小功率燃料電池動力系統(tǒng)設(shè)計及能量管理策略研究

于秋揚 庾昂

(上汽大眾汽車有限公司，上海 201805)

0 引言

本文工作基于上汽大眾的一個燃料電池開發(fā)項目。該研究僅處于起步階段，公司主要關(guān)注小型燃料電池的復(fù)合電源系統(tǒng)的性能，因此選擇了自行車這一低功率的用電裝置為應(yīng)用對象，最終設(shè)計出一款適用于自行車的燃料電池復(fù)合電源動力系統(tǒng)。

本文的研究意義在于：(1)完整地匹配了一套自行車用的燃料電池復(fù)合電源系統(tǒng)；(2)設(shè)計了合適的模型進行快速開發(fā)；(3)討論了各能量控制策略的優(yōu)缺點；(4)實物驗證了功能和結(jié)構(gòu)上的可行性；(5)為上汽大眾后續(xù)的燃料電池樣車開發(fā)項目提供了借鑒意義。

1 采用復(fù)合電源的燃料電池自行車動力系統(tǒng)集成設(shè)計

在工業(yè)領(lǐng)域，燃料電池復(fù)合電源在自行車領(lǐng)域鮮有研究。本文仿照現(xiàn)代汽車設(shè)計模塊化、平臺化的理念，將動力系統(tǒng)作為一獨立的子模塊進行研究，后將基礎(chǔ)平臺集成在整車中[1]。

如圖1，總結(jié)下來，對于動力系統(tǒng)的集成主要可分為以下四個階段的工作：

圖1 燃料電池自行車動力系統(tǒng)集成設(shè)計流程示意圖

(1)確定系統(tǒng)基本技術(shù)方案；

(2)分析、確定各零部件的性能指標要求及零部件類型；

(3)確定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布置；

(4)分析系統(tǒng)需實現(xiàn)的基本控制功能并制定相應(yīng)的控制策略。

1.1 整車受力分析圖

首先，整車的受力分析如圖2所示。根據(jù)經(jīng)典動力學(xué)方程，在行駛過程中要克服坡度阻力[2]，空氣阻力，滾動阻力和慣性阻力來驅(qū)動車輛，即為公式所示：

圖2 整車受力示意圖

Ft=Ff+Fi+Fw+Fj

(1)

隨后展開為功率平衡公式，其中電機的輸出功率等于各種阻力功率之和，如式(2)所示。

(2)

表1集中展示了該燃料電池自行車的整車參數(shù)，該參數(shù)根據(jù)國家標準制定[3]。

表1 整車參數(shù)一覽表

1.2 燃料電池混動自行車路譜工況

目前針對電動自行車行業(yè)內(nèi)并沒有一個標準的測試路譜，仿照汽車行業(yè)路譜，對速度進行等比例地縮小至25 km/h之內(nèi), 并通過對整車的受力分析得出相應(yīng)路譜的功率情況。

圖4 WLTP修正路譜圖

若功率不滿足國標中對于電機功率的要求(電動機額定連續(xù)輸出功率≤400 W), 則修改整車參數(shù)，如減少整車質(zhì)量，優(yōu)化迎風(fēng)面積等，至滿足國標對電機功率的要求為止。

本文將采用兩種目前在汽車領(lǐng)域應(yīng)用廣泛行駛工況，分別為低速循環(huán)工況NEDC以及復(fù)雜變化路況WLTP，如圖3與4所示。最終，兩種工況的參數(shù)總結(jié)如表2所示。

圖3 NEDC修正路譜圖

表2 兩種工況參數(shù)總結(jié)

1.3 動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案

由于燃料電池系統(tǒng)的輸出電壓會隨輸出功率波動，因此輸出側(cè)與一個單向DC/DC相連，從而將一個高內(nèi)阻軟特性電源轉(zhuǎn)化為低內(nèi)阻硬特性電源，輸出電壓得以穩(wěn)定。本文在此基礎(chǔ)上加入一能量分配單元，拓撲如圖5所示。其中，該能量分配控制器可通過編程實現(xiàn)對充電電壓，電流以及輸入電流等進行數(shù)字化的精確控制。

圖5 動力系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)效率

1.4 燃料電池功率范圍選擇

燃料電池和鋰電池的選型和配比主要參考兩項重要參數(shù)：

(1)表2中兩種工況的平均功率；

(2)圖3和4中動力系統(tǒng)的平均效率。

本文中燃料電池功率并不覆蓋全部功率范圍，只使其最佳工作點與循環(huán)工況下的平均功率保持一致。根據(jù)燃料電池以其最大功率的35%～50%為最佳輸出功率的特性，故選取200 W的燃料電池，最佳工作點在100 W左右。

