氫燃料電池電電混合動力客車能量控制策略仿真研究

楊 琨，徐 彬，董德寶，樊海梅，熊金峰，彭 程

(金龍聯(lián)合汽車工業(yè)(蘇州)有限公司，江蘇 蘇州 215026)

新能源汽車中，氫燃料電池汽車被寄希望于成為未來最理想的清潔能源汽車[1]。由于燃料電池電力輸入比較“軟”的現(xiàn)實(shí)，常搭配動力電池或超級電容等儲能機(jī)構(gòu)，以對燃料電池供電進(jìn)行“削峰減谷”。針對這種混合雙動力源，需要匹配相應(yīng)的能量控制策略，以保證兩種能源設(shè)備均在高效區(qū)間運(yùn)行，并延長壽命[2]。

本文利用Simulink軟件對某電電混合動力客車建模，并實(shí)現(xiàn)能量控制策略的仿真驗(yàn)證，為提高整車動力性能及動力系統(tǒng)壽命提供一種快速驗(yàn)證方法[3]。

1 燃料電池電電混合能量控制策略

海格某10.5 m低入口城市客車搭載磷酸鐵鋰動力電池與氫燃料電池系統(tǒng)，采用“電-電”混合模式為整車提供動力。

1.1 氫燃料及動力電池性能特征

1) 氫燃料電池存在最佳工作效率區(qū)間：能量轉(zhuǎn)化效率高、氫耗低、工作溫度低(熱損耗小)等。常見燃料電池功率(功率密度)、單電池電位、電流密度及電池效率曲線如圖1所示。

圖1 氫燃料電池電流密度-電位-電堆效率圖

一般來說，0.5～0.8 V是單電池工作的高效區(qū)間，對應(yīng)面電流密度為600～1 500 mA/cm2，面功率密度為300～1 100 mW/cm2。圖1中包含理論和實(shí)際面電流密度-單電池電壓曲線。其中理論曲線①忽略了低面電流密度區(qū)間(約300 mA/cm2以下)滲氫電流造成的效率損耗，直接從氫氧OCV進(jìn)入極化階段，極化電位成為電位損耗的主要項(xiàng)。一般在面電流密度≤300 mA/cm2時，滲氫損耗是能量損耗的主要形式；而在面電流密度>300 mA/cm2時，燃料電池內(nèi)部損耗以極化、歐姆和濃差為主，滲氫損耗可以忽略不計。

2) 作為輔助動力源，動力電池服役條件(工作溫度、常用SOC區(qū)間、功率吞吐量、充放電倍率等)對其能量密度、功率/容量損失存在重要影響。其中SOC常用區(qū)間、服役溫度與動力電池壽命的關(guān)系如圖2 所示[4]。

圖2 某動力電池SOC及工作溫度對壽命影響曲線

因此,針對已設(shè)定的電電混合氫燃料電池客車動力系統(tǒng)的能量控制策略，需要進(jìn)行驗(yàn)證，以保證電池、電堆長效而穩(wěn)定運(yùn)行。

1.2 能量控制策略

該電電混合動力系統(tǒng)中動力電池容量50 kWh，最大放電倍率5C；氫燃料電池系統(tǒng)包括空濾、冷卻、供氫、高壓控制及轉(zhuǎn)換等系統(tǒng)。系統(tǒng)為單堆結(jié)構(gòu)，含約370片單電池。

根據(jù)GB/T 24554—2009《燃料電池發(fā)動機(jī)性能試驗(yàn)方法》[5]測試，氫燃料電池系統(tǒng)額定功率為65 kW，峰值功率為92 kW，同時得到系統(tǒng)功率-系統(tǒng)效率曲線如圖3所示。

圖3 燃料電池發(fā)動機(jī)系統(tǒng)功率-效率曲線

燃料電堆效率普遍高于55%，其中在30 kW以下，效率≥60%。根據(jù)強(qiáng)檢報告(QM19EB1NA0221)，燃料電堆在系統(tǒng)功率6.8 kW(對應(yīng)電堆功率為8 kW)條件下效率最高，約為66.8%。根據(jù)美國Frano Barbir編寫的《PEM燃料電池：理論與實(shí)踐(第二版)》中關(guān)于低面電流密度區(qū)間滲氫損耗的影響，在約≤300 mA/cm2面電流密度區(qū)間條件下，效率隨著功率提高升高。電堆功率為5%～10%額定功率時，達(dá)到最高效率。隨著面電流密度的升高，系統(tǒng)的綜合效率下降，主要是因?yàn)殡姸褬O化、歐姆和濃差損耗增加，并且輔助系統(tǒng)的寄生損耗也大幅升高。

針對氫燃料電池系統(tǒng)的材料和結(jié)構(gòu)特征，對工況作出如下要求：目標(biāo)功率變載間隔≤10 min，變載速率≤0.2 kW/s。動力電池工作條件為環(huán)境溫度 10 ℃～50 ℃，SOC區(qū)間穩(wěn)定在30%～90%；氫燃料電池系統(tǒng)工作條件為8～92 kW，工作溫度為-15 ℃～60 ℃。

