燃料電池小型車SOC動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)的功率跟隨控制策略

陳維榮 ，李錦程 ，李 奇

（西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，四川 成都 610031）

近年來，氫能技術(shù)憑借綠色環(huán)保，高轉(zhuǎn)換效率，功率密度大等優(yōu)勢(shì)，迅速在交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域發(fā)展應(yīng)用[1]. 質(zhì)子交換膜燃料電池是一種利用氫氣與氧氣進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能的裝置，基于質(zhì)子交換膜燃料電池作為動(dòng)力來源的混合動(dòng)力車因具有補(bǔ)充能量迅速，純綠色零排放，啟動(dòng)溫度低等優(yōu)點(diǎn)，得到廣泛關(guān)注與研究.

風(fēng)冷型質(zhì)子交換膜燃料電池依靠環(huán)境中空氣進(jìn)行降溫，無需其他降溫裝置，相對(duì)于水冷型燃料電池，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低的優(yōu)勢(shì)，通常與鋰電池組成混合動(dòng)力系統(tǒng)，適合應(yīng)用于巡邏車，觀光車等小型車輛等中小功率氫能設(shè)備應(yīng)用中. 傳統(tǒng)的混合動(dòng)力能量管理策略常采用狀態(tài)機(jī)[2]、功率跟隨[3]、等效氫耗[4]、模糊控制[5]等方法. 然而近年來，許多基于優(yōu)化的控制策略被應(yīng)用于混合動(dòng)力能量分配中，以獲得更好的性能指標(biāo). 王哲等[6]提出一種基于Pontryagin極小值原理設(shè)計(jì)的提高車輛經(jīng)濟(jì)性和燃料電池耐久性的能量管理策略. 徐陳鋒[7]提出一種基于自適應(yīng)模糊策略的能量管理方法，在不同工況下調(diào)節(jié)控制參數(shù)，使系統(tǒng)具有較強(qiáng)魯棒性. 張國(guó)瑞等[8]針對(duì)燃料電池有軌電車運(yùn)行特點(diǎn)，提出一種基于運(yùn)行模式和動(dòng)態(tài)混合度的控制策略，通過RT-LAB進(jìn)行仿真驗(yàn)證，具有較高的燃料經(jīng)濟(jì)性.

本文使用風(fēng)冷質(zhì)子交換膜燃料電池與鋰電池組成混合動(dòng)力系統(tǒng)，并逐一介紹構(gòu)成車輛的混合動(dòng)力系統(tǒng)、氫氣儲(chǔ)存供給系統(tǒng)、信號(hào)控制系統(tǒng). 針對(duì)目前混合動(dòng)力系統(tǒng)燃料電池功率變化及SOC （state of charge）波動(dòng)劇烈問題，提出一種動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)的功率跟隨算法，該算法可對(duì)不同工況及初始SOC改變調(diào)節(jié)系數(shù)，達(dá)到減小鋰電池SOC及燃料電池輸出功率波動(dòng)的效果，通過運(yùn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)獲得數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并驗(yàn)證控制算法有效性.

1 燃料電池混合動(dòng)力車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該燃料電池混合動(dòng)力觀光車采用燃料電池-鋰電池混合動(dòng)力模式，設(shè)計(jì)最高運(yùn)行速度30 km/h，續(xù)航里程150 km，最大載客量12人（人均重量70 kg/人），該車于2018年8月25日經(jīng)過調(diào)試測(cè)驗(yàn)，可正常運(yùn)行，車輛實(shí)景如圖1所示.

圖1 燃料電池混合動(dòng)力車運(yùn)行實(shí)景Fig. 1 Fuel-cell hybrid electric vehicle

該燃料電池混合動(dòng)力車采用風(fēng)冷型燃料電池電堆與鋰電池組成的混合動(dòng)力系統(tǒng)提供能量來源，采用5 kW三相異步電機(jī)為整車提供動(dòng)力，整車由混合動(dòng)力系統(tǒng)、氫氣儲(chǔ)存供給系統(tǒng)、信號(hào)控制系統(tǒng)3部分構(gòu)成，車輛結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖2 混合動(dòng)力車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig. 2 Hybrid car system structure

車輛設(shè)計(jì)參數(shù)符合電動(dòng)觀光車相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，具體參數(shù)如表1所示.

