基于低通濾波的大功率型氫燃料電池重型貨車自適應(yīng)能量管理策略*

張瑞亮，陳 準(zhǔn)，劉森海，范政武

（1.太原理工大學(xué)車輛工程系，太原030024；2.山西省汽車設(shè)計(jì)工程技術(shù)研究中心，太原030024；3.江鈴重型汽車有限公司，太原030032）

前言

氫燃料電池汽車具有清潔高效、燃料來(lái)源多樣和續(xù)駛里程長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)［1］，對(duì)于大負(fù)載、遠(yuǎn)距離行駛、汽車體積較大的重型貨車，氫燃料電池更是公認(rèn)的優(yōu)選方案，更能發(fā)揮氫燃料的能源優(yōu)勢(shì)［2］。但氫燃料電池存在功率輸出動(dòng)態(tài)響應(yīng)較慢和啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)的缺點(diǎn)，無(wú)法單獨(dú)應(yīng)對(duì)復(fù)雜多變的行駛工況［3-4］，目前氫燃料電池汽車通常采用氫燃料電池與輔助能量源共同為驅(qū)動(dòng)電機(jī)供電的動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，即一種電-電混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)［5］。

由于使用多種能量源，氫燃料電池汽車需要合理有效的能量管理策略對(duì)整車需求功率進(jìn)行分配管理，根據(jù)各能量源特性及當(dāng)前狀態(tài)協(xié)調(diào)其功率輸出，并在滿足整車動(dòng)力性的同時(shí)，盡可能提高整車燃料經(jīng)濟(jì)性和各能量源的耐久性［6］。文獻(xiàn)［7］中使用基于功率平衡的能量管理策略，根據(jù)當(dāng)前車輛的需求功率、蓄電池荷電狀態(tài)、車速、踏板信號(hào)和動(dòng)力源輸出，選擇工作模式，并在不同工作模式下合理分配兩個(gè)動(dòng)力源的輸出功率，以滿足功率平衡。文獻(xiàn)［8］中提出一種基于微小變量模糊邏輯的燃料電池混合動(dòng)力汽車能量管理策略，利用需求功率和動(dòng)力電池SOC確定能量的分配，在滿足車輛行駛工況動(dòng)力性條件下維持低SOC微變?cè)黾?，從而提高了整車效率，降低了氫耗量。文獻(xiàn)［9］中制定了一種等效最小消耗策略，將不同能量源的能耗轉(zhuǎn)化為等效氫耗，通過(guò)等效氫耗最小的原則來(lái)確定燃料電池系統(tǒng)和其他能量源的工作點(diǎn)，文獻(xiàn)［10］中提出了基于龐特里亞金極小值原理的控制策略，將目標(biāo)設(shè)為行駛時(shí)整車氫耗最小，確定了燃料電池公交車行駛路線中的功率分配。

氫燃料電池在穩(wěn)態(tài)工況下具有較長(zhǎng)的使用壽命，而頻繁變載會(huì)導(dǎo)致氫燃料電池耐久性的下降［11］。在目前的氫燃料電池汽車能量管理策略研究中，對(duì)于如何提高整車燃料經(jīng)濟(jì)性的關(guān)注較多，較少考慮氫燃料電池系統(tǒng)頻繁變載對(duì)其耐久性的影響。本文中以大功率型氫燃料電池重型貨車為研究對(duì)象，首先對(duì)其混合動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行分析，確定了氫燃料電池和動(dòng)力電池的適宜工作區(qū)間，結(jié)合典型工況下整車需求功率的頻域特性，提出了一種基于低通濾波的自適應(yīng)能量管理策略，利用Matlab/Simulink搭建大功率型氫燃料電池重型貨車整車仿真模型并進(jìn)行仿真分析，為了充分發(fā)揮自適應(yīng)低通濾波器的作用，最后采用Pareto遺傳算法對(duì)自適應(yīng)低通濾波器進(jìn)行了多目標(biāo)優(yōu)化。仿真結(jié)果表明，相較于傳統(tǒng)的功率跟隨能量管理策略，提出的能量管理策略能夠在保證整車動(dòng)力性和燃料經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)，有效降低氫燃料電池系統(tǒng)輸出功率波動(dòng)，通過(guò)優(yōu)化可使輸出功率波動(dòng)度進(jìn)一步降低9.28%，從而有利于延長(zhǎng)氫燃料電池使用壽命。

