基于整車動力需求的氫燃料電池跟隨型能量控制策略研究與優(yōu)化

楊 琨， 郭鳳剛

(北汽福田汽車股份有限公司， 北京 102206)

目前，氫燃料電池(HFC)受催化反應(yīng)速率和輔助零部件響應(yīng)的影響，其功率輸出偏“軟”[1]，需要配合動力電池“削峰減谷”，以滿足整車即時功率需求。作為其核心管理的能量控制策略(PMS)，對燃料電池和動力電池的壽命均存在重大影響[2-3]。

本文將已交付運(yùn)營的10.5 m氫燃料電池客車作為研究對象，開發(fā)基于整車動力需求規(guī)則的跟隨型PMS。通過MATLAB/Simulink搭建仿真模型，驗(yàn)證模型準(zhǔn)確性，并完成策略效果預(yù)測。

1 整車及氫燃料電池電電混合動力系統(tǒng)

1.1 基本情況

采用本文控制策略的整車，最大允許總質(zhì)量17 t，整備質(zhì)量14 t，最高設(shè)計(jì)車速69 km/h；搭載驅(qū)動電機(jī)額定功率、額定轉(zhuǎn)速、額定轉(zhuǎn)矩分別為110 kW、 900 r/min、1 100 N·m，峰值參數(shù)分別為220 kW、 2 700 r/min、2 400 N·m。配備額定功率94 kW、峰值功率115 kW的氫燃料電池和51 kW·h的磷酸鐵鋰功率型(放電倍率2 C)動力電池。整車高壓平臺470～700 V，低電壓平臺9～16 V。車輛行駛工況為城市公交工況，單程43.5 km，共包含14站，平均單趟運(yùn)行1～1.5 h，每日運(yùn)營時長約10 h，總運(yùn)營里程超過300 km。

1.2 電-電混合動力系統(tǒng)及PMS設(shè)計(jì)要求

1.2.1 電-電混合動力系統(tǒng)

本文HFC客車的“電-電混合動力系統(tǒng)”架構(gòu)和電氣原理如圖1所示。

(a) 整車電-電混合動力系統(tǒng)架構(gòu)圖

圖1(b)中24 V鉛酸電池用來給整車控制器、主散熱系統(tǒng)、DC/DC控制器、空壓機(jī)控制器等供電；12 V鉛酸電池主要是為氫燃料電池(FCU)控制系統(tǒng)供電[4]。

排除產(chǎn)品設(shè)計(jì)失誤，HFC壽命性能的主要影響因素包括：啟停機(jī)絕對次數(shù)、輸出功率加/降載速率與變載頻率、低溫冷啟動策略及絕對次數(shù)、長期服役功率/電壓/電流等[5-6]，主要是通過影響HFC內(nèi)部核心零部件或材料的耐久性來影響系統(tǒng)整體壽命。動力電池作為輔助動力源，其壽命的主要影響因素包括：環(huán)境/電池溫度、過充/過放、電池充放量(吞吐量)等[7]。所有影響HFC和動力電池壽命的參數(shù)均可通過混合動力系統(tǒng)的控制算法直接或間接控制，以保證系統(tǒng)滿足整車的動力需求并整體處于比較好的健康狀態(tài)(SOH)，同時兼顧整車在全生命周期PLM中的能耗優(yōu)化。

1.2.2 PMS設(shè)計(jì)要求

PMS設(shè)計(jì)首先應(yīng)確保動力電池SOC在最佳壽命安全窗口，再保證其區(qū)間穩(wěn)定性以控制動力電池吞吐量。動力電池SOC及吞吐量與FCS變載頻率、升降載速率和啟停機(jī)次數(shù)均有直接關(guān)系。因此，F(xiàn)CS支持變載和啟停機(jī)工況方面的性能表現(xiàn)直接決定了電-電混合動力系統(tǒng)PMS可優(yōu)化空間及系統(tǒng)耐久性能表現(xiàn)。高變載工況可以支撐超細(xì)分的動力電池SOC查表策略，甚至可以設(shè)計(jì)基于整車功率需求的模糊控制策略，兩者均可表現(xiàn)出優(yōu)于傳統(tǒng)動力電池SOC查表PMS的魯棒特性[8]。