表1 車輛運(yùn)行參數(shù)Tab. 1 Vehicle operating parameters

1.1 混合動(dòng)力

混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示，該系統(tǒng)采用3 kW風(fēng)冷型燃料電池電堆作為主動(dòng)力源，電堆控制器通過控制電堆散熱風(fēng)扇及進(jìn)出氣電磁閥調(diào)節(jié)電堆工作溫度. 由于電堆輸出電壓受輸出功率影響，通常在燃料電池后級(jí)增加一級(jí)直流變換器穩(wěn)定輸出電壓及控制燃料電池輸出功率. 系統(tǒng)配置60 V、200 A·h 鋰電池與燃料電池組成混合動(dòng)力系統(tǒng)，補(bǔ)足燃料電池來不及響應(yīng)變化功率及吸收制動(dòng)過程中電機(jī)產(chǎn)生的回饋功率. 電機(jī)控制器接受由混合動(dòng)力控制器發(fā)出的命令信號(hào)并按相應(yīng)要求將母線60 V直流電壓逆變后驅(qū)動(dòng)三相異步電機(jī).

圖3 混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig. 3 Hybrid system structure

1.2 氫氣儲(chǔ)存供給

燃料電池電堆中由氫氣供給系統(tǒng)輸入的氫氣及空氣中存在的氧氣進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生電能及反應(yīng)產(chǎn)物水，水以水蒸氣或液態(tài)水的形式經(jīng)排氣閥排出電堆[9-10]. 氫氣儲(chǔ)存供給系統(tǒng)見圖4，其中采用35.0 MPa氫氣儲(chǔ)氣罐，儲(chǔ)氣罐容量28 L，儲(chǔ)氣罐瓶口裝有氫氣壓力表及壓力傳感器，測(cè)量顯示剩余氫氣壓力并傳遞給混合動(dòng)力控制器. 氫氣罐中的高壓氫氣經(jīng)過一級(jí)減壓閥后氣壓降至1.0 MPa，由二級(jí)減壓閥將減壓后的氫氣壓力調(diào)節(jié)為適宜燃料電池反應(yīng)的精確穩(wěn)定的0.5 MPa，最后通過開關(guān)手閥送入燃料電池電堆.

圖4 氫氣儲(chǔ)存供給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig. 4 Structure of hydrogen storage supply system

1.3 信號(hào)控制

信號(hào)控制系統(tǒng)采用CAN2.0B總線協(xié)議，混合動(dòng)力控制器作為主機(jī)設(shè)備，其余控制器作為從機(jī)設(shè)備.從機(jī)設(shè)備包括：

電堆控制器——向混合動(dòng)力控制器反饋燃料電池電堆輸出電壓電流，溫度，故障等信息，并受混合動(dòng)力控制器控制啟停電堆；

直流變換器——接受控制信號(hào)并調(diào)節(jié)燃料電池電堆輸出功率；

電機(jī)控制器——接受控制信號(hào)調(diào)節(jié)電機(jī)扭矩轉(zhuǎn)速等參數(shù)，反饋電機(jī)所需電壓電流；

電池管理系統(tǒng)——向混合動(dòng)力控制器反饋鋰電池SOC及電壓電流信息；

顯示儀表——接受控制命令并顯示當(dāng)前氫氣壓力、剩余電量、運(yùn)行狀態(tài)等信息.