1 大功率型氫燃料電池重型貨車動(dòng)力系統(tǒng)

1.1 大功率型氫燃料電池重型貨車混合動(dòng)力系統(tǒng)

本文研究的大功率型氫燃料電池重型貨車以氫燃料電池為主能量源，以動(dòng)力電池作為輔助能量源，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。在動(dòng)力系統(tǒng)中增加動(dòng)力電池會(huì)加大整車的成本和質(zhì)量，并且增大了控制的難度，但是動(dòng)力電池能夠彌補(bǔ)氫燃料電池動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢的缺點(diǎn)，通過(guò)合理的能量管理，可以使氫燃料電池與動(dòng)力電池靈活配合，使氫燃料電池穩(wěn)定工作在高效率區(qū)域。當(dāng)車輛加速、爬坡時(shí)，由動(dòng)力電池提供瞬時(shí)功率；當(dāng)車輛減速制動(dòng)時(shí)，動(dòng)力電池可回收制動(dòng)能量；當(dāng)氫氣不足或者氫燃料電池?fù)p壞時(shí)，車輛也可以純電動(dòng)模式行駛。整車主要參數(shù)如表1所示。

圖1 大功率型氫燃料電池+動(dòng)力電池混合動(dòng)力系統(tǒng)

表1 整車主要參數(shù)

1.2 大功率型氫燃料電池

大功率型氫燃料電池重型貨車采用最大輸出功率95 kW的質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)，其以氫燃料電池堆為核心，還包括氫氣供給系統(tǒng)、空氣供給系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等，各個(gè)系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作，保證氫燃料電池能夠安全、穩(wěn)定地發(fā)電［12］。氫燃料電池系統(tǒng)的工作效率與其輸出功率之間的關(guān)系如圖2所示。

圖2 氫燃料電池功率-效率曲線

由圖可知，隨著功率的升高，氫燃料電池系統(tǒng)效率先迅速上升至較平穩(wěn)區(qū)域，然后緩慢下降。為保證氫燃料電池系統(tǒng)工作效率，須對(duì)其高效工作區(qū)間進(jìn)行劃分，設(shè)定氫燃料電池高效工作區(qū)間最小工作功率Pfcmin=30 kW，最大工作功率Pfcmax=80 kW，同時(shí)設(shè)定30~68 kW為效率最高的工作區(qū)間，此時(shí)系統(tǒng)工作效率達(dá)到46%以上，設(shè)Pfceff=68 kW。汽車行駛時(shí)，應(yīng)保證氫燃料電池工作在Pfcmin和Pfcmax之間，并且盡量工作在效率最高區(qū)域。

頻繁變化的功率會(huì)對(duì)氫燃料電池造成沖擊，容易使氫燃料電池出現(xiàn)反應(yīng)氣體不足、電壓波動(dòng)等問(wèn)題，最終導(dǎo)致氫燃料電池性能的衰退和耐久性的下降，因此需要避免氫燃料電池的頻繁變載。

1.3 動(dòng)力電池

動(dòng)力電池采用能量、功率密度高、工作安全可靠、自放電率較低、使用壽命長(zhǎng)的磷酸鐵鋰電池［13］，其單體電池電壓特性曲線如圖3所示。

圖3 單體電池電壓特性曲線

動(dòng)力電池電壓隨其SOC的增大而增大。當(dāng)SOC過(guò)高或過(guò)低時(shí)，會(huì)導(dǎo)致動(dòng)力電池電壓過(guò)高或過(guò)低，進(jìn)而影響電池性能，甚至直接損壞動(dòng)力電池。為了實(shí)現(xiàn)動(dòng)力電池的淺充淺放，提高其使用壽命，本文中設(shè)定動(dòng)力電池SOCmin=0.4，SOCmax=0.7，設(shè)期望值SOC*為兩者的均值，即SOC*=0.55。汽車行駛時(shí)，應(yīng)使動(dòng)力電池SOC最好保持在SOCmin到SOCmax之間，并且盡可能維持在SOC*附近。