目前，PMS常用的類型包括基于動力電池SOC的規(guī)則型策略和基于整車動力需求及車輛駕駛特征的跟隨型策略。本文是在規(guī)則型PMS基礎(chǔ)上，以整車動力需求為索引并進(jìn)行間歇性迭代計(jì)算，提高燃料電池系統(tǒng)功率輸出與車輛需求的吻合程度，降低動力電池動力輸出占比，降低其吞吐。

2 基于動力電池SOC規(guī)則型PMS

2.1 規(guī)則型PMS設(shè)計(jì)

規(guī)則型PMS是指針對不同動力電池SOC區(qū)間，由整車控制器(VCU)差異化設(shè)置燃料電池目標(biāo)功率，并保持動力電池SOC維持在某區(qū)間的能量控制策略。在車輛運(yùn)行過程中，F(xiàn)CS始終處于可變功率輸出狀態(tài)。整車控制器(VCU)結(jié)合BMS給出的動力電池可允許充放電功率(SOP)和SOC狀態(tài)，將功率需求(目標(biāo)功率)發(fā)送給燃料電池控制器(FCU)，再由FCS完成功率響應(yīng)。

為保證動力系統(tǒng)壽命，規(guī)則型PMS設(shè)計(jì)時常將動力電池SOC安全窗口設(shè)定為40%～80%，燃料電池系統(tǒng)變載時間間隔≥7.25 s，盡量避免非故障啟停機(jī)，同時將氫燃料電池系統(tǒng)輸出功率定在10～80 kW區(qū)間，因?yàn)檩敵龉β试叫?，系統(tǒng)效率越高。

本文制定的規(guī)則型PMS如圖2所示，F(xiàn)CS響應(yīng)功率點(diǎn)定義為60 kW、35 kW、27 kW、23 kW、18 kW、16 kW、13 kW、10 kW、5 kW，其中細(xì)化功率區(qū)間[10,35]kW是根據(jù)圖3中的整車動力需求平均功率來確定的。相應(yīng)地，動力電池SOC查表索引區(qū)間為[20,40]、(40,60]、(60,65]、(65,68]、(68,70]、(70,75]、(75,78]、(78,80]、(80,100]。若車輛處于制動回收或動力電池處于低溫等狀態(tài)時，應(yīng)同步考慮動力電池SOP。

圖2 基于動力電池SOC查表規(guī)則PMS

圖3 整車平均需求功率曲線

2.2 車輛運(yùn)營情況及問題

車輛投入運(yùn)營近半年，單車行駛最高里程35 682 km，全年平均氫耗5.17 kg/100 km。根據(jù)云數(shù)據(jù)平臺數(shù)據(jù)，對其中某輛車全天FCS和動力電池工作數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和分析，如圖4和圖5所示。

1) 動力電池。SOC工作范圍為53%～73%，滿足40%～80%的安全窗口。通過對動力電池實(shí)際充/放電(即包含驅(qū)動放電及制動回收電等)積分計(jì)算，其工作期間吞吐量為425.3 Ah。

動力電池SOC工作范圍是指，最大可用電量減掉其安全區(qū)間、過放區(qū)間和緩沖區(qū)間后剩下的可以允許長期工作容量范圍；最佳壽命安全容量窗口范圍通常為58%～65%[9]。保證動力電池在最佳壽命SOC范圍工作是整個能量控制策略中非常重要的部分。動力電池吞吐量一方面可反映出車輛工況特征，另一方面也反映出動力電池的充放倍率。隨充放倍率提高，最佳壽命安全窗口也會縮小[10]。鑒于此，縮小動力電池SOC工作范圍，并降低其吞吐量是保持動力電池壽命性能的重要手段。從實(shí)車運(yùn)營數(shù)據(jù)可知，動力電池SOC工作范圍和吞吐量存在進(jìn)一步縮窄及降低的空間。

