能量管理策略對燃料電池客車熱管理系統(tǒng)性能的影響

宋 波，孫 凱，車志釗，陳 銳,2，劉懷宇，任美林,3，王天友*

（1.天津大學(xué)，內(nèi)燃機燃燒學(xué)國家重點實驗室，天津 300072，中國；2.拉夫堡大學(xué) 航空與汽車工程系，拉夫堡 LE11 3TU，英國；3.中汽研汽車檢驗中心（天津）有限公司，天津 300300，中國）

質(zhì)子交換膜燃料電池（proton exchange membrane fuel cell，PEMFC）具有高效清潔、啟停響應(yīng)快等特點，是汽車理想的動力源，被廣泛關(guān)注研究[1]。目前，燃料電池汽車初步進入商業(yè)化階段，仍面臨著熱管理、冷啟動、功率密度等亟待解決的技術(shù)瓶頸[2]。PEMFC 在工作時會產(chǎn)生大量的余熱經(jīng)冷卻系統(tǒng)排出（約占總能量的40%～60%），熱負荷是內(nèi)燃機冷卻系統(tǒng)的2.5～3 倍[3]。此外，PEMFC 工作特性對運行溫度十分敏感，溫度過高或過低都會影響其性能[4]，電機、動力電池、動力控制單元（power control unit，PCU）等部件均需在各自的理想溫度運行。

城市客車是燃料電池汽車示范運營的主力車型[5]。能量管理策略對燃料電池客車（fuel cell bus，F(xiàn)CB）的性能具有顯著影響。ZHANG Junzhi 等[6]提出了一種協(xié)同再生制動能量管理策略，能有效降低FCB 的氫氣消耗量。XU Liangfei 等[7]提出了一種基于均值的能量管理策略，能夠增加FCB 的行駛里程。周凱[8]提出了一種Mamdani 型模糊控制能量管理策略，能使FCB的動力性和燃料經(jīng)濟性有所提升。李廣祿[9]提出了一種FCB 自適應(yīng)功率跟隨能量管理策略，能夠較好地維持動力電池荷電狀態(tài)（state of charge，SOC）水平。宗賀輝[10]提出了一種FCB 模糊能量管理策略，能夠合理分配整車需求功率，維持動力電池SOC。GUO Jinquan等[11]對一種FCB 速度規(guī)劃能量管理策略進行了仿真研究，發(fā)現(xiàn)該策略能節(jié)省3.04%的氫氣消耗量。JIANG Hongliang 等[12]面向低溫運行工況，提出了一種利用燃料電池余熱為客艙加熱的能量管理策略，與單獨電加熱相比可節(jié)省19.1%的電能。

先前研究主要關(guān)注能量管理策略對FCB 動力性、經(jīng)濟性的影響，但其對熱管理系統(tǒng)的影響仍有待探究。FCB 運行一般“基于開關(guān)模式”和“基于功率跟隨模”2種典型控制策略，而這2 種控制策略對于FCB 熱管理系統(tǒng)工作特性的影響仍不明確。

本文以某燃料電池客車為對象，建立了整車熱管理系統(tǒng)模型，并在中國典型城市公交循環(huán)（China typical bus driving cycle，CTBDC）工況中，對比分析了基于開關(guān)模式和基于功率跟隨這2 種能量管理策略對熱管理系統(tǒng)性能的影響，同時重點研究了環(huán)境溫度40 ℃且車輛滿載質(zhì)量13.5 t 的極限工況下主要熱源部件的性能變化規(guī)律。

1 熱管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與建模

1.1 熱管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)燃料電池客車各部件工作溫度、位置及功能的不同，建立了如圖1 所示的整車熱管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)分為4 個主要冷卻回路：

圖1 燃料電池整車熱管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1）燃料電池冷卻回路：質(zhì)子交換膜燃料電池PEMFC 為熱源部件，正常工作溫度為60～85 ℃。通過節(jié)溫器調(diào)節(jié)支路連通，使電堆盡快啟動并及時散熱。

