電池參數(shù)：最大功率30kW，數(shù)量2個;主DCDC參數(shù)：功率40kW，工作電壓范圍：460～610V，輸入電流250A，額定輸出電流90A，數(shù)量2個。

3 控制算法研究

3.1 控制算法思路

燃料電池控制算法的核心是依據(jù)燃料電池系統(tǒng)和動力電池的特性，根據(jù)車輛實際運行工況，研究適合功率平衡式燃料電池系統(tǒng)的控制算法，提升燃料電池客車可靠性和壽命。由于燃料電池系統(tǒng)特性，所以燃料電池客車只能靠動力電池提供整車瞬態(tài)功率，而燃料電池以相對穩(wěn)定情況運行。

本文燃料電池客車有兩個燃料電池電堆，由于燃料電池只能以1～2kW/s速率響應(yīng)整車功率指令，且單堆只能工作在工作點固定在14kW/20kW/24kW/30kW/34kW這幾個工作點，在做燃料電池控制算法是要考慮燃料電池無法瞬態(tài)響應(yīng)整車需求的特性，所以盡可能讓燃料電池工作在相對穩(wěn)定的工作點等。

本文燃料電池控制思路：首先，計算前一段時間的整車平均功率作為整車需求功率的預估;然后，根據(jù)整車需求功率預估和當前電池SOC確定燃料電池系統(tǒng)的需求功率;燃料電池系統(tǒng)的需求功率需要考慮動力電池可持續(xù)充電電流的限制以及燃料電池工作點的限制等[2][3];燃料電池系統(tǒng)控制如圖2所示。

目前國內(nèi)公交客車測試主要采用中國典型城市公交工況（CCBC），該工況曲線如圖3所示，由圖可知，該工況變化復雜，停車時間長，平均車速較低，因此該工況反映國內(nèi)大部分城市公交工況。本文燃料電池客車將在CCBC工況下對燃料電池系統(tǒng)控制算法進行研究。

3.2 整車功率預估

燃料電池客車在行駛的過程中，為維持整車電量平衡，在一段時間內(nèi)，燃料電池系統(tǒng)輸出的平均功率和整車消耗的平均功率大致相當，因此通過整車前一段時間平均功率作為整車功率需求的預估，整車功率需求和當前動力電池SOC作為燃料電池系統(tǒng)需求功率參考。

本文假設(shè)燃料電池客車電輔件如DCDC、電動打氣泵、電動助力轉(zhuǎn)向、冷卻水泵、燃料電池系統(tǒng)輔件等功率在8kW左右。

下面將基于CCBC工況對整車功率計算進行研究。在Simulink搭建燃料電池控制策略中，整車功率每30s間隔計算一次，則在CCBC工況下整車功率如圖4所示，整車最大功率可達88kw，整車最小功率僅為-17kw，整車功率變化劇烈并且出現(xiàn)負值。若使用該整車功率計算方式，整車功率出現(xiàn)負值且變化劇烈，因而燃料電池需求功率也同樣變化劇烈;由于燃料電池系統(tǒng)響應(yīng)慢和工作點固定，故計算整車功率時間間隔需要延長。

整車功率計算時間間隔改為1min，則在CCBC工況下整車功率如圖5所示，整車最大功率為40kW，最小功率-4kW，同樣，整車功率變化比較劇烈，同樣出現(xiàn)負值。

若整車功率計算時間間隔改為2min，則在CCBC工況下整車功率如圖6所示，整車最大功率為27kW，整車功率變化比較平緩且無負值。

整車功率計算時間間隔還是2min，但是與前2min整車功率取平均值，則在CCBC工況下整車功率如圖7所示，整車最大功率為20kW，整車功率變化較之前更加平緩，更利于燃料電池的控制。

綜上可知，計算整車功率的時間間隔越長，整車功率越平穩(wěn)，更利于燃料電池系統(tǒng)的控制。但是計算時間間隔越長，整車功率計算越遲滯，越不能反映整車功率的變化。綜合考慮，本文燃料電池控制算法中采用時間間隔2min且與前一時間間隔取均值作為整車需求功率的預估。

3.3 燃料電池系統(tǒng)的控制

本文燃料電池客車有兩個電堆，且單堆工作點為14kW/20kW/24kW/30kW/34kW。

燃料電池客車在行駛過程中，若維持動力電量平衡，在一段時間內(nèi)，整車功率和燃料電池輸出功率要大致相同，但是若動力電池SOC很低，則需要加大燃料電池系統(tǒng)的輸出功率使動力電池SOC升高;反之，若動力電池SOC過高，則燃料電池系統(tǒng)輸出功率則需要減少，這時動力電池SOC下降，使得動力電池SOC維持相對平衡。

燃料電池控制算法將以整車功率和動力電池SOC確定燃料電池需求功率，當整車功率越大，燃料電池需求功率越大;動力電池SOC越低，燃料電池需求功率越大，所以在燃料電池系統(tǒng)的控制算法中，通過整車功率和動力電池SOC查表得到燃料電池需求功率，該表具體數(shù)據(jù)如表1所示。

燃料電池系統(tǒng)含空氣壓縮機和水泵等輔件，在正常工作狀態(tài)下，燃料電池凈功率比其需求功率少4～6k，在本文仿真中，假定燃料電池系統(tǒng)輔件功率5kW。

下面通過仿真驗證通過表1查表得到燃料電池需求功率能否維持燃料電池整車電量平衡。

電池起始SOC分別為40%、60%和80%，一共進行6個CCBC工況，動力電池SOC和燃料電池需求功率隨工況的變化如圖8、圖9和圖10所示。由圖可知，當動力電池起始SOC比較低時，燃料電池需求功率增加，此時燃料電池需求功率大于整車消耗功率，動力電池SOC升高;當動力電池起始SOC在50%～60%時，燃料電池需求功率與整車消耗功率大致相當，動力電池SOC始終維持在55%左右;當動力電池起始SOC較高時，燃料電池需求功率小于整車消耗功率，動力電池SOC下降;但是，無論動力電池起始SOC多少，通過表1查得燃料電池系統(tǒng)需求功率，最終動力電池SOC維持在50%～60%之間。

4 結(jié)論

本文基于某燃料電池客車整車基本參數(shù)、燃料電池系統(tǒng)參數(shù)和動力總成參數(shù)等，根據(jù)燃料電池的特性，研究如何在Simulink中計算燃料電池整車功率;最后通過整車功率和動力電池SOC得到燃料電池系統(tǒng)需求功率，并通過仿真分析驗證燃料電池系統(tǒng)控制算法的有效性。

參考文獻：

[1]劉志.基于AMT的電動汽車動力特性研究[D].重慶：重慶理工大學車輛工程學院，2015：14-28.

[2]吳澈.燃料電池汽車動力系統(tǒng)匹配及控制策略研究[D].2016.

[3]張來云.增程式燃料電池汽車動力系統(tǒng)匹配及能量管理策略研究[D].2016.