2 混合動(dòng)力觀光車能量管理策略

混合動(dòng)力能量管理策略指將多個(gè)動(dòng)力源的能量通過一定的策略進(jìn)行合理分配，在滿足設(shè)備穩(wěn)定安全運(yùn)行的前提下，達(dá)到提高供電系統(tǒng)性能的目標(biāo). 主要的性能指標(biāo)有能源利用效率、設(shè)備使用壽命、設(shè)備成本、安全性等[11-12]. 本文所述的燃料電池混合動(dòng)力觀光車通過SOC動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)的實(shí)時(shí)功率跟隨策略，優(yōu)化車輛在面對(duì)不同工況的狀態(tài)下的燃料電池輸出功率曲線及鋰電池SOC波動(dòng)，延長(zhǎng)設(shè)備壽命[13].

2.1 功率跟隨策略及參數(shù)分析

傳統(tǒng)燃料電池-鋰電池混合動(dòng)力功率跟隨策略使燃料電池輸出功率與負(fù)載需求功率平衡，并通過引入SOC偏離量修正燃料電池輸出功率，達(dá)到穩(wěn)定鋰電池SOC的作用. 燃料電池輸出功率為

式中：Pload為負(fù)載需求功率，即電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)所吸收或回饋的功率；Pbat，chg為標(biāo)準(zhǔn)充電功率，根據(jù)鋰電池充放電能力及系統(tǒng)整體功率進(jìn)行設(shè)定；fSOC為SOC的偏離系數(shù)，如式（2）.

式中：CSOCH、CSOCL分別為鋰電池SOC的上、下限；CSOC為鋰電池當(dāng)前SOC.

對(duì)于一個(gè)確定的混合動(dòng)力系統(tǒng)，其鋰電池SOC邊界限制一般是恒定的，且當(dāng)CSOC= 0.5（CSOCH+CSOCL）時(shí)， fSOC等于0，定義鋰電池SOC參考值為

則fSOC可簡(jiǎn)化為CSOC的線性函數(shù)，可表達(dá)為

式中：ks為調(diào)節(jié)系數(shù).

將式（4）代入式（1），得

式中：Pfc，real為燃料電池實(shí)際輸出功率，當(dāng)計(jì)算輸出功率劇烈變化時(shí)，由于燃料電池動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力不足會(huì)使實(shí)際輸出功率與計(jì)算輸出功率存在偏差；CLi為鋰電池容量；ΔCSOC為SOC變化量；t為時(shí)間.

由式（5）可知，ks會(huì)影響用于平衡SOC的燃料電池輸出功率. 在CSOC與CSOCREF偏差較大時(shí)，提高ks可以增加燃料電池輸出功率與負(fù)載需求功率差額，更快將SOC恢復(fù)至參考值附近，并提高穩(wěn)定能力；當(dāng)負(fù)載功率需求小時(shí)，Pload在Pfc計(jì)算中占比小，Pfc受鋰電池SOC影響大，減小ks可以避免當(dāng)SOC偏離過大時(shí)Pfc長(zhǎng)期處于低功率無效輸出或高負(fù)荷輸出.

分別截取一段混合動(dòng)力觀光車實(shí)際運(yùn)行工況，并根據(jù)表2所示參數(shù)設(shè)定混合動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)，繪制在不同條件下ks對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行性能的影響，如圖5和圖6所示.

表2 功率跟隨參數(shù)Tab. 2 Power following parameters

圖5 相對(duì)劇烈工況下混合動(dòng)力功率及SOC曲線Fig. 5 Hybrid power and SOC curves under relatively severe working conditions

圖6 相對(duì)平緩工況下混合動(dòng)力功率及SOC曲線Fig. 6 Hybrid power and SOC curves under relatively flat working conditions

圖5 為一段燃料電池混合動(dòng)力車運(yùn)行過程中較為劇烈的功率需求曲線. 由圖5（a）所示：紅色曲線為負(fù)載的電機(jī)功率，小于0的部分為電機(jī)制動(dòng)時(shí)回饋的能量曲線；藍(lán)色曲線為燃料電池輸出功率，燃料電池使用氫氧進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)生成電能，該反應(yīng)在電堆中無法逆向進(jìn)行，因此燃料電池?zé)o法吸收電機(jī)制動(dòng)回饋的能量，同時(shí)燃料電池動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力較差，造成燃料電池輸出功率與負(fù)載需求功率出現(xiàn)差額，該部分能量差額由鋰電池進(jìn)行提供或吸收.