2 大功率型氫燃料電池重型貨車典型工況

2.1 CHTC-TT工況

本文研究的車型為氫燃料電池半掛牽引車，根據(jù)GB/T 38146.2—2019，適用的循環(huán)工況為中國(guó)重型商用車行駛工況-半掛牽引列車（CHTC-TT）。圖4為CHTC-TT工況曲線，包括低速和高速兩個(gè)速度區(qū)間，其工況時(shí)長(zhǎng)1 800 s，總里程達(dá)到23.22 km，最高車速為88 km/h。

圖4 CHTC-TT工況曲線

2.2 整車需求功率分析

2.2.1 整車需求功率時(shí)域分析

利用汽車功率平衡方程，計(jì)算汽車在CHTC-TT工況下行駛時(shí)的整車需求功率Pre變化情況，汽車功率平衡方程為

式中：u為當(dāng)前車速；m為整車滿載質(zhì)量；f為滾動(dòng)阻力系數(shù)；Cd為空氣阻力系數(shù)；A為車輛迎風(fēng)面積；δ為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)，取δ=1.12；ηt為傳動(dòng)系機(jī)械效率；g為重力加速度。經(jīng)計(jì)算獲得整車需求功率Pre時(shí)域變化情況如圖5所示。Pre＞0時(shí)，整車處于驅(qū)動(dòng)狀態(tài)，Pre為電機(jī)輸出功率；Pre＜0時(shí)，整車處于制動(dòng)狀態(tài)，Pre為機(jī)械制動(dòng)消耗和電機(jī)制動(dòng)回收的總功率。

圖5 整車需求功率時(shí)域圖

2.2.2 整車需求功率頻域分析

在大功率型氫燃料電池重型貨車動(dòng)力系統(tǒng)中，氫燃料電池系統(tǒng)無(wú)法回收制動(dòng)能量，其輸出功率Pfc≥0。為了使燃料電池系統(tǒng)平穩(wěn)工作，充分利用動(dòng)力電池提供瞬時(shí)功率起到“削峰填谷”的作用，本文中利用快速傅里葉變換對(duì)整車需求功率Pre≥0部分進(jìn)行頻域分析，其中采樣頻率為100 Hz，采樣周期為0.01 s，采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)為180 001，求得整車需求功率在0~50 Hz范圍內(nèi)的頻域特性。由于整車需求功率的主要工作頻率和頻帶范圍較小，本文中選取0~0.5 Hz范圍的頻域特性曲線進(jìn)行展示，如圖6所示。

圖6 整車需求功率頻域特性圖（0~0.5 Hz）

由頻域分析結(jié)果可知，大功率型氫燃料電池重型貨車在CHTC-TT工況下行駛時(shí)，其整車需求功率在0~0.1 Hz的低頻部分幅值相對(duì)較大，這與行駛工況和需求功率時(shí)域特性相一致，即在整個(gè)行駛工況與需要功率時(shí)域分布中，車速與需求功率在短時(shí)間存在一定的直流分量，與此同時(shí)圍繞該分量存在一定的速度與功率波動(dòng)，由此可見(jiàn)，傅里葉變換結(jié)果能夠反映整車需求功率的變化與分布。此外，由式（1）可知，車輛在運(yùn)行中滿足功率平衡公式，整車需求功率與運(yùn)動(dòng)中阻力消耗的功率相等，在行駛中取車輛滾動(dòng)阻力為定值；空氣阻力與車速為平方關(guān)系，其頻率較低；而加速阻力與汽車加速度成正比，其變化頻率較高。這樣，可使用低通濾波器對(duì)整車需求功率進(jìn)行分頻濾波，高、低頻率部分需求功率分別由動(dòng)力電池和氫燃料電池承擔(dān)。

3 基于低通濾波的自適應(yīng)能量管理策略

本文中制定了一種基于低通濾波的自適應(yīng)能量管理策略，在傳統(tǒng)功率跟隨能量管理策略的基礎(chǔ)上增加了自適應(yīng)低通濾波器（adaptive low pass filter，ALPF）。