2）電機冷卻回路：電機、空壓機、動力控制單元為熱源部件，極限工作溫度一般不超過65 ℃。在工作過程中通過泵、散熱器及時散熱。

3）動力電池冷卻回路：動力電池為熱源部件，正常工作溫度一般不超過50 ℃，在充放電過程中需要冷卻系統(tǒng)及時散熱。

4）空調(diào)系統(tǒng)回路：包含蒸發(fā)器、壓縮機、冷凝器、膨脹閥等4 個主要部件，集成化布置于客車頂部，用于保證客艙溫度的舒適性。

1.2 熱管理系統(tǒng)模型

燃料電池客車整車熱管理系統(tǒng)模型主要包括車輛行駛模型和各冷卻回路模型。

1.2.1 車輛行駛模型

車輛在行駛過程中，驅(qū)動輪的需求功率PT由實時的行駛工況（車速u、加速度a、坡度λ或坡度角θ）和車輛質(zhì)量mv情況確定：

式中：FT為車輛驅(qū)動力；Ff為滾動阻力；FW為空氣阻力；Fλ為坡道阻力；Fa為加速阻力；f為滾動摩擦阻力因數(shù)；CD為空氣阻力因數(shù)；AV為迎風(fēng)面積；δ為汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)。相關(guān)參數(shù)如表1 所示。

表1 燃料電池客車整車基本參數(shù)表

燃料電池客車行駛時驅(qū)動電機經(jīng)傳動系統(tǒng)作用于車輪進行驅(qū)動。在勻速和加速行駛過程中，電機（M）需求功率為

在制動過程中電機需求功率為

式中：ηT為傳動系統(tǒng)效率，取值0.95；ηM為電機效率，由電機工作狀態(tài)和特性曲線確定。

根據(jù)圖2 所示的能量傳遞，主要工作部件之間的功率關(guān)系為：

圖2 整車熱管理系統(tǒng)能量傳遞圖

式中：PFCS為燃料電池電堆輸出功率；PB為動力電池輸出功率，放電為正，充電為負；PAC為空調(diào)系統(tǒng)壓縮機功率；Pcom為燃料電池空壓機功率；PAU為泵、風(fēng)扇等輔助部件功率；ηDC為DC/DC 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換效率，本文取值0.95。

通過車輛行駛模型建立了行駛工況與熱源部件功率傳遞關(guān)系，配合能量管理策略，即可計算各部件隨工況變化的實時功率分配特性。

1.2.2 燃料電池電堆模型

燃料電池發(fā)動機由燃料電池電堆FCS 和空壓機等輔助部件組成，其主要參數(shù)如表2 所示。FCS 內(nèi)部電化學(xué)反應(yīng)輸出電能的同時會產(chǎn)熱大量余熱，需要建立電壓和產(chǎn)熱模型。

表2 燃料電池發(fā)動機相關(guān)參數(shù)表

電壓模型采用廣泛應(yīng)用的集總參數(shù)經(jīng)驗公式模型[3]，單電池電壓為

式中：ENet為熱力學(xué)電動勢；Eact為活化極化電動勢；Eohm是Ohm 極化電動勢；Econ是濃差極化電動勢。

式中：TFC為燃料電池電堆熱力學(xué)溫度；pH2和pO2分別為氫氣和氧氣的分壓。

式中：CO2為在氣液界面氧氣濃度；ξ1、ξ2、ξ3、ξ4為經(jīng)驗參數(shù)，取值參考文獻[3]；IFCS為燃料電池電堆電流。

式中，Rohm為電堆等效內(nèi)阻。

式中：B為經(jīng)驗常數(shù)，取值0.016；j為電堆電流密度，jmax為極限電流密度。

燃料電池電堆的功率為

式中：UFCS為電堆的輸出電壓；Ncell為單電池個數(shù)。

燃料電池電堆的電效率為

式中，U0為燃料電池電堆的理論電壓值。

燃料電池電堆電化學(xué)反應(yīng)的能量一部分轉(zhuǎn)化為電能輸出，另一部分產(chǎn)生的熱量通過冷卻液、排氣攜帶熱量及熱輻射的形式散失，能量守恒方程為

式中：CFCS為電堆熱容；Pchem為電化學(xué)反應(yīng)功率；Qcool為單位時間內(nèi)冷卻劑帶走的熱量；Qgas為單位時間內(nèi)陰陽極氣體帶走的熱量；Qrad為單位時間內(nèi)電堆與周圍環(huán)境以熱輻射形式交換的熱量。

