一種增程式燃料電池汽車能量管理策略的應(yīng)用

1 燃料電池增程式電動(dòng)汽車系統(tǒng)動(dòng)力方案定義

新能源汽車按分類可分成純電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力電動(dòng)汽車和燃料電池汽車等；而燃料電池汽車也存在著多種動(dòng)力方案，按驅(qū)動(dòng)形式可分為純?nèi)剂想姵仳?qū)動(dòng)方案和與其他儲(chǔ)能裝置共同驅(qū)動(dòng)的混合驅(qū)動(dòng)方案

。但是目前純?nèi)剂想姵仳?qū)動(dòng)的動(dòng)力方案有著如下的缺點(diǎn)：一是由于車輛的所有輸出功率都來由燃料電池來提供，因此其系統(tǒng)凈輸出功率往往需求很大，對其成本和車內(nèi)的布置空間存在著較大的挑戰(zhàn)；二是為了保證車輛能滿足各種行駛工況，燃料電池的動(dòng)態(tài)性能需求也較苛刻；三是由于燃料電池?zé)o法進(jìn)行儲(chǔ)能，因此很難實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量回收，會(huì)導(dǎo)致車輛能耗較高?；谝陨系娜秉c(diǎn)，目前燃料電池汽車的主要驅(qū)動(dòng)形式還是考慮混合驅(qū)動(dòng)。本文定義的燃料電池汽車動(dòng)力方案就是以燃料電池作為增程器并輔以高壓蓄電池系統(tǒng)共同混合驅(qū)動(dòng)車輛。

創(chuàng)新教育主線是指課程教育培養(yǎng)與課外創(chuàng)新實(shí)踐相結(jié)合的創(chuàng)新教育，以激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新熱情，包括機(jī)械制造自動(dòng)化技術(shù)、技能大賽、機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)、大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)等。

1.1 基礎(chǔ)車型參數(shù)

由于燃料電池汽車需要以燃料電池作為主要能量發(fā)生裝置進(jìn)行功率和能量輸出，但目前的技術(shù)水平來說，燃料電池系統(tǒng)本身的功率密度及成本還不夠成熟，因此對于小型化的短途使用的純電動(dòng)汽車，燃料電池帶來的基準(zhǔn)重量和成本會(huì)高于鋰電池系統(tǒng)?？呻S著車型變大以及對續(xù)駛里程要求的提高，燃料電池汽車的成本和重量優(yōu)勢優(yōu)勢逐漸體現(xiàn)，其僅需通過增加1kg的儲(chǔ)氫質(zhì)量就能實(shí)現(xiàn)純電動(dòng)汽車增加80 kg鋰電池所帶來的續(xù)駛里程增長。因此本文考慮基于某款B級SUV展開方案設(shè)計(jì)。其基本參數(shù)如下表1.1：

同時(shí)綜合考慮競品性能水平以及產(chǎn)品的定位，定義該車輛的性能目標(biāo)如下表1.2：

1.2 電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)與選型

基于上述的整車動(dòng)力性目標(biāo)，根據(jù)式1.1～1.5可依次定義出電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的最大轉(zhuǎn)速、額定功率、額定扭矩、峰值功率及峰值扭矩需求：

=0

377

(式1

1)

(式1

2)

(式1

3)

(式1

4)

(式1

5)

得到電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)需求及最終的選型見下表1

3：

1.3 能源系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)與選型

寫出最優(yōu)軌線對應(yīng)的正則方程；

(式1

6)

(式1

7)

(式1

8)

為能源系統(tǒng)到驅(qū)動(dòng)輪的效率，參考經(jīng)驗(yàn)值效率約為75%。根據(jù)式1.6～1.8計(jì)算得到在NEDC工況下總續(xù)駛里程≥500 km時(shí)，能源系統(tǒng)需提供的可用能量≥87.45 kWh。同時(shí)，在NEDC工況下純電續(xù)駛里程≥50 km時(shí)，高壓電池系統(tǒng)需提供的可用能量≥8.75 kWh，考慮混動(dòng)電池系統(tǒng)的SOC可用窗口一般為95～25%，高壓電池系統(tǒng)標(biāo)稱能量需≥12.5 kWh。剩余的能量由氫氣提供，利用氫能與電能之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系，先將氫能轉(zhuǎn)化為電能，從而計(jì)算出所需的氫氣質(zhì)量，計(jì)算公式如式1.9：

(式1

9)