圖5（b）為該工況下，鋰電池SOC初始值與SOC參考值相等，均為35%時(shí)的SOC波動(dòng)曲線，當(dāng)調(diào)節(jié)參數(shù)ks= 0.20時(shí)，相比ks= 0.02時(shí)SOC波動(dòng)更小，同時(shí)在整個(gè)運(yùn)行周期結(jié)束后維持SOC參考值的能力更強(qiáng).

圖5（c）為在該工況下，鋰電池初始值高于設(shè)定值的SOC變化曲線，鋰電池初始值為45%，SOC參考值為35%. 調(diào)節(jié)參數(shù)ks= 0.20時(shí)，SOC曲線可以較為快速地向設(shè)定值趨近，在ks= 0.02時(shí)，無法快速將SOC調(diào)節(jié)到SOC參考值.

圖6表示在需求功率較為平緩的工況下不同調(diào)節(jié)參數(shù)對(duì)調(diào)節(jié)效果的影響. 圖6（a）和圖（b）為初始SOC=45%時(shí)的燃料電池輸出功率曲線. 對(duì)比圖6（a）和圖6（b）可知：由于需求功率較為平緩且功率平均值不高，燃料電池輸出功率受鋰電池SOC偏離影響較大，當(dāng)調(diào)節(jié)系數(shù)較大時(shí)，用于平衡SOC的功率在總功率中占比較大，造成燃料電池在一段時(shí)間內(nèi)無法有效輸出功率或高負(fù)荷運(yùn)行，對(duì)系統(tǒng)整體效率及燃料電池壽命造成負(fù)面影響.

圖6（c）表示在初始SOC值為35%時(shí)不同調(diào)節(jié)參數(shù)對(duì)SOC波動(dòng)的影響. 由于需求功率平緩，燃料電池動(dòng)態(tài)響應(yīng)可以滿足系統(tǒng)需要，在ks= 0.20或ks= 0.02的情況下均可以實(shí)現(xiàn)維持SOC參考值. 其中ks= 0.20時(shí)SOC在調(diào)節(jié)過程中超調(diào)部分較高，使整體波動(dòng)更為明顯. 并且過高的調(diào)節(jié)參數(shù)會(huì)引起SOC曲線產(chǎn)生振蕩.

2.2 基于荷電狀態(tài)偏差調(diào)節(jié)的實(shí)時(shí)功率跟隨策略

本文提及的燃料電池混合動(dòng)力觀光車中，將燃料電池電堆輸出功率作為控制量，通過調(diào)節(jié)電堆后級(jí)DC/DC變換器輸出功率實(shí)現(xiàn)各能量供給單元之間的輸出功率分配.

車輛在運(yùn)行過程中，通過傳感器采集母線電壓、電機(jī)需求功率、燃料電池電堆輸出功率、鋰電池SOC等參數(shù)，計(jì)算燃料電池期望輸出功率，并通過DC/DC控制輸出電流值實(shí)現(xiàn)整套混合動(dòng)力系統(tǒng)的控制[14].

圖7為基于荷電狀態(tài)偏差調(diào)節(jié)的實(shí)時(shí)功率跟隨策略實(shí)現(xiàn)流程，圖中：Ubat為鋰電池電壓；Kp、Kd和Kc分別為比例系數(shù)、微分系數(shù)和懲罰系數(shù). 根據(jù)接收功率及SOC信號(hào)實(shí)時(shí)計(jì)算ks，將計(jì)算所得ks代入式 （5）中計(jì)算燃料電池期望輸出功率，根據(jù)采集母線電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為DC/DC輸出電流信號(hào)，傳輸至電流環(huán)PI （proportional integral）控制器計(jì)算驅(qū)動(dòng)開關(guān)管的 PWM （pulse width modulation）信號(hào).