自適應(yīng)低通濾波器根據(jù)車輛當(dāng)前的狀態(tài)自適應(yīng)調(diào)整低通濾波器的截止頻率，并利用低通濾波器的濾波功能，以截止頻率為界，將整車需求功率Pre劃分為低頻部分和高頻部分，低頻部分功率經(jīng)過(guò)邏輯規(guī)則調(diào)整后，由氫燃料電池提供，高頻部分功率則由動(dòng)力電池提供。自適應(yīng)低通濾波器主要由低通濾波器和模糊控制器組成，圖7為其工作示意圖。

圖7 自適應(yīng)低通濾波器工作示意圖

3.1 低通濾波器

低通濾波器容許低于截止頻率的信號(hào)通過(guò)，阻隔高于截止頻率的信號(hào)。1階低通濾波器的傳遞函數(shù)為

式中：T為時(shí)間常數(shù)；fc為截止頻率。輸入信號(hào)一定時(shí)，截止頻率fc越小，低通濾波器容許通過(guò)的信號(hào)越少，對(duì)波動(dòng)的抑制效果越好；fc越大，低通濾波器容許通過(guò)的信號(hào)越多，波動(dòng)越大。

如果使用截止頻率固定的濾波器，則需要預(yù)先設(shè)置低通濾波器的截止頻率fc。設(shè)置過(guò)高時(shí)，低通濾波器不能很好地起到濾波的作用，氫燃料電池需求功率波動(dòng)較大；設(shè)置過(guò)低時(shí)，會(huì)增加對(duì)于動(dòng)力電池的功率要求，不能充分利用大功率型氫燃料電池，其工作效率較低。

因此，在復(fù)雜多變的實(shí)際行駛中，截止頻率固定的濾波器可能無(wú)法實(shí)現(xiàn)最佳的功率分配。本文中采用截止頻率可調(diào)的低通濾波器，在整車運(yùn)行過(guò)程中，利用模糊控制器對(duì)其截止頻率fc進(jìn)行在線調(diào)整。

3.2 模糊控制器

模糊控制器非常適用于非線性、時(shí)變等過(guò)程復(fù)雜的系統(tǒng)，并且能獲得較好的控制效果。本文中選取動(dòng)力電池荷電狀態(tài)SOC和整車需求功率Pre作為兩個(gè)輸入變量，以低通濾波器截止頻率fc作為輸出變量，設(shè)計(jì)了雙輸入-單輸出的模糊控制器對(duì)低通濾波器截止頻率進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整。

首先確定各個(gè)變量的基本論域，將動(dòng)力電池SOC的基本論域設(shè)為［0，1］；根據(jù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)，將整車需求功率Pre的基本論域設(shè)為［0，250］；為保證低通濾波器較好地抑制需求功率的波動(dòng)，將低通濾波器截止頻率fc的基本論域設(shè)為［0，0.1］，再將3個(gè)變量分別劃分為甚低、低、中、高、甚高5個(gè)模糊子集，并使用｛VL、L、M、H、VH｝來(lái)表示，各變量隸屬度函數(shù)均采用三角形、梯形兩種類型組合的形式。圖8~圖10分別為動(dòng)力電池SOC、整車需求功率Pre和截止頻率fc的隸屬度函數(shù)。

圖8 動(dòng)力電池SOC隸屬度函數(shù)

圖9 整車需求功率Pre隸屬度函數(shù)

圖10 截止頻率fc隸屬度函數(shù)

當(dāng)動(dòng)力電池SOC較低、整車需求功率Pre較大時(shí)，模糊控制器應(yīng)輸出較大的截止頻率fc，使氫燃料電池承擔(dān)更大的功率輸出，保證整車的動(dòng)力性；而當(dāng)動(dòng)力電池SOC較高、整車需求功率Pre較小時(shí)，模糊控制器輸出較小的截止頻率fc，使氫燃料電池需求功率波動(dòng)更小，從而有利于提高其耐久性。表2為制定的模糊控制規(guī)則。

表2 模糊規(guī)則表

3.3 邏輯規(guī)則

邏輯規(guī)則由濾波前后需求功率Pre與Pref和動(dòng)力電池SOC共同控制能量分配。大功率型氫燃料電池重型貨車動(dòng)力系統(tǒng)主要包括3種工作模式。