其中

為燃料電池系統(tǒng)在NEDC工況下的平均效率，假定平均效率為45%，推出可用氫氣質(zhì)量需求為5.25 kg。

用戶實(shí)際工況下能耗最優(yōu)的能量管理策略是基于前蘇聯(lián)學(xué)者龐特里亞金等人總結(jié)提出的極小值原理，用于求解在燃料電池增程式電動(dòng)汽車行駛過程中的最優(yōu)綜合能耗。龐特里亞金的極小值原理是在20世紀(jì)50年代中期提出，用以確定受控系統(tǒng)的性能指標(biāo)達(dá)到極大值或極小值的一種最優(yōu)控制方法，其基本上適用于大多數(shù)帶有控制約束的控制問題，也可用于解決連續(xù)和離散系統(tǒng)的最優(yōu)控制的求解

。應(yīng)用極小值原理求解最優(yōu)控制問題主要包含如下步驟：

本車的恒溫器能量管理策略定義如下：當(dāng)高壓電池系統(tǒng)SOC在車輛使用過程中下降到30%時(shí)，燃料電池系統(tǒng)啟動(dòng)并以系統(tǒng)效率最高的11 kW進(jìn)行凈功率輸出。如果此時(shí)整車需求功率大于燃料電池系統(tǒng)輸出的11 kW時(shí)，則可以實(shí)現(xiàn)降低高壓電池系統(tǒng)的能量消耗；如果此時(shí)整車需求功率小于燃料電池系統(tǒng)輸出的11 kW，則可實(shí)現(xiàn)為高壓電池系統(tǒng)進(jìn)行電能補(bǔ)給，直至高壓電池系統(tǒng)SOC充電至70%時(shí)，自動(dòng)停止燃料電池系統(tǒng)功率輸出。該策略的主要優(yōu)點(diǎn)是控制簡單可靠，燃料電池增程器能夠工作在設(shè)定的高效及低排放區(qū)域，但由于各限值參數(shù)依靠的是工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)置，無法保證車輛能源經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)，且這些現(xiàn)值參數(shù)不能適應(yīng)行駛工況的動(dòng)態(tài)變化，可能在某些激烈行駛工況下，高壓蓄電池SOC過早低至無法行駛，影響用戶使用

。

2 用戶實(shí)際工況下能耗最優(yōu)的增程式燃料電池汽車能量管理策略開發(fā)

2.1 常用能量管理策略介紹

采用閾值控制能量管理策略的恒溫器策略和基于特定規(guī)則的功率跟隨能量管理策略，因其控制策略的算法簡單，對整車控制系統(tǒng)的運(yùn)算性能需求低，目前在混動(dòng)汽車上的使用相對普遍，因此本文以這兩種能量管理策略作為對比對象。

各部門網(wǎng)站都支持創(chuàng)建無線個(gè)欄目，可以根據(jù)需要擴(kuò)展網(wǎng)站，欄目可以在網(wǎng)站前臺(tái)以菜單的顯示呈現(xiàn)。菜單以樹型結(jié)構(gòu)顯示，界面友好、導(dǎo)航清晰。后臺(tái)創(chuàng)建的導(dǎo)航菜單，生成js代碼，前臺(tái)顯示的時(shí)候，可以有效得提高網(wǎng)站性能。

得到能源系統(tǒng)參數(shù)需求及最終的選型見下表1.4：

本車的恒溫器能量管理策略定義如下：當(dāng)高壓電池系統(tǒng)SOC在車輛使用過程中下降到90%時(shí)，且整車功率需求在燃料電池系統(tǒng)怠速功率8 kW和燃料電池系統(tǒng)額定功率36 kW之間時(shí)，燃料電池按整車實(shí)際功率需求輸出；當(dāng)整車功率需求大于36 kW時(shí)，燃料電池按額定功率36 kW輸出；如果動(dòng)力電池SOC升至接近充電上限95%，自動(dòng)停止燃料電池系統(tǒng)功率輸出。同時(shí)，為避免燃料電池頻繁啟停，燃料電池單次工作時(shí)間不低于30 s。該策略能一定程度上避免出現(xiàn)恒溫器策略的SOC過早截止，但可能會(huì)帶來較頻繁的燃料電池系統(tǒng)啟停以及可能會(huì)存在短時(shí)間內(nèi)大幅度的燃料電池系統(tǒng)功率變化。