圖7 基于荷電狀態(tài)偏差調(diào)節(jié)的實(shí)時(shí)功率跟隨策略Fig. 7 Real-time power following strategy based on SOC deviation adjustment

在觀光車運(yùn)行過程中，由于使用環(huán)境在景區(qū)等地勢(shì)較為特殊的環(huán)境中，會(huì)遇到上坡、起步、加速等功率變換劇烈的工況及平路勻速、下坡制動(dòng)等功率平緩的工況，通過調(diào)節(jié)功率跟隨算法中的ks可實(shí)現(xiàn)在不同工況下對(duì)鋰電池SOC波動(dòng)，對(duì)燃料電池輸出功率進(jìn)行優(yōu)化.

通過2.1節(jié)中對(duì)不同工況下調(diào)節(jié)效果的比較，發(fā)現(xiàn)ks調(diào)節(jié)效果主要與需求功率大小及需求功率變化劇烈程度有關(guān). 式（6）為ks的計(jì)算公式，對(duì)負(fù)載需求功率與燃料電池電堆輸出功率之間的差額功率進(jìn)行PD （proportional derivative）控制，并引入了受 SOC偏離量控制的分量用于加快恢復(fù)SOC參考值.

式中：Perr= Pload- Pfc，為負(fù)載需求功率與燃料電池輸出功率的差額；CSOCERR= CSOCREF- CSOC，為鋰電池當(dāng)前SOC與SOC參考值的差額.

燃料電池輸出效率特性為存在拐點(diǎn)的效率曲線，在滿功率或欠功率狀態(tài)下較低，處于平穩(wěn)的有效功率輸出段效率較高. 適當(dāng)?shù)膋s可使燃料電池避免燃料電池處于欠功率或滿功率狀況，實(shí)現(xiàn)平緩有效功率輸出，提高整車運(yùn)行過程中燃料電池轉(zhuǎn)換效率.

在車輛運(yùn)行過程中，為提高系統(tǒng)安全性，延長(zhǎng)燃料電池電堆壽命[15]，需對(duì)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行約束. 式（7）為燃料電池運(yùn)行約束條件.

式中：Pfc.min為燃料電池最小輸出功率，為避免在加速、制動(dòng)過程中電堆頻繁啟停設(shè)置的保護(hù)條件，實(shí)際運(yùn)行中設(shè)定為500 W；Pfc.max為燃料電池最大輸出功率，由電堆額定功率決定，實(shí)際運(yùn)行中設(shè)定為3 000 W；Rfc.max為燃料電池最大輸出功率變化率，為避免在劇烈工況下影響電堆壽命設(shè)置，實(shí)際運(yùn)行中設(shè)定為100 W/s.

鋰電池約束條件為[16]

式中：Ibat為鋰電池充放電電流；Ibatd.max和Ibatc.max為鋰電池最大放電電流及最大充電電流.

對(duì)于CSOCH和CSOCL，超過該范圍會(huì)影響鋰電池循環(huán)壽命及車輛安全運(yùn)行，并反映車輛可能出現(xiàn)氫氣儲(chǔ)氣量不足，燃料電池系統(tǒng)故障等問題，混合動(dòng)力控制器發(fā)出SOC報(bào)警信息；對(duì)于Ibatd.max和Ibatc.max，超過此范圍反應(yīng)燃料電池系統(tǒng)及動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)不匹配，混合動(dòng)力控制器發(fā)出電流報(bào)警信息.

ks約束條件為

式中：ks.min為調(diào)節(jié)系數(shù)下限，避免系統(tǒng)失去調(diào)節(jié)能力；ks.max為調(diào)節(jié)系數(shù)上限，避免調(diào)節(jié)參數(shù)過大引起系統(tǒng)振蕩.

