氫燃料電池電電混合汽車能量管理控制策略研究

張利新， 李雙龍， 楊杰君

(長(zhǎng)沙中車智馭新能源科技有限公司， 長(zhǎng)沙 410000)

目前燃料電池客車采用的是電電混合的動(dòng)力方案，燃料電池為主要?jiǎng)恿υ?，?dòng)力電池為輔助動(dòng)力源，動(dòng)力電池用來(lái)補(bǔ)充整車在大負(fù)荷、大功率運(yùn)行情況下消耗的電能，在車輛進(jìn)行制動(dòng)能量回收與低功率運(yùn)行時(shí)，回收燃料電池剩余電量。合理的能量管理系統(tǒng)控制策略是提高整車動(dòng)力性和燃料經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵。因此，制定合理的能量控制策略具有重要意義。

1 能量管理系統(tǒng)控制策略

1.1 燃料電池客車動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文研究的燃料電池客車混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 能量管理功率分配原則

大量研究數(shù)據(jù)及實(shí)車道路試驗(yàn)表明，車輛的運(yùn)行工況、燃料電池頻繁啟停和變載，對(duì)燃料電池系統(tǒng)的可靠性與耐久性有重要影響。在能量管理控制策略的設(shè)計(jì)過(guò)程中，要盡量減少燃料電池系統(tǒng)頻繁變載、過(guò)載、啟停工況的時(shí)間或次數(shù)。

1) 根據(jù)動(dòng)力電池SOC和整車實(shí)際需求功率，通過(guò)目標(biāo)功率與SOC滯環(huán)控制策略，計(jì)算出當(dāng)前SOC下燃料電池輸出功率的初值，避免停車補(bǔ)電。

2) 通過(guò)動(dòng)力電池SOC的變化幅度來(lái)修正燃料電池的目標(biāo)功率值。

3) 始終限制燃料電池最大目標(biāo)功率值，不允許超過(guò)動(dòng)力電池當(dāng)前允許的最大充電功率和燃料電池允許的最大輸出功率兩者中的最小值。

4) 當(dāng)燃料電池處于峰值功率點(diǎn)工作狀態(tài)時(shí)，為避免車輛在長(zhǎng)下坡、緊急制動(dòng)等極端工況下，制動(dòng)能量回收的電流過(guò)大而導(dǎo)致動(dòng)力電池輸入過(guò)流問(wèn)題，需限制電機(jī)的部分制動(dòng)能量回收，使燃料電池系統(tǒng)的輸出電流加上電機(jī)能量回收電流的總和不超過(guò)動(dòng)力電池最大的允許輸入電流，以降低安全風(fēng)險(xiǎn)，延長(zhǎng)使用壽命。

1.3 能量管理滯環(huán)控制策略

當(dāng)前氫燃料電池客車搭載的動(dòng)力電池電量一般在50 kW·h左右，車輛在實(shí)際道路運(yùn)行工況下，驅(qū)動(dòng)電機(jī)、轉(zhuǎn)向油泵、打氣泵、空調(diào)等大功率用電設(shè)備的啟停以及電機(jī)進(jìn)行再生制動(dòng)，都會(huì)導(dǎo)致動(dòng)力電池實(shí)時(shí)放電量與制動(dòng)能量回收電量的變化幅度較大，進(jìn)而導(dǎo)致動(dòng)力電池SOC頻繁地波動(dòng)。為了避免燃料電池的目標(biāo)功率跟隨動(dòng)力電池SOC波動(dòng)，而導(dǎo)致頻繁進(jìn)行功率變載降低燃料電池的發(fā)電效率與使用壽命，需要在動(dòng)力電池進(jìn)行放電和充電時(shí)，將設(shè)定燃料電池目標(biāo)功率的動(dòng)力電池SOC信號(hào)進(jìn)行滯環(huán)處理：SOC上升與下降的滯環(huán)區(qū)間均設(shè)定為3%，如圖2所示。由于動(dòng)力電池SOC存在3%滯環(huán)區(qū)間，即使動(dòng)力電池SOC值在短時(shí)間內(nèi)上下波動(dòng)，也不會(huì)造成燃料電池目標(biāo)功率的波動(dòng)。

圖2 電池SOC滯環(huán)圖

當(dāng)動(dòng)力電池SOC低于60%時(shí)，允許燃料電池啟動(dòng)，啟動(dòng)過(guò)程及待機(jī)所需功率由燃料電池自行設(shè)定，整車不進(jìn)行干預(yù)。只有當(dāng)燃料電池反饋處于完全啟動(dòng)并可自由調(diào)節(jié)功率狀態(tài)時(shí)，才響應(yīng)整車設(shè)定的目標(biāo)功率，如圖3所示。該圖所示的目標(biāo)功率值相差較大，燃料電池工作效率低。為了讓燃料電池更多地工作在其高效區(qū)間內(nèi)，按照?qǐng)D4所示，細(xì)分目標(biāo)功率區(qū)間。當(dāng)SOC低于45%時(shí)，目標(biāo)功率達(dá)到燃料電池最大輸出功率；當(dāng)動(dòng)力電池SOC值每上升或下降5%時(shí)，目標(biāo)功率相應(yīng)減小或增加5 kW；當(dāng)SOC高于85%時(shí)，目標(biāo)功率設(shè)定為0 kW，燃料電池開(kāi)始關(guān)機(jī)。

圖3 燃料電池目標(biāo)功率設(shè)定圖

圖4 燃料電池細(xì)分目標(biāo)功率圖

1.4 MATLAB/Simulink 控制策略模型搭建

使用MATLAB/Simulink完成上述燃料電池系統(tǒng)能量管理控制策略中的動(dòng)力電池SOC滯環(huán)區(qū)間與燃料電池目標(biāo)功率區(qū)間設(shè)定的模型搭建，其架構(gòu)如圖5所示。