1.2.3 電機回路熱源部件模型

電機回路包含空壓機（com）、動力控制單元（PCU）和驅(qū)動電機（M）3 個主要熱源部件。

1）空壓機與質(zhì)子交換膜燃料電池PEMFC 集成在一起，為電堆供給反應(yīng)所需空氣?？諌簷C工作狀態(tài)隨電堆輸出功率而變化，如式（14）、（15）所示：

式中：qm為空氣質(zhì)量流量；Tin為壓縮機入口溫度；cp為空氣定壓比熱容；pin和pout分別為空壓機進出口空氣壓力；k為絕熱指數(shù)；ηc為絕熱效率；ηcom為空壓機效率；Qcom為空壓機產(chǎn)熱速率。

2）動力控制單元PCU 包含DC/DC 轉(zhuǎn)換器、逆變器等多個電力單元，其中主要產(chǎn)熱源是DC/DC 轉(zhuǎn)換器。PCU 產(chǎn)熱為

式中Qother為除DC/DC 之外的其他控制部件的產(chǎn)熱，本文取值1.92 kW。

3）電機通過傳動裝置驅(qū)動車輛行駛，其選型需根據(jù)燃料電池客車動力性要求確定。本文選用額定功率為100 kW 的電機[13]，電機在工作過程中的產(chǎn)熱為

電機的效率ηM通過電機工作的轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩-效率的特性曲線確定。

1.2.4 動力電池模型

動力電池是燃料電池客車(FCB)重要的輔助動力源，可提供輔助動力輸出，也可在車輛制動狀態(tài)時進行制動能量回收。本車采用的磷酸鐵鋰電池參數(shù)如表3 所示。

表3 動力電池參數(shù)表

動力電池在充放電過程中均會產(chǎn)生熱量，通常由Bernardi 公式計算鋰離子電池工作產(chǎn)熱[14]，動力電池(B)產(chǎn)熱量為

式中：Rz為動力電池等效內(nèi)阻；EO為動力電池開路電壓。Rz和TB與SOC 大小有關(guān)。

1.3 模型驗證

通過燃料電池發(fā)動機性能實驗驗證了電堆模型的準確性，如圖3 所示。極化曲線計算最大誤差為3.71%，功率曲線計算最大誤差為3.20%，能夠滿足后續(xù)研究需要。

圖3 燃料電池電堆FCS 性能驗證曲線

2 能量管理策略與工況選取

2.1 能量管理控制策略

考慮了開關(guān)模式和功率跟隨這2 種典型能量管理策略。開關(guān)模式控制策略的核心是優(yōu)先確保燃料電池在高效率區(qū)工作運行，動力電池根據(jù)需求功率變化；而功率跟隨控制策略的核心是優(yōu)先控制動力電池SOC 處于合理狀態(tài)，燃料電池根據(jù)需求功率變化[9]，具體如表4 所示。

表4 2 種模式的控制策略

2.2 循環(huán)工況選取

根據(jù)GB/T 19754-2015，選用中國典型城市公交循環(huán)工況（CTBDC）進行模擬，其車速u與行駛距離d曲線如圖4 所示。該循環(huán)工況中包含勻速、加速、制動、怠速等多種行駛狀態(tài)，能全面反映燃料電池客車復(fù)雜運行工況。

圖4 中國典型城市公交循環(huán)測試工況

3 結(jié)果與分析

3.1 動力電池SOC

2 種能量管理策略均選取初始SOC=80%，對應(yīng)為燃料電池客車常見的運行模式。如圖5 所示。

圖5 動力電池SOC 變化情況

經(jīng)過一個循環(huán)工況后，2 種策略下動力電池SOC終值相近。在開關(guān)模式控制策略下，燃料電池功率恒定，動力電池充放電較頻繁，SOC 呈波動式變化。在功率跟隨控制策略下，整體行駛過程中動力電池主要在加速階段放電，SOC 整體呈階梯式下降趨勢。

3.2 氫耗量

燃料電池客車動力系統(tǒng)的經(jīng)濟性主要體現(xiàn)在質(zhì)子交換膜燃料電池PEMFC 的氫氣消耗量m(H)上。2 種能量管理策略在循環(huán)工況中的氫氣消耗量變化情況如圖6 所示。