圖4 動力電池實(shí)際SOC和FCS輸出功率曲線

圖5 動力電池吞吐量曲線

2) 氫燃料電池系統(tǒng)。全天總變載次數(shù)38次，最小變載時間間隔70 s，平均變載時間間隔979 s；人為切換運(yùn)營模式導(dǎo)致3次系統(tǒng)啟停；20～35 kW區(qū)間內(nèi)功率運(yùn)行時間占總運(yùn)行時間的89%，無≥35 kW功率點(diǎn)出現(xiàn)。總體來說，氫燃料電池系統(tǒng)在功率范圍和變載頻率方面雖然滿足設(shè)計(jì)要求，但FCS長期工作在35 kW以下，可能會造成膜電極長期潤濕不足，從而加速其衰減，可考慮采用調(diào)高輸出功率來優(yōu)化FCS的健康狀態(tài)，以更好地平衡雙電系統(tǒng)壽命性能。

3 基于整車動力需求的跟隨型PMS

將整車實(shí)時功率需求作為燃料電池系統(tǒng)目標(biāo)輸出功率的能量控制策略稱為跟隨型PMS。采用跟隨型PMS可對FCS輸出功率進(jìn)行更加準(zhǔn)確的預(yù)測及糾偏[11]，從而解決上述規(guī)則型PMS存在的問題。

3.1 跟隨型PMS設(shè)計(jì)

將動力電池SOC/SOP狀態(tài)、整車動力需求作為FCS輸出功率的聯(lián)合判據(jù)，以10 s為時間間隔，對FCS需求功率進(jìn)行計(jì)算后繪制出如圖6所示的跟隨型PMS示意圖。其中整車需求功率P根據(jù)車輛實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)計(jì)算獲得：

式中：ts為開始時間；te為結(jié)束時間；U為母線電壓；I為母線電流。

圖6 跟隨型PMS示意圖

在該控制策略中，F(xiàn)CS在動力電池SOC低于50%時以80 kW全功率輸出，待動力電池SOC回升至65%后，由VCU恢復(fù)對FCS輸出功率的跟隨控制。具體要求是：當(dāng)動力電池SOC高于90%時，F(xiàn)CS怠速(零功率)輸出；當(dāng)80%≤動力電池SOC≤90%時，F(xiàn)CS以最小輸出功率10 kW輸出；當(dāng)動力電池SOC降到65%時，恢復(fù)系統(tǒng)的跟隨控制，直到SOC值為50%為止。

3.2 策略仿真與分析

對FCS需求功率及變載需求、動力電池SOC和吞吐總量變化情況進(jìn)行對比，分析兩種能量控制策略各自的優(yōu)劣勢。

3.2.1 PMS仿真模型搭建

利用MATLAB R2018a軟件對電-電混合動力系統(tǒng)進(jìn)行能量流仿真模型搭建[12]，在基于動力電池SOC查表規(guī)則的PMS模型基礎(chǔ)上，增加FCS需求功率跟隨控制模塊并完成相關(guān)仿真模擬計(jì)算。在MATLAB/Simulink中以能量流形式建立其仿真模型，實(shí)現(xiàn)對策略快速驗(yàn)證和迭代。規(guī)則型和跟隨型控制策略在控制策略上有明顯差異：前者首先通過BMS將動力電池的SOP/SOC作為判斷依據(jù)輸入給VCU，由VCU決定FCS輸出功率；后者首先通過VCU將整車功率需求反饋給FCU，再由BMS結(jié)合FCS輸出功率進(jìn)行功率的削峰填谷，具體如圖7所示，其中①～③表示控制時序。

(a) 規(guī)則型PMS

在MATLAB/Simulink中建立的仿真模型通過動力電池初始狀態(tài)模塊、整車動力需求模塊、氫燃料電池系統(tǒng)需求功率即時判定模塊、動力電池吞吐量計(jì)算模塊組成，以數(shù)據(jù)總線的形式獲取各個子模塊的輸入量、輸出量及系統(tǒng)狀態(tài)變量，用于各功能模塊的計(jì)算。