與此同時，因燃料電池可提供的最大功率大于在設(shè)定工況下電源應(yīng)輸出的平均功率，儲能元件的容量也必然會得到平衡。且儲能元件也沒有必要選取過大的容量，其容量滿極限情況下的放電需求即可。

1.5 零部件選型結(jié)果

本文所設(shè)計的電動自行車整體性能要求如表3所示：

表3 電動自行車整體參數(shù)

根據(jù)表3中的該自行車需滿足的性能參數(shù)以及本小結(jié)的選型理論，最終確定如表4所示的各零部件性能指標要求和具體類型。

表4 各零部件性能指標要求和具體類型

1.6 整車構(gòu)造

在選定組成動力系統(tǒng)的零部件后，根據(jù)各零部件的外形尺寸、安裝結(jié)構(gòu)以及安裝尺寸等與系統(tǒng)布置有關(guān)的信息和數(shù)據(jù)，借助于一定的CAD設(shè)計軟件，可以很方便地完成動力系統(tǒng)的布置設(shè)計，如圖6所示。

圖6 燃料電池自行車整車與動力系統(tǒng)布局示意圖

2 燃料電池復(fù)合電源動力系統(tǒng)建模

2.1 燃料電池

2.1.1 燃料電池模型

燃料電池可以被視為一個可控的電壓源。由于存在三部分的損耗，其端電壓會隨輸出電流的不同而發(fā)生變化。電堆輸出電壓可表示為公式3：

Vout=Vcell×Ncell=Enerst-Vact-Vohm-Vconc

(3)

其中，Ncell表示為電堆中電池片的數(shù)量。

(1)開路電壓：沒有外接負載情況下，存在理想的電壓輸出Enerst，也可稱為開路電壓。

(4)

(2)活化極化電壓損失：活化極化是由發(fā)生在電極表面、反應(yīng)緩慢的動力學(xué)作用引起[4]。該電壓損失的作用是在化學(xué)反應(yīng)中驅(qū)使電子到達或者離開電極：

Vact=I×Ract=

β1+β2T+β3Tln(CO2)+β4Tln(I)

(5)

(3)歐姆極化電壓損失：這部分損失是主要由質(zhì)子膜的電阻，膜和電極之間的電阻以及電極本身的電阻所造成[5]。可表示為：

(6)

(4)濃度極化電壓損失：濃度極化主要由于兩個原因，造成化學(xué)反應(yīng)不完全：(a)無法足夠快地提供反應(yīng)物；(b)無法足夠快地清除產(chǎn)物[6]，可表示為：

(7)

2.1.2 燃料電池SIMULINK模型及仿真結(jié)果

SIMULINK模型如圖7所示。根據(jù)H-200的數(shù)據(jù)表[7]與圖8所示的實際數(shù)據(jù)進行比較，很顯然，除了激活極化區(qū)域中的初始電壓比實際情況略大以外，其余部分幾乎相同。

圖7 燃料電池的Simulink模型

圖8 燃料電池模型仿真結(jié)果與效率隨功率變化曲線

2.2 蓄電池模型

本文采用rint模型進行蓄電池建模，電路原理如圖9所示，其中Ebat為開路端電壓，Ibat為蓄電池內(nèi)部的電流，Rbat為蓄電池內(nèi)部的等效電阻，Vbat為對外輸出電壓，關(guān)系如下式所示。

圖9 蓄電池Rint與Simulink模型

Vbat=Ebat-Rbat·Ibat

(8)

其中，Ebat分為充電空載電壓Ebatcha和放電空載電壓Ebatdis，方程式如下：

A·exp(-B·it)

(9)

(10)

其中，Q是最大電池容量，it為電池的實際耗電容量，K為極化系數(shù)，A為指數(shù)放電區(qū)電壓值，B為指數(shù)區(qū)時間常數(shù)倒數(shù)，i*為低通后的動態(tài)電流，i為實際電流。

鋰電池的仿真結(jié)果和實際的測量結(jié)果對比如圖10所示。

圖10 鋰電池仿真與測試結(jié)果對比圖

2.3 DC/DC模型

2.3.1 變換器的模型分析

本文采用了基于狀態(tài)空間平均法建立的DC/DC平均值模型。該方法利用電路的等效變換，將開關(guān)器件隔離，構(gòu)成一二端口子網(wǎng)絡(luò)，然后分別對端口電流、電壓在開關(guān)通斷的兩種狀態(tài)下進行計算。最后將電路等效為受控電流源與受控電壓源[8]。等效電路圖如11所示。