（1）動(dòng)力電池單獨(dú)工作模式

起步時(shí)，由于氫燃料電池的啟動(dòng)需要預(yù)熱，由動(dòng)力電池單獨(dú)供電。當(dāng)氫燃料電池到達(dá)啟動(dòng)溫度時(shí)，氫燃料電池系統(tǒng)是否啟動(dòng)，由動(dòng)力電池SOC和需求功率Pref來(lái)決定。

當(dāng)動(dòng)力電池SOC＞SOCmax，且需求功率Pref＜Pfcmin時(shí)，氫燃料電池系統(tǒng)可以關(guān)閉，直到SOC≤SOCmin時(shí)，氫燃料電池系統(tǒng)重新啟動(dòng)。在此模式下，動(dòng)力電池輸出功率Pb=Pre。

（2）氫燃料電池單獨(dú)工作模式

當(dāng)SOC＜SOCmin時(shí)，若Pref＜Pfcmax，氫燃料電池單獨(dú)工作，承擔(dān)整車功率需求，同時(shí)為動(dòng)力電池充入電能，使其SOC趨向于SOC*。在此模式下，動(dòng)力電池和氫燃料電池功率為

式中Pch為動(dòng)力電池充電基數(shù)。此時(shí)Pb＜0，代表動(dòng)力電池正在充電，其充電功率根據(jù)式（3）和當(dāng)前SOC進(jìn)行計(jì)算。

（3）氫燃料電池與動(dòng)力電池混合工作模式

當(dāng)SOCmax＞SOC＞SOC*時(shí)，氫燃料電池與動(dòng)力電池共同為整車提供能量，在此模式下，動(dòng)力電池及氫燃料電池功率為

式中Pdis為動(dòng)力電池放電基數(shù)，將充放電基數(shù)均設(shè)為100 kW，即Pch=Pdis=100 kW。此時(shí)Pb＞0，代表動(dòng)力電池正在放電，其放電功率根據(jù)式（6）和當(dāng)前SOC進(jìn)行計(jì)算。

而當(dāng)SOC≤SOC*，但Pref＞Pfcmax時(shí)，氫燃料電池?zé)o法單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，此時(shí)動(dòng)力電池提供不足部分功率，此時(shí)動(dòng)力電池及氫燃料電池功率為

此外，當(dāng)汽車制動(dòng)時(shí)，設(shè)氫燃料電池系統(tǒng)輸出功率為Pfcmin，如果此時(shí)動(dòng)力電池SOC≤SOCmax，則由動(dòng)力電池回收電機(jī)產(chǎn)生的制動(dòng)能量。

4 建模與仿真

4.1 仿真模型

根據(jù)動(dòng)力系統(tǒng)各部件實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)合相關(guān)公式，在Matlab/Simulink軟件中搭建大功率型氫燃料電池重型貨車整車仿真模型，主要包括駕駛員模塊、整車控制策略模塊、驅(qū)動(dòng)電機(jī)模塊、燃料電池模塊、動(dòng)力電池模塊和整車動(dòng)力學(xué)模塊等部分，如圖11所示。

圖11 大功率型氫燃料電池重型貨車整車仿真模型

4.2 仿真結(jié)果與分析

在CHTC-TT工況下進(jìn)行仿真，將動(dòng)力電池荷電狀態(tài)設(shè)置在較為適宜的工作區(qū)間，取動(dòng)力電池SOC0=0.55，并對(duì)基于低通濾波的自適應(yīng)能量管理策略和傳統(tǒng)功率跟隨策略的仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。圖12為車速跟隨情況。

由圖12可知，采用兩種能量管理策略時(shí)，其車速變化情況基本一致，并且都能較為準(zhǔn)確地跟隨CHTC-TT工況下的目標(biāo)車速，整車動(dòng)力性滿足工況要求。