3.2.2 仿真結(jié)果及分析

將整車動力需求代入兩仿真模型，分別得到基于規(guī)則型和跟隨型的PMS仿真數(shù)據(jù)。由于實(shí)車只搭載規(guī)則型PMS，所以將基于規(guī)則型PMS的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)只用于與其仿真數(shù)據(jù)的對比。分析如下：

1) 動力電池SOC分析。由圖8可知，按規(guī)則型策略仿真的動力電池SOC變化區(qū)間為52%～74%，與實(shí)際運(yùn)行變化范圍54%～74%基本一致，滿足動力電池系統(tǒng)40%～80%的SOC范圍要求。從仿真結(jié)果可知，相比規(guī)則型控制策略，跟隨型可以實(shí)現(xiàn)更穩(wěn)定的動力電池SOC控制(64.8%～65.3%)。由圖9可知，動力電池實(shí)際運(yùn)行吞吐量為425.3 Ah，對比仿真規(guī)則型策略，動力電池的吞吐量為410.5 Ah，偏差僅為3.61%，證明仿真模型可較為準(zhǔn)確地反映電池實(shí)際吞吐情況。將相同工況帶入跟隨型策略仿真模型，計(jì)算出動力電池的總吞吐量為118.4 Ah，降低幅度較大，說明采用跟隨型PMS可有效提升動力電池壽命。

圖8 動力電池SOC數(shù)據(jù)

圖9 動力電池吞吐量曲線

2) FCS輸出功率分析。跟隨型策略中由于FCS輸出功率與整車功率需求更加接近，其輸出功率區(qū)間向高功率范圍移動，因此功率上限的設(shè)定是策略中需要重點(diǎn)設(shè)計(jì)的內(nèi)容(主要考慮動力電池SOP、整車動力需求及FCS變載限制等)。

將實(shí)車運(yùn)行、規(guī)則型和跟隨型PMS下的FCS輸出功率數(shù)據(jù)列入圖10，可見基于規(guī)則型PMS(含實(shí)車運(yùn)行和仿真)控制下，F(xiàn)CS輸出功率集中在23 kW、27 kW和35 kW等幾個主要功率點(diǎn)，與實(shí)際運(yùn)營情況接近，而跟隨型PMS使FCS呈現(xiàn)頻繁變載狀態(tài)且輸出功率在10～80 kW變化。同時，對跟隨型FCS輸出功率數(shù)據(jù)分布進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)30 kW以下功率占比降至53.26%，而30～80 kW占比達(dá)到了46.74%。輸出功率高于30 kW可有效降低因氫燃料電池系統(tǒng)長時間工作在低功率區(qū)間而導(dǎo)致的長期膜干現(xiàn)象[13]。同時，F(xiàn)CS平均變載時間間隔為16.5 s，最短變載時間間隔為10 s，相比規(guī)則型PMS的最小變載時間間隔70 s和平均變載時間間隔979 s，跟隨型策略大幅提高了FCS變載頻率，但均小于氫燃料電池系統(tǒng)允許的最小變載時間周期7.25 s，滿足使用要求。

圖10 FCS輸出功率曲線

4 結(jié)束語

本文以交付運(yùn)營的氫燃料電池客車作為研究對象，對其能量控制策略展開研究，提出基于整車動力需求(跟隨型)能量控制策略。根據(jù)仿真結(jié)果，跟隨型能量控制策略可保持動力電池SOC高穩(wěn)定性，總吞吐量大幅降低，可有效提升動力電池壽命。同時，F(xiàn)CS的輸出功率也從中低區(qū)間向高區(qū)間轉(zhuǎn)移，有效減弱了FCS長時間低功率輸出導(dǎo)致的膜干對FCS壽命的影響。因此，基于整車動力需求的跟隨型能量控制策略相比傳統(tǒng)能量控制策略，可明顯提高電-電混合動力系統(tǒng)壽命性能。