燃料電池增程式動力系統(tǒng)能量管理策略研究

張付軍，胡博睿，張虹

（北京理工大學(xué) 機械與車輛學(xué)院，北京 100081）

當前人類建立在以消耗煤炭、石油、天然氣為主的不可再生能源基礎(chǔ)之上的經(jīng)濟發(fā)展模式，導(dǎo)致了日益突出的環(huán)境污染和溫室效應(yīng)問題[1].據(jù)統(tǒng)計，燃油車對環(huán)境的污染約占總污染源的40%，排放法規(guī)的日益嚴峻和交通行業(yè)的“雙碳”目標推動燃油汽車的電氣化進程[2].增程式電動汽車兼?zhèn)浠旌蟿恿ζ嚭图冸妱悠嚨膬?yōu)點，既能實現(xiàn)清潔電能的利用，又能保證續(xù)駛里程，逐漸成為研究熱點[3-4].燃料電池增程式動力系統(tǒng)將蓄電池功率密度大和燃料電池能量密度大的優(yōu)點相結(jié)合，同時解決了純電動汽車續(xù)駛里程短和燃料電池汽車動態(tài)響應(yīng)慢、成本過高的問題.

燃料電池增程式動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由驅(qū)動電機、動力電池、燃料電池等組成，各部件參數(shù)的合理匹配是整車開發(fā)和控制策略制定的必要基礎(chǔ)，對于提高整車動力性能和續(xù)駛里程具有重要意義[5].張民安等[6]基于恒功率控制策略，以動力電池荷電狀態(tài)（state of charge, SOC）值作為增程器是否工作的判斷條件，對整車動力性和純電動及增程兩種模式下的經(jīng)濟性進行了仿真驗證.王旭海等[7]基于開關(guān)模式的策略，由動力蓄電池當前的SOC 值確定燃料電池開關(guān)的工作狀態(tài)，根據(jù)機車運營工況的不同對SOC值進行設(shè)定，使動力蓄電池SOC 值處于最佳工作狀態(tài)，以延長其壽命.聶立新等[8]基于增程器啟動時間及工作模式，提出了功率恒定輸出與功率跟隨輸出相結(jié)合的控制策略，實現(xiàn)了對目標里程的優(yōu)化控制.以上研究均是基于SOC 值進行增程器是否工作的判斷及輸出功率的計算，沒有考慮到車輛不同工況下的需求功率和驅(qū)動電機及燃料電池的效率.

文中以某款純電動客車為研究對象，基于燃料電池增程式動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，對動力系統(tǒng)各主要部件進行匹配計算和選型，提出開關(guān)/功率跟隨式能量管理策略.該策略以動力電池組的SOC、當前車速和整車需求功率為輸入量，根據(jù)車輛的運行模式和行駛工況確定燃料電池增程器的開閉狀態(tài)和輸出功率，基于AVL-Cruise 和MATLAB/Simulink 分別搭建了整車動力系統(tǒng)模型和燃料電池及能量管理策略模型，采用MATLAB DLL 接口實現(xiàn)聯(lián)合仿真平臺的搭建和動力系統(tǒng)的仿真驗證.結(jié)果表明，搭載所匹配設(shè)計的燃料電池增程式混合動力系統(tǒng)的各項性能均達到設(shè)計指標要求，且采用文中提出的能量管理策略車輛經(jīng)濟性和續(xù)駛里程均優(yōu)于開關(guān)式和功率跟隨式控制策略，對城市客車具有一定的實際意義和應(yīng)用價值.

1 動力系統(tǒng)參數(shù)匹配及選型

1.1 燃料電池增程式動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

增程式電動汽車（extended-range electric vehicles，EREV）一般采用串聯(lián)式拓撲結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)相對較簡單，其在純電動汽車的基礎(chǔ)上增加一個增程器，有效解決了一般純電動汽車行駛路程較短，續(xù)航能力不足的問題[9].燃料電池增程式混合動力系統(tǒng)以動力蓄電池為主動力源，以燃料電池增程器為輔助動力源, 燃料電池增程式動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示.當動力蓄電池SOC 值較低或輸出功率無法滿足車輛行駛工況需求時，啟動增程器為動力蓄電池充電或直接驅(qū)動車輛，在一定程度上增加了車輛的續(xù)駛里程.

圖1 燃料電池增程式動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of fuel cell incremental power system

1.2 整車基本參數(shù)及性能設(shè)計指標

文中以某款純電動客車為研究與改進對象，在已有平臺和整車參數(shù)基礎(chǔ)上對其動力系統(tǒng)部件進行匹配設(shè)計.該車基本參數(shù)和性能設(shè)計指標分別如表1和表2 所示.

