燃料電池汽車動(dòng)力系統(tǒng)仿真分析及控制策略研究

梁滿志 囤金軍 范志先 馮海明

摘 要：本次研究以燃料電池客車為原型，提出了燃料電池和動(dòng)力電池組成混合動(dòng)力的優(yōu)化措施，希望能夠滿足特殊工況下能量和動(dòng)力需求，提升燃料電池客車各項(xiàng)動(dòng)力性能指標(biāo)?，F(xiàn)結(jié)合仿真結(jié)果分析模糊控制策略，對燃料電池的功率需求進(jìn)行了控制改進(jìn)，希望可提升燃料電池汽車動(dòng)力系統(tǒng)仿真分析和控制處理質(zhì)量，全面降低燃料電池輸出功率波動(dòng)影響。

關(guān)鍵詞：燃料電池汽車;動(dòng)力系統(tǒng);仿真分析;控制策略

本文立足于不可再生能源短缺和環(huán)境污染問題，結(jié)合現(xiàn)代動(dòng)力汽車生產(chǎn)要求，迫切研究清潔能源代替現(xiàn)有能源的措施建議。隨著現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)展，美國，中國，德國，都推出了燃料電池供能計(jì)劃，以改善傳統(tǒng)能源供給系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)負(fù)載不當(dāng)以及燃料供應(yīng)不足等問題。為解決這一問題，現(xiàn)分析燃料電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)模型，提出燃料電池+動(dòng)力電池的處理方式，希望能為創(chuàng)新燃料電池汽車動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)，現(xiàn)將研究分析闡述如下。

1 簡述燃料電池汽車動(dòng)力系統(tǒng)

1.1 電動(dòng)汽車動(dòng)力組成

目前，燃料電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)內(nèi)設(shè)DCDC、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、燃料電池、輔助能源等系統(tǒng)組成，混合多能源的形式存在，目前可用的方式有“超級(jí)電容+燃料電池”、“動(dòng)力電池+燃料電池”幾種，且超級(jí)電容的充電性能快，可以實(shí)現(xiàn)最大程度的放電，而儲(chǔ)存能源和空間有限，只能夠提供大約1min的峰值功率。針對其輔助能源特征來看，可采用燃料電池+動(dòng)力電池的混合動(dòng)力形式[1]。

燃料客車運(yùn)行中，其中的DC/DC和動(dòng)力電池經(jīng)過并聯(lián)處理后為整個(gè)整車動(dòng)力系統(tǒng)提供能量來源，后期可通過調(diào)節(jié)DCDC調(diào)整輸出功率來改變電池的輸入、輸出表現(xiàn)。并保護(hù)燃料電池，讓其安全運(yùn)行。按照該方式對比混合電源體積和質(zhì)量比，本方案可以穩(wěn)定動(dòng)力系統(tǒng)電源電壓，預(yù)防電壓波動(dòng)，也節(jié)省操作空間。

1.2 燃料電池和動(dòng)力電池的特征研究

從理論上來講，燃料電池動(dòng)力汽車系統(tǒng)其可以達(dá)到很高的效率，實(shí)現(xiàn)化學(xué)能源向電能高效轉(zhuǎn)換[2]。針對實(shí)際效率而言，整個(gè)效率可以達(dá)到50%到70%，綜合計(jì)算效率甚至可以達(dá)到傳統(tǒng)熱機(jī)的2倍以上。

從理論研究上而言，燃料電池的輸出功率可以適應(yīng)不停變化的整車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)系統(tǒng)的功率需求，只需要根據(jù)功率需求進(jìn)行空氣和燃料的的供給，也就是控制燃料電池空壓機(jī)的轉(zhuǎn)速和供氫系統(tǒng)比例閥的開度即可[3]。因此在動(dòng)力電池工作中，要及時(shí)預(yù)防動(dòng)力電池的問題，預(yù)防其過充、放電，以保證動(dòng)力電池的安全、穩(wěn)定。

以溫度為研究分析動(dòng)力電池放電趨勢來看，經(jīng)過試驗(yàn)研究表示，當(dāng)SOC低于0.2時(shí)候，整個(gè)輸出電壓接近于截止電壓;當(dāng)SOC位于0.2-0.8之間時(shí)候，整車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的需求功率要小于動(dòng)力電池可提供的最大持續(xù)脈沖功率，即使在急加速、急減速或者起步階段，驅(qū)動(dòng)功率也有在短時(shí)間內(nèi)小于動(dòng)力電池的30s脈沖功率;當(dāng)SOC位于0.8-1之間的時(shí)候，要防止動(dòng)力電池單體電壓過高而造成的過充故障。因此針對模糊控制策略，要保證整車驅(qū)動(dòng)功率需求在動(dòng)力電池合理的工作區(qū)間內(nèi)進(jìn)行，所以，最佳設(shè)計(jì)值應(yīng)當(dāng)控制在0.3-0.8之間。