圖11 Boost變換器等效電路

在Boost模式下，開關(guān)S1將周期性地打開和關(guān)閉，開關(guān)S2則始終打開。當開關(guān)S1導(dǎo)通時，系統(tǒng)的狀態(tài)方程為[9]：

(11)

當變換器滿足低頻假設(shè)與小紋波假設(shè)時，可以認為一個開關(guān)周期內(nèi)狀態(tài)變量的瞬時值近似等于它的周期平均值[10]，即VH(t)≈〈VH(t)〉,Il(t)≈〈Il(t)〉。以d(t)代替D，則合并之后可得升壓模式下的平均值模型。

(12)

需要注意的是，在該模式下，能量為單向流動，電流極性不能發(fā)生變化[11]。結(jié)合平均狀態(tài)方程，升壓模式下的平均值電路模型對應(yīng)的受控源等效電路如圖12所示。

圖12 平均電路模型等效電路

2.3.2 Boost變換器控制器設(shè)計

在Boost變換器控制器的設(shè)計過程當中，為了加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，控制器采用內(nèi)環(huán)控制為電感電流閉環(huán)、外環(huán)為電壓閉環(huán)控制的雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，且電流環(huán)與電壓環(huán)均采用PI控制器，控制器的控制信號流程圖如圖13所示。

圖13 Boost控制器的控制信號流程圖

其中，GID(s)為電流環(huán)被控對象的傳遞函數(shù)，GVI(s)為電壓環(huán)被控對象的傳遞函數(shù)，GPII(s)與GPIV(s)分別為電流環(huán)和電壓環(huán)的PI控制器傳遞函數(shù)。

圖14則為DC/DC變換器的平均模型。綠色部分為信號的當前值，即輸入和輸出端的電壓電流；最后的紅色部分即為經(jīng)過調(diào)整后該時刻下的電壓值和電流值。

圖14 DC/DC變換器Simulink模型

在建模層面即把電池管理單元忽略不計。但是其效率損耗仍然是需要考慮的，圖15中所示的則是DC/DC和電池管理單元的效率隨功率的曲線。本文在效率上將兩者的損耗合二為一，最終的結(jié)果如右側(cè)圖所示，建模時也將該損耗計算在內(nèi)。

圖15 DC/DC與電池管理控制器效率曲線圖

2.4 電機與驅(qū)動控制系統(tǒng)模型

本文將電機控制器+電機+傳動部分等效為一個黑箱結(jié)構(gòu)，如圖16所示。其中，在已知電機轉(zhuǎn)速以及轉(zhuǎn)矩的需求下，通過電機map圖可求出電機效率，再考慮到電機到車輪的傳遞效率，可以計算出電機與驅(qū)動控制系統(tǒng)最終的功率需求。

圖16 電機與驅(qū)動控制系統(tǒng)模型

圖17 電源系統(tǒng)實際消耗功率計算流程圖

為了簡化模型和加快仿真速度，可用一個可控的電流源作為負載實現(xiàn)建模目的?？煽仉娏髟吹漠斍半娏饔呻姍C與驅(qū)動控制系統(tǒng)的整體功率需求和當前母線的電壓值決定。其中Enable為電機的使能信號，該信號由能量管理系統(tǒng)(EMS)給出。

如圖18所示，該圖為額定功率350 W，最大效率轉(zhuǎn)速為1 350 r/min的輪轂電機的Map圖。由該圖可以在已知電機轉(zhuǎn)速和電機輸出功率的前提下，通過對應(yīng)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩(這里將輸入轉(zhuǎn)矩近似為輸出轉(zhuǎn)矩)反推得到電機的輸入功率。

圖18 電機Map圖

2.5 SIMULINK總體模型

將燃料電池，鋰電池，DC/DC以及負載的獨立模型設(shè)計完畢之后，則將它們按照實際的拓撲結(jié)構(gòu)進行連接，如圖19所示。同時，在該離線仿真模型中加入對各模塊的電流電壓傳感器，將信號傳輸給計算模塊進行統(tǒng)一的功率、氫氣消耗、效率、SOC等變量的計算；能量管理模塊將對DC/DC的輸入電流進行控制，控制策略將在下一章節(jié)進行討論。

圖19 系統(tǒng)總Simulink模型

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