燃料電池汽車動力系統(tǒng)測試及優(yōu)化
——評《燃料電池汽車動力系統(tǒng)分布式測試數(shù)據(jù)傳輸研究》

王汝佳，顧亞升

(江蘇理工學(xué)院汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 常州 213001 )

近年來，燃料電池汽車逐漸普及，燃料電池汽車動力系統(tǒng)的性能成為科研人員關(guān)注的焦點。牛文旭所著《燃料電池汽車動力系統(tǒng)分布式測試數(shù)據(jù)傳輸研究》一書，首先，對燃料電池汽車動力系統(tǒng)進(jìn)行簡要概述，并給出測試的方法；然后，引入中德軟硬件測試平臺，對燃料電池汽車動力系統(tǒng)進(jìn)行建模；接著，介紹燃料電池汽車動力系統(tǒng)遠(yuǎn)程測試數(shù)據(jù)傳輸相關(guān)知識，在此基礎(chǔ)上分析數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸過程中數(shù)據(jù)丟包的影響因素，通過仿真示例說明透明度和數(shù)據(jù)丟包對動力系統(tǒng)性能的影響；最后，為提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，給出了3種數(shù)據(jù)傳輸優(yōu)化方法，并通過仿真示例，證明方法的有效性。

1 動力系統(tǒng)及測試方法

燃料電池汽車可實現(xiàn)廢氣零排放，且能量密度和效率也較高，具有廣闊的應(yīng)用前景。燃料電池汽車由多種部件及控制系統(tǒng)組成，其中，動力系統(tǒng)尤為重要。燃料電池動力系統(tǒng)通常由電池、驅(qū)動電機(jī)、發(fā)動機(jī)和直流(DC)/DC變換器等構(gòu)成，與汽車?yán)m(xù)航里程關(guān)系密切。對燃料電池動力系統(tǒng)進(jìn)行性能測試十分重要，國內(nèi)外科研人員相繼提出了滿足不同額定功率要求的測試方法。隨著科技的發(fā)展，以互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的分布式測試方法逐漸應(yīng)用到汽車測試中。這種測試方法對網(wǎng)絡(luò)性能的依賴性較強(qiáng)，在測試過程中可能會出現(xiàn)數(shù)據(jù)延遲、抖動和丟失現(xiàn)象；同時，分布式系統(tǒng)本身的耦合特性也會影響測試結(jié)果。有鑒于此，該書提出一種基于X-in-the-Loop(XiL)的燃料電池汽車動力系統(tǒng)分布式測試方法，從模型、軟件和硬件等3個方面設(shè)置不同的場景進(jìn)行測試分析。

2 車動力系統(tǒng)建模

在該書所描述的燃料電池汽車動力系統(tǒng)中，燃料電池和電池都為汽車提供動力，燃料電池系統(tǒng)不僅能驅(qū)動汽車電機(jī)正常工作，還能為電池充電。

首先，建立汽車動力學(xué)模型。汽車在路面上行駛，本身受到的作用力包括自身重力、地面摩擦力、空氣阻力和牽引力等，在汽車動力學(xué)模型中，設(shè)置汽車質(zhì)量為1.3 t，輪胎半徑為30 cm，汽車行駛風(fēng)阻系數(shù)為0.33，迎風(fēng)面積為2.04 m2。

接著根據(jù)電路模型以及功率輸出特性，并考慮實際的影響因素，對燃料電池、電池進(jìn)行建模，其中，燃料電池模型的輸入為電流，輸出為電壓。電池模型由荷電狀態(tài)(SOC)、電壓、熱計算模塊等3部分組成，輸入為電流和溫度，輸出為SOC和電壓，并設(shè)置模型參數(shù)如下：電流最大為500 A，最大充電電流為-45 A，串聯(lián)和并連單體數(shù)量分別為100和20。由于燃料電池的能量密度高，電池的功率密度高，且動態(tài)響應(yīng)性好，合理搭配兩者，能充分發(fā)揮性能，但需要選擇恰當(dāng)?shù)哪芰抗芾聿呗?。該書測試的是遠(yuǎn)程狀態(tài)下分布式環(huán)境中燃料電池汽車動力系統(tǒng)的性能，計算過程較復(fù)雜，對策略的優(yōu)越性要求不高，但要求電池有較好的動態(tài)特性。有鑒于此，該書采用功率跟隨策略實現(xiàn)遠(yuǎn)程狀態(tài)下的系統(tǒng)性能測試。在開始階段，燃料電池首先為系統(tǒng)提供能量，當(dāng)系統(tǒng)需求功率大于燃料電池可提供的功率時，電池開始工作。