表1 整車基本參數(shù)Tab.1 Basic parameters of the whole vehicle

表2 整車性能設(shè)計指標Tab.2 Vehicle performance design index

1.3 動力系統(tǒng)參數(shù)匹配及選型

燃料電池增程式動力系統(tǒng)主要部件包括驅(qū)動電機、動力蓄電池組、燃料電池和儲氫瓶.根據(jù)整車基本參數(shù)（表1）和性能設(shè)計指標（表2）對動力系統(tǒng)主要部件進行匹配計算和選型，結(jié)果如表3、4 和5 所示.

表3 驅(qū)動電機參數(shù)Tab.3 Parameters of Drive motor

表4 動力電池組參數(shù)Tab.4 Parameters of power battery pack

表5 儲氫瓶參數(shù)Tab.5 Parameters of hydrogen storage bottle

其中驅(qū)動電機選擇某款永磁同步電機；鋰離子電池具有高能量和功率密度、低自放電率和長循環(huán)壽命等優(yōu)點，成為當前電動汽車的主要動力[10]，因此動力蓄電池選擇寧德時代的某款磷酸鐵鋰電池，該型號電池單體額定電壓為3.2 V，單體額定容量為176 A·h；燃料電池選擇某款額定功率30 kW 的囯鴻氫能9SSL 型燃料電池，儲氫瓶選擇Ⅲ型35MPa 儲氫瓶.

2 動力系統(tǒng)建模仿真

2.1 基于Cruise 的整車模型搭建

文中基于Cruise 搭建的燃料電池增程式混合動力系統(tǒng)模型如圖2 所示.車輛模塊主要包括所研究對象車輛的基本物理參數(shù)，包括整車外形尺寸、整備質(zhì)量、滿載質(zhì)量、風(fēng)阻系數(shù)、迎風(fēng)面積和滾動阻力系數(shù)等.驅(qū)動電機模塊主要包括所匹配電機的基本參數(shù)和轉(zhuǎn)矩—轉(zhuǎn)速特性曲線及效率特性曲線等.動力蓄電池模塊主要包括所匹配動力電池組的基本參數(shù)和排列方式等.

圖2 基于Cruise 的增程式燃料電池客車整車模型Fig.2 Whole vehicle model of incremental fuel cell bus based on Cruise

各模塊之間的信號連接主要包括機械連接、電氣連接和總線信息連接.圖2 中單實線所示的連接為機械連接，主要連接的是驅(qū)動電機、變速箱、主減速器、差速器和車輪.圖2 中雙實線所示的連接為電氣連接，主要指動力蓄電池、驅(qū)動電機、其他耗電模塊和燃料電池系統(tǒng)終端之間的電信號連接.數(shù)據(jù)總線連接主要包括需要進行信號通訊的各模塊之間的實時變量和控制信息傳遞，具有總線信息連接的模塊具有彩色箭頭的標記.

2.2 基于Simulink 的燃料電池模型搭建

文中采用MANN 等[11]提出的燃料電池輸出特性經(jīng)驗公式來建立以電流密度、溫度、氫氧分壓為輸入，電壓、功率、效率為輸出的燃料電池數(shù)學(xué)模型.根據(jù)該模型表示的質(zhì)子交換膜燃料電池（proton exchange membrane fuel cell, PEMFC）單電池輸出電壓Vcell為

式中：ENernst為燃料電池的理論電動勢（或熱力學(xué)電動勢）；Vact為活化損失電動勢；Vohm為歐姆損失電動勢；Vconc為濃差損失電動勢.

通過上述PEMFC 數(shù)學(xué)模型的分析，文中建立的PEMFC 模型如圖3 所示.

圖3 基于Simulink 的PEMFC 模型Fig.3 PEMFC model based on Simulink

圖4 所示為燃料電池功率和效率輸出特性曲線，由仿真結(jié)果可知，該燃料電池模型輸出特性與一般燃料電池輸出特性一致，輸出額定功率達到30 kW，與所選燃料電池額定功率一致，因此，該燃料電池模型可用于后續(xù)的仿真計算.