2 以燃料電池汽車動(dòng)力需求，分析其動(dòng)力系統(tǒng)的部件參數(shù)

2.1 整車動(dòng)力系統(tǒng)性能參數(shù)研究

本文以我公司10.5米燃料電池客車為基礎(chǔ)進(jìn)行燃料電池仿真分析，整車尺寸和參數(shù)如下。

（1）總質(zhì)量參數(shù)為16500/kg;（2）整備質(zhì)量參數(shù)為10800/kg;（3）車輪滾動(dòng)半徑參數(shù)為0.471/m;（4）滾動(dòng)阻力系數(shù)參數(shù)為0.013;（5）風(fēng)阻系數(shù)參數(shù)為0.65;（6）整車半載參數(shù)為13700/kg;（7）迎風(fēng)面積參數(shù)為27.7/m。

為使燃料電池客車滿足公交工況下的運(yùn)行條件，現(xiàn)結(jié)合CCBC工況的運(yùn)行特點(diǎn)進(jìn)行研究分析，其中目標(biāo)車輛的整體經(jīng)濟(jì)性和運(yùn)動(dòng)參數(shù)目標(biāo)如下。

（1）最高車速為69-70km/h;（2）0～30km/h加速時(shí)間應(yīng)當(dāng)?shù)陀?s;（3）CCBC工況續(xù)駛里程大于300km;（4）若以10 km/h計(jì)算，最大爬坡度應(yīng)當(dāng)大于15%;（5）百公里氫消耗量應(yīng)當(dāng)?shù)陀?kg。

2.2 確定橋速比

燃料電池汽車仿真設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)橋速比應(yīng)當(dāng)滿足以上要求，且根據(jù) MATLAB/Simulink要求校對整個(gè)車輛的加速性能。

仿真測試結(jié)果表示，當(dāng)驅(qū)動(dòng)橋速比為6.134時(shí)候，加速時(shí)間在0-30 km/h時(shí)，需加速時(shí)間6.63秒;當(dāng)加速時(shí)間為0-50km/h時(shí)，加速時(shí)間約為20.65秒;當(dāng)驅(qū)動(dòng)橋速比為7.410時(shí)候，加速時(shí)間在0-30 km/h時(shí)，需加速時(shí)間5.25秒;當(dāng)加速時(shí)間為0-50km/h時(shí)，加速時(shí)間約為26.24秒。

3 模糊控制器仿真設(shè)計(jì)研究

試驗(yàn)證明，頻繁的啟動(dòng)和變載會(huì)導(dǎo)致燃料電池的壽命降低[4]，因此，燃料電池作為燃料客車正常行駛的直接動(dòng)力來源，為了提升燃料電池的耐久性，保持燃料電池的輸出功率穩(wěn)定性，那么動(dòng)力電池就要作為一個(gè)能量緩沖容器，當(dāng)需求功率大于燃料電池當(dāng)前輸出功率時(shí)，動(dòng)力電池提供能量，當(dāng)需求功率小于燃料電池當(dāng)前輸出功率時(shí)，動(dòng)力電池存儲(chǔ)能量。這個(gè)過程需保證動(dòng)力電池的安全運(yùn)行，要有效預(yù)防動(dòng)力電池過充或過放電問題，建議及時(shí)控制動(dòng)力電池，讓其可以回收制動(dòng)能量，全面提升動(dòng)力電池、燃料電池的運(yùn)用質(zhì)量和工作效率[5]。

3.1 設(shè)計(jì)模糊控制器

模糊控制器有規(guī)則庫、模糊推理和接口處理幾個(gè)部分，本次研究采用了頂層模塊燃料電池控制策略中的輸出和輸入策略，且動(dòng)力電池的SOC的輸入值和總線需求功率Pb進(jìn)行相應(yīng)研究。對于輸入量的模糊部分，需要將真實(shí)測試的值轉(zhuǎn)換為模糊數(shù)據(jù)模式，然后輸入到模糊控制器中。在模糊規(guī)則約束轉(zhuǎn)換和控制之后，然后將模糊集進(jìn)行數(shù)字化為相應(yīng)的編號(hào)?，F(xiàn)代模糊推理的數(shù)字化過程。在當(dāng)前的主流模糊工具中，有Mamdani推理系統(tǒng)和Sugeno系統(tǒng)幾類[6]，且M類型的模糊系統(tǒng)方式簡單最為常見，學(xué)難度不大;S類型的模糊推理屬于線性函數(shù)類型，使用頻率不高且存在實(shí)用性問題，因此工業(yè)中常用M模糊類型方式。

3.2 傳統(tǒng)控制策略建模和仿真分析

本次研究采用Simulink傳統(tǒng)建模和控制系統(tǒng)，針對其燃料混合動(dòng)力汽車系統(tǒng)特征，仿真流程需先將所有的數(shù)據(jù)輸入到對應(yīng)的文件中，進(jìn)而核對、修改、優(yōu)化對應(yīng)的文件類型，在基于功率伴隨策略下完成仿真任務(wù)，最后將傳統(tǒng)模糊控制策略數(shù)據(jù)輸入到ADVISOR頂層模塊中，完成對應(yīng)仿真控制計(jì)劃。