2.2 用戶實(shí)際工況選取

本文選取了NEDC工況，WLTC工況，CLTC-P工況和120km/h巡航工況來代表用戶實(shí)際工況，并以這些工況開展車輛續(xù)駛里程和能耗試驗(yàn)，此處選擇的工況特征值差異較大，能很好地反映不同工況下的三種能量管理策略的工作狀態(tài)及結(jié)果表現(xiàn)。NEDC循環(huán)工況其于1997年正式定名并沿用至今。目前該測試標(biāo)準(zhǔn)主要使用的地域或國家主要是歐洲、澳大利亞、中國等地。NEDC循環(huán)工況是一種模態(tài)工況，車速的變化很有規(guī)律，且變化的頻率較小。WLTC工況是由聯(lián)合國世界車輛法規(guī)協(xié)調(diào)論壇下設(shè)的污染與能源工作組研究制定的全球輕型車排放測試工況。歐盟和日本分別于2017年和2018年開始正式實(shí)施WLTP法規(guī)測試規(guī)程，中國也在2019年7月開始將輕型車第六階段的排放標(biāo)準(zhǔn)切換成了WLTC工況，作為我國國六排放標(biāo)準(zhǔn)的升級。CLTC-P是中國行駛工況中的乘用車部分，是基于中國的大量座城市、車輛、累積里程、地理信息系統(tǒng)等大數(shù)據(jù)所定義出的符合中國國情的標(biāo)準(zhǔn)工況。CLTC-P能更真實(shí)反映中國特殊的工況要求，不僅反映在更接近中國國情的平均車速、最高車速，同時(shí)還具有更合理的停車時(shí)長、更完整的行駛工況、更多樣的加減速工況。120 km/h巡航工況則是模擬中國用戶長時(shí)間在高速公路行駛的苛刻工況。表2.1是這四種工況的特征值對比：

肇慶市政府指定疏浚物處理項(xiàng)目由肇慶市國資委管理，肇慶市國資委委托城投公司組織公開招投標(biāo)。最終，方少瑜名下的廣州市安邦裝飾工程有限公司以約6500萬元中標(biāo)。

2.3 用戶實(shí)際工況下能耗最優(yōu)的能量管理策略理論與設(shè)計(jì)方法

女醫(yī)生毫不掩飾地露出鄙夷的神情，“嘖嘖，說不定他們很早就認(rèn)識(shí)，否則她的實(shí)習(xí)醫(yī)院為什么不是其他醫(yī)院，偏偏是我們醫(yī)院？真是巧得有點(diǎn)夸張！想留在我們這類最好的醫(yī)院無非幾條路，靠實(shí)力，靠關(guān)系，每年有多少應(yīng)屆畢業(yè)醫(yī)生排著隊(duì)來醫(yī)院實(shí)習(xí)面試，幾個(gè)被留下的我們都掰得出手指。她家里指望著她翻身，沒背景、沒資本，真能留下對她來說，何嘗不是個(gè)不錯(cuò)的機(jī)會(huì)呢！哈哈！”

大自然總是慷慨地饋贈(zèng)給我們豐富的木材資源，為我們的創(chuàng)作奉獻(xiàn)無限的動(dòng)力和靈感。材質(zhì)中所蘊(yùn)含的能量，為創(chuàng)作者的體悟、認(rèn)知、創(chuàng)作過程開啟了新的亮點(diǎn)。從另一方面說，藝術(shù)家的情思，也彰顯了材質(zhì)本身的表現(xiàn)語言。

根據(jù)狀態(tài)方程以及性能指標(biāo)構(gòu)造出用于求解最優(yōu)控制問題的哈密頓函數(shù)H(x,λ,u,t);

基于上述的整車?yán)m(xù)駛里程目標(biāo)，，燃料電池增程式電動(dòng)汽車在NEDC工況下的總續(xù)駛里程大于500 km。在整個(gè)循環(huán)過程中，總能量包括三個(gè)部分：驅(qū)動(dòng)消耗的能量

、回收制動(dòng)能產(chǎn)生的能量

和附件消耗的能量

，各能量的計(jì)算過程如式1

6～1

8：

由正則方程求出表達(dá)式u(t)和x(t)的解；

優(yōu)質(zhì)雜排水是城市建筑中水回用當(dāng)中主要考慮的雜排水資源，因此本文在進(jìn)行建筑中水回用系統(tǒng)設(shè)定時(shí)對優(yōu)質(zhì)雜排水的會(huì)用流程進(jìn)行分析。常見的回用有生物氧化和混凝沉淀兩種方式。其中生物氧化主要借助格柵和調(diào)節(jié)池等設(shè)施，對原水進(jìn)行生物接觸樣化處理，并通過沉淀、過濾和消毒等步驟，使其轉(zhuǎn)化成為可被再度利用的中水資源；混凝沉淀處理同樣需要在調(diào)節(jié)池當(dāng)中進(jìn)行，其中間需要借助活性炭進(jìn)行雜質(zhì)吸附，從而實(shí)現(xiàn)中水的獲取。