根據(jù)以上要求，設(shè)定燃料電池系統(tǒng)功率對應(yīng)于動力電池容量情況SOC的全跟隨控制策略，如圖4 所示。

圖4 電堆功率跟隨模式能量控制策略

2 Simulink仿真及驗(yàn)證

2.1 燃料電池功率查表模型

采用“OFF-ON”模式，對動力電池不同SOC值進(jìn)行查表，對目標(biāo)功率進(jìn)行賦值，通過通訊系統(tǒng)傳遞至燃料電堆和動力電池系統(tǒng)。利用Simulink建模，所用到的模塊主要包括：Constant、Data Type Conversion、Integrator、Logical Operator、Relational Operator、Scope等。主要利用模塊的判斷功能，對不同支線的判斷結(jié)果進(jìn)行賦值，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)功率的篩選，并作為功率輸出提供給電機(jī)與動力電池功率進(jìn)行綜合計算[6-8]。以上功能同樣可以通過1/D Look-up Table查表模塊實(shí)現(xiàn)。燃料電池目標(biāo)功率判斷和賦值模型如圖5所示。

圖5 功率查表與目標(biāo)功率賦值模型

2.2 電機(jī)功率與動力電池功率模型

將電機(jī)功率需求與燃料電堆功率和動力電池容量同時作為輸入數(shù)據(jù)，進(jìn)行綜合計算，并通過For Iterator和Assignment迭代計算，計算出最終燃料電池所轉(zhuǎn)化能量，并轉(zhuǎn)化為動力電池SOC值，利用Memory模塊將所轉(zhuǎn)化SOC值迭代入2.1節(jié)中，進(jìn)行電堆功率查表，模型結(jié)構(gòu)如圖6所示。按照時間間隔1 s，完成所有迭代計算反應(yīng)，得出動力電池SOC和燃料電堆目標(biāo)功率的變化曲線[9-11]。

圖6 燃料電堆與動力電池功率模型

2.3 整車經(jīng)濟(jì)性分析模型

利用電機(jī)實(shí)際輸出功率與電池容量的變化量計算得到總的電池能量消耗，然后轉(zhuǎn)換為氫氣量，得氫氣消耗量及消耗速率等經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)[12]。具體模型如圖7所示。

圖7 氫耗計算模型

實(shí)際車輛運(yùn)行過程中，可以利用非理想狀態(tài)氣體方程，配合供氫系統(tǒng)氣瓶出口壓力傳感器數(shù)據(jù)，同時利用實(shí)際使用前后氫氣壓力值及環(huán)境溫度等參數(shù)，對氫氣消耗質(zhì)量MH2進(jìn)行計算。見式(1)。

(1)

式中：P1、P2分別為初始和終了儲氫瓶高壓壓力，Pa；T1、T2分別為初始和終了儲氫瓶最高溫度，K；V為氫瓶容積，m3；R為氣體常數(shù)，8.314 J/mol·K；m為氫氣分子量，2.016 g/mol；Z為壓縮系數(shù)，參考?xì)錃鈮嚎s系數(shù)表[13]取值。

2.4 仿真結(jié)果及分析

根據(jù)實(shí)際工況鎖定整車功率需求作為仿真分析輸入值：電機(jī)功率最大值為200 kW，運(yùn)行平均功率為52 kW，全工況平均功率為15～20 kW。

SOC初值定義為60%，燃料電堆變載速率定義為0.2 kW/s(利用1/D Look-up Table查表模塊在仿真模塊中實(shí)現(xiàn))。燃料電堆實(shí)際功率輸出、動力電池SOC變化仿真計算結(jié)果如圖8所示。

圖8 仿真結(jié)果(FC功率、SOC、電機(jī)功率)

分析圖8可知，動力電池SOC在60.7%～68.1%區(qū)間內(nèi)變化，滿足電池SOH關(guān)于動力電池容量的要求。除怠速外，燃料電堆輸出功率在6～42 kW區(qū)間內(nèi)變化，屬于高效工作區(qū)間。

通過式(1)得知，在該能量策略下，全工況行駛約159 km的總氫耗量為8.265 kg。

3 結(jié)束語

本文對海格某10.5 m氫燃料電池電電混合動力客車的動力系統(tǒng)進(jìn)行了能量控制策略的設(shè)計、分析，并通過Simulink軟件建立電堆功率查表模塊、電池及電機(jī)功率綜合計算模塊、整車經(jīng)濟(jì)性計算模塊，對控制策略進(jìn)行仿真分析。實(shí)踐證明，通過Simulink可對能量控制策略進(jìn)行快速仿真分析與驗(yàn)證，并進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，以保證整車動力穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。