圖5 控制策略模型架構(gòu)圖

2 實(shí)車道路測(cè)試分析

2.1 道路測(cè)試工況分析

將上述控制策略應(yīng)用到公司某10 m燃料電池城市客車上，進(jìn)行市區(qū)實(shí)際道路測(cè)試。燃料電池最大輸出功率50 kW，額定發(fā)電功率30～45 kW；動(dòng)力電池電量50 kW·h。圖6為該車市區(qū)道路運(yùn)營(yíng)路線上的車速曲線圖，主要車速區(qū)間為20～40 km/h，該過(guò)程包含了車輛勻速、加速、滑行、制動(dòng)、停車等工況，屬于中低速典型城市公交工況。

圖6 運(yùn)行車速曲線圖

2.2 能量管理滯環(huán)控制數(shù)據(jù)分析

如圖7所示，動(dòng)力電池SOC在60%～85%區(qū)間內(nèi)規(guī)律波動(dòng)，該區(qū)間正好是燃料電池的啟停工作區(qū)間。

圖7 動(dòng)力電池SOC變化圖

1) 當(dāng)SOC低于60%時(shí)，燃料電池開(kāi)始啟動(dòng)發(fā)電，在實(shí)時(shí)滿足整車運(yùn)營(yíng)所需功率消耗的同時(shí)，將剩余能量給動(dòng)力電池充電，動(dòng)力電池SOC緩慢上升。

2) 根據(jù)整車能量管理滯環(huán)控制策略，隨著動(dòng)力電池SOC的增大，燃料電池目標(biāo)功率依次遞減，直到SOC大于85%時(shí)，燃料電池目標(biāo)功率變?yōu)榱?，進(jìn)入關(guān)機(jī)流程。

3) 燃料電池系統(tǒng)關(guān)機(jī)后，整車運(yùn)營(yíng)所需能量全部由動(dòng)力電池提供，動(dòng)力電池SOC開(kāi)始緩慢下降。直到電池SOC低于60%，燃料電池才再一次啟動(dòng)發(fā)電。根據(jù)動(dòng)力電池SOC以及整車需求功率，燃料電池以此循環(huán)啟停。

4) 在此中低速典型城市公交工況下，車輛無(wú)需進(jìn)行充電，僅靠燃料電池發(fā)電即可滿足整車運(yùn)營(yíng)能量需求。

2.3 動(dòng)力電池充放電電流分析

圖8為城市客車市區(qū)道路運(yùn)營(yíng)路線工況下的動(dòng)力電池充放電電流曲線圖。圖中正電流為放電，負(fù)電流為充電，①、③區(qū)域?yàn)槿剂想姵叵到y(tǒng)停機(jī)時(shí)，動(dòng)力電池小電流放電、瞬間大電流放電以及制動(dòng)能量回收充電的過(guò)程，②區(qū)域?yàn)槿剂想姵叵到y(tǒng)工作時(shí)動(dòng)力電池小電流穩(wěn)定充電的過(guò)程。

圖8 動(dòng)力電池充放電電流

燃料電池工作時(shí)，其輸出的電流已完全滿足整車實(shí)際道路運(yùn)營(yíng)所需，并且將剩余電流(0～50 A)穩(wěn)定地回充進(jìn)動(dòng)力電池，并維持動(dòng)力電池 SOC 在合理的荷電狀態(tài)區(qū)間內(nèi)，避免過(guò)度放電和充電。

2.4 燃料電池系統(tǒng)功率區(qū)間

如圖9所示，在典型城市公交工況下，燃料電池系統(tǒng)在各功率點(diǎn)可穩(wěn)定工作，未出現(xiàn)異常功率波動(dòng)；燃料電池在30～45 kW功率區(qū)間內(nèi)可穩(wěn)定變載工作。在各功率點(diǎn)的工作時(shí)間與當(dāng)前工況下整車功率消耗有關(guān)。

圖9 燃料電池輸出功率

整車需求功率大時(shí)，燃料電池輸出能量大部分被實(shí)時(shí)消耗掉，小部分能量被充進(jìn)動(dòng)力電池，使得動(dòng)力電池SOC變化很小，導(dǎo)致目標(biāo)功率未作調(diào)整，燃料電池在此功率點(diǎn)長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作。

相反，整車需求功率小時(shí)，燃料電池輸出的大部分能量被充進(jìn)動(dòng)力電池，使得動(dòng)力電池SOC變化較大，而導(dǎo)致燃料電池目標(biāo)功率較快向下調(diào)整，燃料電池在此功率點(diǎn)穩(wěn)定工作時(shí)間較短。

2.5 燃料電池效率分析

如圖10所示，燃料電池效率在40%～53%范圍內(nèi)，其中系統(tǒng)輸出功率小于10 kW或者大于45 kW，系統(tǒng)效率較低。在典型城市公交工況下，燃料電池功率區(qū)間為30～45 kW，正處于燃料電池工作的高效區(qū)。

圖10 燃料電池系統(tǒng)功率-效率圖

3 結(jié)束語(yǔ)

本文研究的燃料電池能量管理系統(tǒng)控制策略，保障了城市客車在市區(qū)道路運(yùn)營(yíng)路線工況下的正常運(yùn)營(yíng)，避免了因電量低臨時(shí)停車充電所造成的交通擁堵以及車輛刮擦、碰撞等交通事故，有利于氫燃料電池客車在城市道路交通領(lǐng)域更大規(guī)模的應(yīng)用推廣。