2.3 燃料電池電堆運(yùn)行效率分析

根據(jù)理想氣體公式，氫氣消耗摩爾量與氫氣儲(chǔ)氣瓶壓強(qiáng)的關(guān)系為

消耗氫氣生成水的過程中產(chǎn)生的熱量為

電機(jī)在運(yùn)行中的能量消耗為

式中：WM為車輛運(yùn)行過程中電機(jī)系統(tǒng)需要吸收的功；為電機(jī)系統(tǒng)平均功率.

混合動(dòng)力系統(tǒng)中總的能量為

燃料電池供電系統(tǒng)整體發(fā)電效率為

式中：ηstack為燃料電池電堆將氫能轉(zhuǎn)換為電能的效率，與發(fā)電電堆自身性能有關(guān)，目前大多在40%～50%之間；ηDC為直流變換器的轉(zhuǎn)換效率；ηbat為燃料電池發(fā)出的部分電能被先充入鋰電池組，后又從鋰電池組中放出的過程中引起的損耗效率，與鋰電池組充放電效率及在工況運(yùn)行過程中有多少電能經(jīng)過鋰電池組有關(guān).

燃料電池電堆效率可表示為

3 混合動(dòng)力觀光車實(shí)際運(yùn)行狀況

混合動(dòng)力觀光車在運(yùn)行過程中主要關(guān)注燃料電池、鋰電池、電機(jī)負(fù)載功率、鋰電池SOC、氫氣壓力狀態(tài). 圖8為一段400 s內(nèi)車輛運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)變化曲線，初始SOC等于參考值，在整個(gè)過程中SOC曲線小幅波動(dòng)并能維持在參考值附近. 氫氣壓力隨燃料電池運(yùn)行消耗氫氣緩慢下降.

圖8 混合動(dòng)力觀光車運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)曲線Fig. 8 Parameter curve of hybrid electric sightseeing vehicle

燃料電池混合動(dòng)力觀光車車在實(shí)際運(yùn)行過程中多為短途行駛，車輛加減速過程頻繁，因此工況在牽引過程中功率沖擊較高，在制動(dòng)過程中需吸收電機(jī)回饋能量，整個(gè)過程中功率峰值差額大，工況較為復(fù)雜.

圖9為車輛運(yùn)行過程的能量分配曲線. 從圖中可以看出，燃料電池輸出功率平緩，當(dāng)電機(jī)需求功率劇烈上升時(shí)，燃料電池輸出功率跟隨負(fù)載功率平緩上升，鋰電池輸出功率迅速上升補(bǔ)充燃料電池未及時(shí)響應(yīng)的動(dòng)態(tài)功率需求. 當(dāng)負(fù)載需求功率曲線因制動(dòng)過程能量流動(dòng)劇烈減少至反向時(shí)，燃料電池輸出功率平緩下降，鋰電池輸出功率轉(zhuǎn)為負(fù)值，即鋰電池吸收電機(jī)制動(dòng)回饋功率及燃料電池輸出的功率. 整個(gè)過程中燃料電池始終向外輸出能量，提供車輛運(yùn)動(dòng)的主要能量. 鋰電池在加速過程中以短時(shí)大功率輸出能量，在制動(dòng)過程中以短時(shí)大功率吸收能量，整個(gè)過程中作為能量供給的緩沖器，輸出與吸收能量基本平衡.

圖9 混合動(dòng)力觀光車運(yùn)行功率曲線Fig. 9 Power curve of hybrid sightseeing car

圖10 為長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行鋰電池SOC曲線. 車輛運(yùn)行起始SOC為70%，在運(yùn)行過程中能量管理算法設(shè)定參考SOC為35%，當(dāng)初始SOC高于參考SOC時(shí)，混合動(dòng)力算法中鋰電池SOC分量計(jì)算結(jié)果為負(fù)值，使燃料電池平均輸出功率小于負(fù)載平均需求功率，鋰電池整體向外輸出能量，SOC下降. 當(dāng)SOC趨近于參考SOC時(shí)，鋰電池SOC分量計(jì)算結(jié)果絕對(duì)值較小，燃料電池平均輸出功率與負(fù)載需求平均功率平衡，鋰電池SOC受具體工況影響在參考SOC附近波動(dòng).