對比分析可知，燃料電池客車在基于CCBC道路下，隨著模糊控制參數(shù)變化，整個(gè)車輛的行駛狀態(tài)良好，且在動(dòng)力汽車運(yùn)行中，燃料電池在行駛中，動(dòng)力電池SOC值變化較為明顯，隨著SOC的波動(dòng)范圍變化，其保證了動(dòng)力電池放電安全性以及高效性。這對動(dòng)力電池客車安全行駛奠定了基礎(chǔ)。針對燃料電池實(shí)際輸出功率和變化情況可知，其波動(dòng)范圍多在[6kW，25kW]區(qū)間內(nèi)，其波動(dòng)幅度較大，且圖形中道路工況變化下，電機(jī)的需求功率變化也直接影響了總線需求變化，整體分析可知，這種傳統(tǒng)模糊控制策略大多能夠滿足燃料客車在CCBC道路運(yùn)行下的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性要求。

3.3 改進(jìn)的模糊控制器

結(jié)合公交客車的動(dòng)力需求，燃料電池工況客車動(dòng)力系統(tǒng)處于能量再生循環(huán)模式。在制動(dòng)能量回收模式下，電動(dòng)機(jī)會(huì)及時(shí)為動(dòng)力電池充電。當(dāng)所需功率發(fā)生顯著變化時(shí)，在[0，100 kW]間隔內(nèi)，燃料電池和動(dòng)力電池將處于集中式充電模式。

對于模糊語言中的變量和定量描述類型，隸屬函數(shù)具有離散和連續(xù)的兩種不同的變化形式，其中連續(xù)隸屬函數(shù)非常普遍，例如梯形、三角形、高斯型幾大類。而在0-100KW時(shí)候隸屬度多屬于高斯分布。-100～0區(qū)間范圍內(nèi)多屬于梯形函數(shù)。研究表示，當(dāng)燃料電池隨著增益系數(shù)變化時(shí)候，整個(gè)區(qū)間的值也在發(fā)生直接變化，當(dāng)增益系數(shù)增加到0.5時(shí)候，整個(gè)燃料電池的效率達(dá)到最高，且控制增益系數(shù)為0.5時(shí)候，整個(gè)燃料電池效率為0.58，動(dòng)力電池效率為0.96。

4 仿真結(jié)果分析

本次仿真燃料電池客車測試結(jié)果如下圖1所示，在 CCBC 工況下，分段模糊控制策略中，燃料電池客車在該路段中運(yùn)行良好。

圖1（a）表示燃料電池客車運(yùn)行中的實(shí)際行車趨向和工況正常車速接警，且動(dòng)力供能滿足需求。觀察圖1（b），雖然SOC值變化趨勢在下降，其波動(dòng)范圍在[0.6，0.8]之間，可保證動(dòng)力電池充放電安全性。

圖1（c）表示燃料電池客車實(shí)際輸出功率隨著時(shí)間變化，觀察圖中燃料電池的實(shí)際輸出功率變化，其在[14 kW，25 kW]變化幅度之間。

圖1（d）展示了電機(jī)功率變化和道路工況之間的變化關(guān)系，側(cè)面反映了總線需求功率濱化。其變化幅度在[-10 kW，18 kW]之間。

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃：燃料電池公交車電-電深度混合動(dòng)力系統(tǒng)平臺(tái)及整車開發(fā)，項(xiàng)目編號(hào)：2018YFB0105500。

參考文獻(xiàn)：

[1]《中國公路學(xué)報(bào)》編輯部. 中國汽車工程學(xué)術(shù)研究綜述·2017[J]. 中國公路學(xué)報(bào)，2017，30（06）：1-197.

[2]王鍵，鄭松林，郝景賢，饒洪宇. 后驅(qū)燃料電池客車的控制策略開發(fā)[J]. 重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)），2018，32（12）：31-37.

[3]王哲，謝怡，孫維，臧鵬飛. 燃料電池客車動(dòng)力系統(tǒng)建模與能量管理策略研究[J]. 同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2019，47（01）：97-103+123.

[4]贠海濤，林晉召，曾欣.增程式燃料電池物流車動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)與控制[J]. 現(xiàn)代制造工程，2019（03）：56-61.

[5]江玥，李濤，張哲，劉雨暉，陳申龍，張志猛.燃料電池汽車動(dòng)力系統(tǒng)仿真分析及控制策略研究[J]. 數(shù)字制造科學(xué)，2019，17（02）：136-141+166.

[6]杜嗣琢，朱有地，楊福生，陳永哲. 純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配及整車控制策略研究分析[J]. 時(shí)代汽車，2019（12）：56-57.