圖12 車速跟隨情況

圖13 為兩種能量管理策略下氫燃料電池系統(tǒng)輸出功率的變化情況。

圖13 氫燃料電池系統(tǒng)輸出功率情況

由圖13可知，采用兩種能量管理策略時(shí)，氫燃料電池系統(tǒng)輸出功率變化趨勢(shì)基本相同，并且都能保證氫燃料電池系統(tǒng)工作在較高效率區(qū)間。在汽車起動(dòng)前期，車速較低，同時(shí)動(dòng)力電池電量比較充足，此時(shí)氫燃料電池處在關(guān)閉狀態(tài)。隨著車速的提高和動(dòng)力電池電量的下降，氫燃料電池啟用，和動(dòng)力電池同時(shí)供電。當(dāng)整車需求功率較低時(shí)，氫燃料電池還為動(dòng)力電池充電。

將動(dòng)力電池荷電狀態(tài)控制在合理范圍也是能量管理策略的重要功能，圖14為兩種能量管理策略下，動(dòng)力電池SOC變化情況的對(duì)比。

圖14 動(dòng)力電池SOC變化情況

由圖14可知，兩種能量管理策略下動(dòng)力電池SOC變化情況基本相同，并且始終保持在適宜范圍。采用功率跟隨能量管理策略和基于低通濾波的自適應(yīng)能量管理策略，動(dòng)力電池SOC分別變化了0.098 7和0.099 2，其變化量相差不大。

采用兩種能量管理策略，其氫耗量如表3所示，表中等效氫耗為動(dòng)力電池等效氫耗量與氫燃料電池氫耗量之和。

表3 大功率型氫燃料電池重型貨車氫耗情況

由表可知，采用基于低通濾波的自適應(yīng)能量管理策略時(shí)，大功率型氫燃料電池重型貨車百公里氫耗量較低，但整車百公里等效氫耗量略高于功率跟隨控制策略，其主要原因是自適應(yīng)濾波器對(duì)整車需求功率進(jìn)行了濾波，由動(dòng)力電池承擔(dān)高頻部分功率，增大了動(dòng)力電池的輸出功率，進(jìn)而使其等效氫耗量有所增加。

變化率能夠反映數(shù)據(jù)的變化快慢，為量化分析氫燃料電池系統(tǒng)輸出功率波動(dòng)程度，本文中從功率變化率的角度出發(fā)，定義氫燃料電池系統(tǒng)輸出功率波動(dòng)度V為

式中：Pi+1和Pi分別為i+1和i時(shí)刻的氫燃料電池系統(tǒng)輸出功率采樣值；T表示采樣周期，取T=1 s；N為采樣點(diǎn)數(shù)目，取N=1801。波動(dòng)度數(shù)值越大，氫燃料電池系統(tǒng)功率的平穩(wěn)性越差，氫燃料電池系統(tǒng)功率波動(dòng)越大，反之，其數(shù)值越小，氫燃料電池系統(tǒng)功率的波動(dòng)越小。圖15為兩種能量管理策略下，氫燃料電池系統(tǒng)輸出功率波動(dòng)度變化情況的對(duì)比。

圖15 氫燃料電池系統(tǒng)輸出功率波動(dòng)度對(duì)比

由圖可知，基于低通濾波的自適應(yīng)能量管理策略下氫燃料電池輸出功率的波動(dòng)度始終小于功率跟隨策略，在CHTC-TT工況結(jié)束時(shí)，其波動(dòng)度分別為1.226 2和1.981 5。由以上分析可知，采用基于低通濾波的自適應(yīng)能量管理策略時(shí)，氫燃料電池系統(tǒng)輸出功率波動(dòng)較小，其平穩(wěn)性較好，在CHTC-TT工況下，其波動(dòng)度降低了38.12%。

通過(guò)以上對(duì)比分析可知，基于低通濾波的自適應(yīng)能量管理策略整車燃料經(jīng)濟(jì)性與功率跟隨策略基本持平，但是有效地降低了氫燃料電池系統(tǒng)輸出功率的波動(dòng)，減小了對(duì)于氫燃料電池的沖擊，有利于提高氫燃料電池的耐久性。

5 能量管理策略優(yōu)化

模糊控制器的設(shè)置具有一定的主觀性和盲目性，為了更加充分發(fā)揮自適應(yīng)低通濾波器的作用，本文中對(duì)其進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，以整車百公里氫耗和氫燃料電池系統(tǒng)波動(dòng)度最小作為優(yōu)化目標(biāo)，以模糊控制器3個(gè)變量隸屬度函數(shù)的橫坐標(biāo)作為優(yōu)化變量。