(1)終端的移動(dòng)性：根據(jù)IP的通信過程，我們知道IP地址的功能是承擔(dān)主機(jī)標(biāo)識(shí)和路由標(biāo)識(shí)，如果使用終端移動(dòng)而導(dǎo)致接入位置發(fā)生改變，網(wǎng)絡(luò)則立即給它分配新的IP地址，因?yàn)樵贗P地址上捆綁了傳輸協(xié)議，若IP地質(zhì)發(fā)生某些變化，就會(huì)造成傳輸協(xié)議被終止，這也就意味著終端通信會(huì)話關(guān)閉。

首先定義狀態(tài)變量為高壓電池系統(tǒng)SOC，控制變量為高壓電池系統(tǒng)功率PBat，氫氣質(zhì)量流量m ?

H

)作為性能目標(biāo)指標(biāo)。

列出對應(yīng)的邊界條件、邊界約束條件和協(xié)態(tài)終值方程；

(式2

1)

又因?yàn)?/p>

=(

+

)×

×

標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換是職業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的課程化環(huán)節(jié)，是對職業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行解構(gòu)與重組，將其轉(zhuǎn)換為課程標(biāo)準(zhǔn)諸要素的過程。其操作步驟是：通過對涉外崗位的職業(yè)分析，編制涉外崗位職業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，并通過篩選對比、交叉分析，提煉出與國際商法課程相關(guān)的內(nèi)容；依據(jù)職業(yè)概況，確定國際商法課程定位；依據(jù)職業(yè)功能，確定國際商法課程目標(biāo)；依據(jù)工作內(nèi)容，確定國際商法課程項(xiàng)目體系；依據(jù)工作要求，進(jìn)行國際商法課程設(shè)計(jì)；模擬工作過程，進(jìn)行國際商法課程實(shí)施；依據(jù)項(xiàng)目權(quán)重，制訂課程考核標(biāo)準(zhǔn)。[2]最終將涉外崗位職業(yè)標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換為國際商法的課程標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)職業(yè)標(biāo)準(zhǔn)各要素與課程標(biāo)準(zhǔn)各要素之間相互滲透、合理對接。

(式2

2)

(式2

3)

(式2

4)

再定義約束函數(shù)

以表示

變化率：

依據(jù)所得的正則方程、對應(yīng)條件，求解最優(yōu)控制和最優(yōu)軌線。

(式2

5)

其中約束條件為 0

15≤

≤0

95

(式2

6)

初末狀態(tài)分別為：

(0)=

,

(

)=

(式2

7)

(式2

8)

同時(shí)引入?yún)f(xié)狀態(tài)

，用于根據(jù)用戶實(shí)際工況的消耗動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)氫氣和電能的消耗比例，

越大，則減少電能的消耗，其主要目的是為了保證用戶不會(huì)在氫氣消耗完前將電能耗盡，從而實(shí)現(xiàn)在用戶工況下最長的續(xù)駛里程和最低的綜合能耗。通過如下圖2

1

的確定邏輯，以實(shí)現(xiàn)車輛行駛過程中動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)

,以保證在車輛運(yùn)行的各個(gè)階段均能實(shí)現(xiàn)較好的綜合能耗。

對應(yīng)的哈密頓函數(shù)：

通過秸稈覆蓋的方法可以很好的改善土壤的物理性狀，同時(shí)，在不同的覆蓋年限以及覆蓋數(shù)量的情況下，對于土壤物理性狀的改善也會(huì)存在不同的效果。在實(shí)際應(yīng)用秸稈覆蓋的過程中，我們可以發(fā)現(xiàn)秸稈覆蓋對于降低降水對土壤的拍打、淋洗以及沖擊都存在明顯的效果，從而保證土壤的通透性。在此基礎(chǔ)上，秸稈覆蓋還可以有效減輕由于陽光暴曬使土壤表層出現(xiàn)龜裂的現(xiàn)象。通過以上兩方面的作用，更好的保證土壤物理結(jié)構(gòu)的良好。