電驅(qū)動系統(tǒng)由電機(jī)、控制器和傳動機(jī)構(gòu)等3部分組成，電機(jī)可實現(xiàn)車輛機(jī)械能和電能的轉(zhuǎn)換。結(jié)合各個部件模型，并通過軟硬件的良好融合，引入中德軟硬件測試平臺對動力系統(tǒng)進(jìn)行建模。測試平臺的軟件和硬件分為4層結(jié)構(gòu)：最下層是測試流程層，主要實現(xiàn)電機(jī)實時轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的測量，硬件組成包括變頻器、驅(qū)動電機(jī)、負(fù)載電機(jī)、測試設(shè)備和各種傳感器等，其中，驅(qū)動電機(jī)和負(fù)載電機(jī)分別由不同的變頻器控制；第2層是接口層，連接了測試流程層和操作層，主要功能是將得到的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，硬件組成包括中規(guī)模集成電路(MSI)模塊和控制器局域網(wǎng)(CAN)總線通道等，其中，利用CAN總線能實現(xiàn)測試流程層中電機(jī)的控制；第3層是操作層，內(nèi)有操作系統(tǒng)以實現(xiàn)各設(shè)備及平臺的參數(shù)狀態(tài)監(jiān)控；最上層是控制層，通過圖形用戶界面(GUI)實現(xiàn)測試平臺的整體控制。

3 動力系統(tǒng)遠(yuǎn)程測試數(shù)據(jù)傳輸分析

在對燃料電池汽車動力系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程測試時，數(shù)據(jù)傳輸?shù)男阅苁顷P(guān)注的重點。測試過程中，網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)不穩(wěn)定可能會導(dǎo)致數(shù)據(jù)延遲、數(shù)據(jù)包丟失等現(xiàn)象。由分布式系統(tǒng)的特性及測試示例可知，網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)對燃料電池汽車動力系統(tǒng)的測試效果影響明顯，所以對網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)進(jìn)行測試。采用流量測量方法，測量單位為數(shù)據(jù)包，選用科來Ping工具抓取數(shù)據(jù)包，測試時間點為每天的6：00-7：00、14：00-15：00和21：00-22：00，連續(xù)測試1個星期。結(jié)果表明，這3個時間段的數(shù)據(jù)包往返時延平均為200～400 ms，丟包率在8%左右。

數(shù)據(jù)丟包會對系統(tǒng)測試的結(jié)果產(chǎn)生重要影響。丟包原因通常有兩種：①數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)上通過信道傳輸，信道之間由若干節(jié)點相互連接，若某一時間段通過該節(jié)點的數(shù)據(jù)包太多，會出現(xiàn)擁擠、擠兌現(xiàn)象，此時，就會有數(shù)據(jù)包無法通過該節(jié)點，形成丟包；②在某些控制系統(tǒng)中，通過人為的方式設(shè)置數(shù)據(jù)包的接收機(jī)制，用于控制數(shù)據(jù)包的接收量，保證系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行。結(jié)合燃料電池汽車動力系統(tǒng)模型，建立基于馬爾科夫隨機(jī)過程的數(shù)據(jù)丟包模型。由該模型及網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量測量結(jié)果可知，數(shù)據(jù)丟包是隨機(jī)事件，連續(xù)丟包的可能性幾乎沒有。

4 數(shù)據(jù)傳輸對動力系統(tǒng)性能的影響

在燃料電池汽車動力系統(tǒng)遠(yuǎn)程測試數(shù)據(jù)傳輸分析中，動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及組成不同，測試結(jié)果也會發(fā)生改變。這種由于動力系統(tǒng)本身的變化所導(dǎo)致的不確定性，即為系統(tǒng)的透明度。該書從軟硬件、控制方法和測試位置等方面，對系統(tǒng)進(jìn)行不同的配置，并以車速、電機(jī)轉(zhuǎn)矩、電池輸出功率作為參數(shù)，通過非參數(shù)統(tǒng)計方法分析系統(tǒng)的透明度。根據(jù)計算結(jié)果可知：①相比于軟硬件相結(jié)合的環(huán)境，純仿真環(huán)境下系統(tǒng)的透明度更高；②系統(tǒng)在本地測試中的透明度始終保持較高的狀態(tài)；③車速輸出比電機(jī)轉(zhuǎn)矩、電池輸出功率的透明度高，且受網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的影響較小。除了透明度外，在數(shù)據(jù)傳輸中有時會出現(xiàn)數(shù)據(jù)包丟失現(xiàn)象，也會引起動力系統(tǒng)性能的降低。為此，基于測試網(wǎng)絡(luò)，該書設(shè)置了3種不同的路況來驗證數(shù)據(jù)包丟失對車輛性能的影響。