通過(guò)多目標(biāo)優(yōu)化，獲得30組非劣解組成的Pareto前沿，如圖16所示。

圖16 Pareto前沿

由圖可知，非劣解的分布呈現(xiàn)出凹曲線的形狀，當(dāng)整車百公里等效氫耗較低時(shí)，其微小的下降會(huì)使燃料電池系統(tǒng)輸出功率波動(dòng)度明顯升高，反之亦然，為使兩者同時(shí)達(dá)到較低值，本文中選擇O點(diǎn)作為最終的優(yōu)化方案。

經(jīng)過(guò)優(yōu)化后，模糊控制器中截止頻率fc、動(dòng)力電池SOC和整車需求功率Pre的隸屬度函數(shù)如圖17所示。

圖17 優(yōu)化后各變量隸屬度函數(shù)

將優(yōu)化后的變量導(dǎo)入自適應(yīng)低通濾波器，在CHTC-TT工況下進(jìn)行仿真，并對(duì)比優(yōu)化前后燃料電池系統(tǒng)輸出功率及其波動(dòng)度。圖18為優(yōu)化前后的燃料電池系統(tǒng)輸出功率對(duì)比。

圖18 燃料電池系統(tǒng)輸出功率對(duì)比

由圖可知，優(yōu)化前后燃料電池系統(tǒng)輸出功率的變化趨勢(shì)基本一致，并且都能保證燃料電池系統(tǒng)工作在較高效區(qū)域，圖19為優(yōu)化前后燃料電池系統(tǒng)輸出功率波動(dòng)度的對(duì)比。

圖19 優(yōu)化前后燃料電池系統(tǒng)輸出功率波動(dòng)度對(duì)比

由圖可知，優(yōu)化后燃料電池系統(tǒng)輸出功率波動(dòng)度變化更慢，數(shù)值更低，因此燃料電池系統(tǒng)輸出功率波動(dòng)更小，平穩(wěn)性更好，對(duì)燃料電池系統(tǒng)的耐久性更有利。

在CHTC-TT工況結(jié)束時(shí)，自適應(yīng)低通濾波器優(yōu)化前后氫燃料電池重型貨車整車氫耗情況和燃料電池系統(tǒng)輸出功率波動(dòng)度如表4所示。

表4 自適應(yīng)低通濾波器優(yōu)化前后對(duì)比

由表可知，優(yōu)化后的基于低通濾波的自適應(yīng)能量管理策略能夠在不增加整車氫耗的前提下，進(jìn)一步減小燃料電池系統(tǒng)輸出功率波動(dòng)度，其優(yōu)化比例達(dá)到了9.28%。

6 結(jié)論

本文中以大功率型氫燃料電池重型貨車為研究對(duì)象，通過(guò)分析其混合動(dòng)力系統(tǒng)，確定了氫燃料電池和動(dòng)力電池的適宜工作區(qū)間，結(jié)合其典型工況下整車需求功率的頻域特性，提出了一種基于低通濾波的自適應(yīng)能量管理策略，并在Matlab/Simulink中搭建大功率型氫燃料電池重型貨車整車仿真模型，對(duì)其進(jìn)行仿真驗(yàn)證，仿真結(jié)果表明所提出的能量管理策略能夠在保證大功率型氫燃料電池重型貨車動(dòng)力性和燃料經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)，有效地降低氫燃料電池系統(tǒng)輸出功率的波動(dòng)，在CHTC-TT工況下的波動(dòng)度降低了38.12%。為了更充分發(fā)揮自適應(yīng)低通濾波器的作用，最后對(duì)自適應(yīng)低通濾波器進(jìn)行了多目標(biāo)優(yōu)化，優(yōu)化后在保持整車氫耗水平的前提下，使燃料電池系統(tǒng)輸出功率波動(dòng)度進(jìn)一步降低9.28%。本文為大功率型氫燃料電池重型貨車能量管理策略的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用提供了一定的參考。