(

,

,

,

)=

(

,

)+

(

)

(

,

)

(式2

9)

由此可得，高壓電池系統(tǒng)功率的最優(yōu)解：

(式2

10)

將協(xié)狀態(tài)

與用戶實(shí)際工況進(jìn)行關(guān)聯(lián)，本文以車輛前1km的等效能量消耗率、高壓電池系統(tǒng)可用SOC和剩余氫氣質(zhì)量作為用戶實(shí)際工況的特征值。前1km的等效能量消耗率在1～60 kWh/100km內(nèi)取值，步長為1 kWh/100km；高壓電池系統(tǒng)可用SOC在0～100%內(nèi)取值，步長為5%；剩余氫氣質(zhì)量在0～5.3kg內(nèi)取值，步長為0.1 kg，通過排列組合，共得到66,780組模擬工況組合。通過搭建整車仿真模型依次對各個(gè)模擬工況組合進(jìn)行求解，能得到不同工況下的最優(yōu)協(xié)狀態(tài)

，下圖2.2 示意的就是前1km的等效能量消耗率為30 kWh/100km時(shí)不同SOC和氫氣剩余質(zhì)量下的

的最優(yōu)值。

將計(jì)算得到的共計(jì)60張三維矩陣錄入用戶實(shí)際工況下能耗最優(yōu)的能量管理策略中，以實(shí)現(xiàn)通過前1 km等效能量消耗率、高壓電池系統(tǒng)可用SOC和剩余氫氣質(zhì)量這三個(gè)車輛參數(shù)查表后能得到當(dāng)前最優(yōu)協(xié)狀態(tài)λ，使得策略能根據(jù)該最優(yōu)協(xié)狀態(tài)λ實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)燃料電池系統(tǒng)和高壓電池系統(tǒng)的輸出功率，本文定義的更新周期為 28s，主要考慮的是即使平均車速為130 km/h，前1 km等效能量消耗率的更新周期約為28s，這個(gè)更新周期的限制能大大降低最優(yōu)協(xié)狀態(tài)λ的實(shí)時(shí)性計(jì)算需求。

百折不撓的葉曉曉受挫了，她兩手空空地回到醫(yī)院，葉之容睡著了，她趴在葉之容床邊偷偷哭了一場。讓葉曉曉沒有料到的是，那個(gè)鍥而不舍的攝影家突然打聽到醫(yī)院來了，他拎了點(diǎn)水果來看葉之容。

2.4 能量管理策略實(shí)車應(yīng)用及試驗(yàn)驗(yàn)證

依次對包括恒溫器、功率跟隨和用戶實(shí)際工況下能耗最優(yōu)的能量管理策略進(jìn)行NEDC工況、WLTC工況、CLTC-P工況和120 km/h高速巡航工況進(jìn)行續(xù)駛里程測試，測試結(jié)果見下表2.3：

該試驗(yàn)結(jié)果表明在這些工況下用戶實(shí)際工況下能耗最優(yōu)的能量管理策略的續(xù)駛里程均優(yōu)于恒溫器和功率跟隨策略，而且由于車輛在使用過程中能源系統(tǒng)的總能量一致，這也代表著用戶實(shí)際工況下能耗最優(yōu)的能量管理策略下的燃料電池系統(tǒng)和高壓電池系統(tǒng)綜合工作效率更高，電能能量消耗率和氫能能量消耗率更優(yōu)，且該策略未出現(xiàn)在高整車功率需求工況下氫氣的截止早于電能消耗的現(xiàn)象，能實(shí)現(xiàn)氫氣和電能的較優(yōu)利用。

3 結(jié)論

本文所開發(fā)的用戶實(shí)際工況下能耗最優(yōu)的增程式燃料電池汽車能量管理策略在最優(yōu)協(xié)狀態(tài)λ的調(diào)整以及相應(yīng)的優(yōu)化算法的應(yīng)用下，能夠在常見的包括NEDC、WLTC、CLTC-P及120 km/h高速巡航工況下取得較好的續(xù)駛里程、電能能量消耗率、氫能能量消耗率及系統(tǒng)綜合效率的表現(xiàn)。同時(shí)，也能該很好地克服恒溫器能量管理策略和功率跟隨能量管理策略的缺點(diǎn)，在保證車輛性能的前提下，不會(huì)出現(xiàn)電能補(bǔ)給不及時(shí)和較頻繁的燃料電池系統(tǒng)啟停和大幅度的功率變化。

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