以全球統(tǒng)一輕型汽車測試循環(huán)(WLTC)路況為例，當(dāng)車速不同時，數(shù)據(jù)丟包對車速的影響不同。車速較慢時，數(shù)據(jù)丟包對輸出車速的影響在誤差允許的范圍內(nèi)，幾乎可忽略不計；當(dāng)車速較快時，數(shù)據(jù)丟包會影響輸出車速，但前提是丟包率≥8%，當(dāng)車輛處于高速狀態(tài)時，數(shù)據(jù)丟包率≥5%，就會導(dǎo)致輸出車速出現(xiàn)波動。此外，動力系統(tǒng)的氫消耗量也與丟包率密切相關(guān)。當(dāng)丟包率從0增加到1%時，動力系統(tǒng)的氫消耗量快速下降；當(dāng)丟包率從1%增加到5%時，氫消耗量逐漸下降；直到丟包率≥5%，氫消耗量幾乎不變。在加速路況測試中，當(dāng)速度越來越快時，丟包率對車速的影響愈加明顯，且當(dāng)丟包率增大時，數(shù)據(jù)丟包對車速的誤差影響也變得明顯，系統(tǒng)的氫消耗量隨之減小。在高速路況測試中，設(shè)置車速為33 km/h，當(dāng)丟包率逐漸增大時，數(shù)據(jù)丟失對車速的影響更明顯；當(dāng)丟包率緩慢增加時，系統(tǒng)的氫消耗量逐漸減小。

5 動力系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸優(yōu)化方法

互聯(lián)網(wǎng)分布式測試方法對網(wǎng)絡(luò)性能的依賴性較強(qiáng)，數(shù)據(jù)延遲、抖動、丟失以及分布式系統(tǒng)本身的耦合特性等，都會影響測試平臺的性能。為提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，該書給出了3種數(shù)據(jù)傳輸優(yōu)化方法。

首先，根據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的非線性能力預(yù)測時間序列，使用預(yù)測值實現(xiàn)對時間延遲的補(bǔ)償，以解決數(shù)據(jù)傳輸延遲問題。根據(jù)透明度來衡量神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的補(bǔ)償效果，發(fā)現(xiàn)在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償前，測試數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t很大，平均差異為-0.673 25，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償后，數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠骄町惤档蜑?.000 20，表明神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸延遲的預(yù)測和補(bǔ)償，將影響降至較低的水平。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法在使用時要用大量數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，優(yōu)化的效果與訓(xùn)練數(shù)據(jù)的優(yōu)劣關(guān)系密切，存在一定的局限性，因此，人們提出利用滑模狀態(tài)觀測器來優(yōu)化數(shù)據(jù)。在模型中設(shè)置參數(shù)，測試單向時延分別為250 ms、400 ms和500 ms時的速度、輸出功率以及電機(jī)轉(zhuǎn)矩，發(fā)現(xiàn)單向時延越長，對速度、輸出功率及電機(jī)轉(zhuǎn)矩的優(yōu)化效果越好，能有效控制網(wǎng)絡(luò)延遲對系統(tǒng)性能的影響。針對數(shù)據(jù)丟包給分布式測試平臺帶來的影響，該書利用補(bǔ)償控制器，實現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)不可測的情況下較好地控制系統(tǒng)性能。以速度補(bǔ)償為例，在低速、中速和高速等3種不同的路況下，驗證補(bǔ)償器對速度的補(bǔ)償效果。當(dāng)車速越快時，補(bǔ)償效果越好，在高速路況下，優(yōu)化幅度甚至達(dá)到2 km/h。

6 結(jié)語

《燃料電池汽車動力系統(tǒng)分布式測試數(shù)據(jù)傳輸研究》一書融合理論知識和仿真示例，介紹燃料電池汽車動力系統(tǒng)的組成以及測試方法，并引入中德軟硬件測試平臺，對動力系統(tǒng)進(jìn)行建模；在此基礎(chǔ)上，分析遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸過程中數(shù)據(jù)丟包的影響因素，通過仿真示例說明透明度和數(shù)據(jù)丟包對動力系統(tǒng)性能的影響；最后，給出了3種數(shù)據(jù)傳輸優(yōu)化方法，以提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。該書可供從事燃料電池汽車研究的相關(guān)人員參考。

書名：燃料電池汽車動力系統(tǒng)分布

式測試數(shù)據(jù)傳輸研究

作者：牛文旭 編著

ISBN：9787111646174

出版社：機(jī)械工業(yè)出版社

出版時間：2020-03-01

定價：￥49.90元