圖6 氫氣消耗量變化

在開關(guān)模式控制策略下，燃料電池功率恒定，氫氣勻速消耗，共消耗氫氣678 g。而在功率跟隨控制策略下，燃料電池輸出功率和效率波動較大，尤其在高速和加速行駛時，氫氣快速消耗，共消耗氫氣750 g。

3.3 熱源部件功率

能量管理策略主要影響燃料電池和動力電池功率的輸出分配?？諌簷C和動力控制單元的功率需求隨燃料電池功率輸出變化，而電機和空調(diào)系統(tǒng)的功率需求在兩種能量管理策略中保持一致。

電機和空調(diào)系統(tǒng)的功率需求由行駛工況決定，變化過程如圖7 所示。當(dāng)處于減速制動狀態(tài)時，電機會進行再生制動能量回收，為動力電池充電。在加速行駛時，電機功率會短時達到峰值?？照{(diào)系統(tǒng)工作雖然相對獨立（主要是壓縮機制冷耗功），但車速變化也會影響客艙與周圍熱環(huán)境之間的傳熱，進而影響壓縮機功率。

圖7 電機、空調(diào)系統(tǒng)在循環(huán)工況中功率變化

在開關(guān)模式控制策略下，如圖8a 所示，燃料電池電堆FCS 的功率恒定，空壓機功率也保持恒定。此時燃料電池發(fā)動機系統(tǒng)凈效率為50.96%，處于高效率區(qū)間。同時動力電池充放電交替頻繁，充放電功率峰值較高，功率波動幅度大。

在功率跟隨控制策略下，如圖8b 所示，燃料電池優(yōu)先做功，輸出功率隨需求功率變化，波動幅度大，并未都處于高效率區(qū)間。空壓機功率變化趨勢與燃料電池相同，但功率值較小。同時動力電池在制動工況時，由于制動能量回收，處于充電狀態(tài)。除少數(shù)加速工況有較高放電峰值外，整體波動幅度較小。

圖8 FCS、動力電池及空壓機的功率變化

3.4 熱源部件產(chǎn)熱速率

燃料電池電堆是熱管理系統(tǒng)中最重要的熱源部件，其產(chǎn)熱速率變化趨勢與功率相同。在開關(guān)模式控制策略下，因功率恒定，電堆產(chǎn)熱速率也保持恒定，如圖9所示。而在功率跟隨控制策略下，由于功率波動幅度大，電堆產(chǎn)熱速率也隨之大幅度波動，產(chǎn)熱速率峰值在60 kW 以上。

圖9 燃料電池電堆產(chǎn)熱速率

另一方面，除驅(qū)動電機外的其他熱源部件產(chǎn)熱速率也有一定的差別。在開關(guān)模式控制策略下，因功率恒定，空壓機和動力控制單元PCU 的產(chǎn)熱速率也保持恒定。同時動力電池由于較高的充放電功率，也有較高的產(chǎn)熱速率，如圖10a 所示。而在功率跟隨控制策略下，PCU 和空壓機的產(chǎn)熱速率有一定的起伏，但無較高峰值。同時動力電池產(chǎn)熱速率除少數(shù)較高峰值外，基本在較低水平波動，如圖10b 所示。

圖10 電機、空壓機、PCU 和動力電池產(chǎn)熱速率

2 種能量管理策略下各回路最大瞬時產(chǎn)熱速率比較如表5 所示。其中：電機回路是電機、空壓機、動力控制單元三者產(chǎn)熱速率的總和。開關(guān)模式控制策略與功率跟隨控制策略相比，燃料電池回路最大產(chǎn)熱速率下降了65.77%，熱管理系統(tǒng)整體最大產(chǎn)熱速率下降了33.41%。同時，燃料電池產(chǎn)熱量下降了19.80%；動力電池產(chǎn)熱量增長了156.02%；其余熱源部件產(chǎn)熱量相近，總產(chǎn)熱量下降了13.56%，如表6 所示。動力電池的輸出效率一般在80%以上，產(chǎn)熱速率較?。欢剂想姵氐男氏鄬^低，產(chǎn)熱速率較大。因此，保持燃料電池在較高效率工作，能有效降低整體的散熱需求，進而提升熱管理系統(tǒng)對溫度的控制效果。