圖10 鋰電池SOC曲線Fig. 10 Lithium battery SOC curve

圖11 為氫氣壓力與行駛時(shí)間的關(guān)系. 在整個(gè)循環(huán)運(yùn)行工況下，車輛滿載進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，平均速度約為18 km/h，運(yùn)行時(shí)間4.5 ks，電機(jī)平均運(yùn)行功率為2.2 kW/s，初始?xì)錃鈮毫?8.3 MPa，末態(tài)氫氣壓力21.6 MPa，初始及終止時(shí)刻鋰電池SOC均為35%.車載儲(chǔ)氣瓶體積28 L，DC變換器效率為95%，由于鋰電池在整個(gè)過程中僅補(bǔ)充沖擊電流，鋰電池充放電效率損耗忽略不計(jì)，取環(huán)境溫度T= 298.15 K，理想氣體常數(shù)R= 8.314 kPa·L/（mol·K），氫氣熱值q=2.86 × 105J/mol. 將上述數(shù)據(jù)代入式（15）中，計(jì)算得電堆平均效率為ηstack= 48.15%.

圖11 氫氣壓力曲線Fig. 11 Hydrogen pressure curve

在該循環(huán)工況下，可根據(jù)速度、行駛時(shí)間、氫氣消耗量推算在僅依靠氫氣提供能量且滿載下車輛最大續(xù)航里程為94 km，實(shí)際使用中，由于氫氣瓶中氫氣無法完全消耗殆盡，實(shí)際續(xù)航里程會(huì)略小于該值，符合實(shí)驗(yàn)測(cè)得最大續(xù)航里程88 km，整個(gè)過程消耗氫氣質(zhì)量660.0 g，平均每公里氫耗為7.5 g.

當(dāng)設(shè)定調(diào)節(jié)系數(shù)為恒定0.50時(shí)進(jìn)行運(yùn)行測(cè)試，按上述方法計(jì)算燃料電池效率為46.79%，折算平均每公里氫耗為7.7 g，由于動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)方法在控制過程中減小對(duì)鋰電池的反復(fù)充放功率，同時(shí)使燃料電池工作區(qū)間更加穩(wěn)定在高功率范圍，因此效率有所提升，單位距離氫耗有所下降，如表3所示.

表3 不同策略效率及氫耗對(duì)比Tab. 3 Comparison of efficiency and hydrogen consumption for different strategies

4 結(jié) 論

本文針對(duì)燃料電池相關(guān)特性，并結(jié)合實(shí)際工程中可能出現(xiàn)的問題，設(shè)計(jì)一種燃料電池混合動(dòng)力車，將車輛劃分為燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)、氫氣儲(chǔ)存供給系統(tǒng)及信號(hào)控制系統(tǒng)，詳細(xì)闡述每部分系統(tǒng)的構(gòu)成及設(shè)計(jì)思路. 分析在不同工況下功率跟隨混合動(dòng)力策略對(duì)于燃料電池輸出功率及鋰電池SOC波動(dòng)的影響，提出一種基于荷電狀態(tài)偏差調(diào)節(jié)的實(shí)時(shí)功率跟隨策略，并在實(shí)際車輛運(yùn)行中應(yīng)用. 通過實(shí)際實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)驗(yàn)證以上設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及算法的可行性，結(jié)果表明該燃料電池混合動(dòng)力車車可在實(shí)際工況下保持穩(wěn)定運(yùn)行，在提供足夠運(yùn)行功率的前提下，燃料電池功率變化平穩(wěn)，鋰電池SOC穩(wěn)定，延長(zhǎng)燃料電池電堆及鋰電池組的工作壽命.

后續(xù)研究將考慮加入燃料電池及車輛各系統(tǒng)的在線故障診斷方法，提高整車系統(tǒng)的可靠性.