表5 2 種控制策略下各回路最大瞬時產(chǎn)熱速率

表6 循環(huán)工況、2 種控制策略下熱源部件產(chǎn)熱量

3.5 不同工況產(chǎn)熱分析

當(dāng)燃料電池客車滿載時，不同環(huán)境溫度下熱管理系統(tǒng)性能變化如圖11所示。當(dāng)環(huán)境溫度在25 ℃以上時，開啟空調(diào)系統(tǒng)。由于溫度越高，空調(diào)制冷耗功越大，熱管理系統(tǒng)的總產(chǎn)熱量和最大產(chǎn)熱速率都隨環(huán)境溫度的上升而增大。當(dāng)空調(diào)系統(tǒng)關(guān)閉時，熱管理系統(tǒng)的總產(chǎn)熱量和最大產(chǎn)熱速率受環(huán)境溫度影響較小。在常溫與高溫環(huán)境中，開關(guān)模式控制策略下的熱管理系統(tǒng)性能優(yōu)于功率跟隨控制策略。

圖11 不同環(huán)境溫度下總產(chǎn)熱量、最大產(chǎn)熱速率的變化

當(dāng)環(huán)境溫度為40 ℃時，不同車輛質(zhì)量對熱管理系統(tǒng)性能的影響如圖12 所示。2 種能量管理策略下熱管理系統(tǒng)的總產(chǎn)熱量和最大產(chǎn)熱速率都隨載重的上升而增大。開關(guān)模式控制策略下的熱管理系統(tǒng)性能優(yōu)于功率跟隨控制策略。

圖12 不同車質(zhì)量下總產(chǎn)熱量、最大產(chǎn)熱速率

4 能量管理策略優(yōu)化

基于2 種典型能量管理策略模擬結(jié)果，對燃料電池客車能量管理策略進行了優(yōu)化，如表7 所示。

表7 優(yōu)化后的能量管理策略

整車熱管理系統(tǒng)的極限可用性和總產(chǎn)熱量是表示安全高效行駛性能的重要指標。當(dāng)動力電池SOC 較高時，優(yōu)先考慮經(jīng)濟性和熱管理系統(tǒng)的極限可用性，控制燃料電池在高效率區(qū)間工作。隨著動力電池SOC 的降低，為保持SOC 的穩(wěn)定，逐步提升燃料電池可輸出的最大功率，兼顧動力電池SOC 和熱管理系統(tǒng)性能，此階段可進一步采用模糊控制等方式進行優(yōu)化。優(yōu)化后的策略與開關(guān)模式控制策略相比，能更靈活地維持動力電池SOC 處于穩(wěn)定水平；與功率跟隨控制策略相比，能有效降低熱管理系統(tǒng)熱負荷。

5 結(jié)論

本文以燃料電池客車為研究對象，在Matlab/Simulink 中建立了整車熱管理系統(tǒng)模型。在中國典型城市公交循環(huán)（CTBDC）工況中，對開關(guān)模式和功率跟隨2 種典型能量管理控制策略進行了模擬。

結(jié)果表明：在高溫滿載的極限工況下，開關(guān)模式控制策略相比于功率跟隨控制策略，燃料電池、空壓機、動力控制單元的功率更平穩(wěn)，產(chǎn)熱速率也更穩(wěn)定，燃料電池電堆氫氣消耗量更低。同時，動力電池充放電頻率更高，波動幅度更大，但循環(huán)工況前后SOC 整體下降程度相近。在開關(guān)模式控制策略下，熱管理系統(tǒng)總體最大產(chǎn)熱速率下降了33.41%，總體產(chǎn)熱量下降了13.56%。另一方面，在不同環(huán)境溫度和車輛載重工況下熱管理系統(tǒng)的總產(chǎn)熱量和最大產(chǎn)熱速率隨環(huán)境溫度和車載重的增大而上升。同時，開關(guān)模式控制策略下的熱管系統(tǒng)性能都優(yōu)于功率跟隨控制策略。

最后在考慮熱管理系統(tǒng)性能的基礎(chǔ)上，優(yōu)化了能量管理策略。此結(jié)果對于FCB 熱管理系統(tǒng)研究與開發(fā)具有一定理論指導(dǎo)意義。