圖4 PEMFC 輸出特性曲線Fig.4 PEMFC output characteristic curve

3 能量管理策略研究及建模

3.1 開關(guān)/功率跟隨式能量管理策略建立

能量管理策略是混合動力汽車的核心技術(shù).其主要任務(wù)是根據(jù)車輛的動力需求、動力系統(tǒng)的運行狀態(tài)以及不同動力源在工作效率、瞬態(tài)響應(yīng)特性、負載能力等方面的差異協(xié)調(diào)不同動力源之間的動力分配[12].文中所研究的燃料電池增程式混合動力系統(tǒng)以動力蓄電池為主動力源，燃料電池為輔助動力源.對于這種動力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，如果單獨使用開關(guān)式控制策略，可以將燃料電池設(shè)定在最大輸出功率點或最高效率點工作.如果燃料電池持續(xù)工作在最大功率輸出點，那么將會大幅度增加氫氣消耗量，且會縮短燃料電池的壽命；如果燃料電池持續(xù)工作在最高效率點，那么燃料電池所提供的功率無法滿足需求車輛在起步、加速和爬坡等需求功率較大的工況，這會使動力電池的放電深度增大，導(dǎo)致動力電池SOC 值下降率較快且續(xù)駛里程縮短.對于增程式動力系統(tǒng)來說，功率跟隨式控制策略適用于增程器的動態(tài)響應(yīng)特性快且輸出功率大的情況，而這恰恰是燃料電池系統(tǒng)所不具備的特點.對于燃料電池增程式混合動力系統(tǒng)而言，能量管理策略應(yīng)該兼顧上述兩種策略的特點，將二者的優(yōu)勢相結(jié)合，因此，文中提出開關(guān)/功率跟隨式能量管理策略.該策略以動力電池組的SOC、當前車速和整車需求功率為輸入量，根據(jù)車輛的運行模式和行駛工況確定燃料電池增程器的開閉狀態(tài)和輸出功率.

3.2 能量管理策略算法及流程

文中設(shè)置SOC 值的下限為40%，當動力電池的SOC 值低于40%時，燃料電池將工作在最大功率輸出點；SOC 值的上限設(shè)置為80%，當動力電池的SOC值大于80%且需求功率較低時，燃料電池以較低輸出功率工作；如果在車輛運行過程中，動力電池的SOC值長時間高于80%且需求功率較低，則燃料電池增程器停止工作.由于文中所研究車輛為城市客車，考慮到城市客車的一般行駛工況可知，其在城市內(nèi)運行的最高車速通常不超過50 km/h，通過計算可得其最高需求功率不超過54 kW.考慮驅(qū)動電機長時間所處的轉(zhuǎn)速范圍，在滿足轉(zhuǎn)矩需求的情況下，取需求功率的最小值為20 kW 和最大值為36 kW 作為需求功率的臨界點，該臨界功率點均處于驅(qū)動電機的高效區(qū).

定義燃料電池增程器的開閉狀態(tài)為S.當車輛開始運行時，動力電池組SOC 值較高，此時如果整車需求功率低于20 kW，則燃料電池增程器不開啟，即S=0.其余工況燃料電池增程器均為開啟狀態(tài)，即S=1.燃料電池增程器開閉狀態(tài)隨SOC 值和整車需求功率的變化如圖5 所示.

圖5 燃料電池增程器開閉狀態(tài)圖Fig.5 Open and close state diagram of fuel cell ranger

當燃料電池的工作狀態(tài)確定后，再由車輛運行模式和行駛工況確定燃料電池系統(tǒng)的輸出功率.燃料電池增程器經(jīng)常需要在為車輛提供動力的同時為動力電池組充電，因此，使燃料電池長時間以高效率工作，減小功率波動成為能量管理策略的重點[13].由燃料電池輸出特性曲線（圖4）可以看出，當輸出功率在5 ～25 kW 范圍內(nèi)時，燃料電池效率均在50%以上.因此，取燃料電池的功率最小值為5 kW，最大值為25 kW.在能量管理控制策略中設(shè)定燃料電池增程器的輸出功率不低于5 kW，目的是為保證燃料電池在低功率輸出時的能效.燃料電池系統(tǒng)的輸出功率應(yīng)適應(yīng)動力系統(tǒng)SOC 值、當前車速和整車需求功率的變化[14].圖6 所示為文中提出的開關(guān)/功率跟隨式能量管理策略算法流程圖.其中，動力電池組充電狀態(tài)為BSOC；整車需求功率為Pv；燃料電池增程器系統(tǒng)輸出功率為Pfc.

圖6 開關(guān)/功率跟隨式能量管理策略算法流程圖Fig.6 Algorithm flowchart of switch/power following energy management strategy

3.3 能量管理策略模型及聯(lián)合仿真平臺搭建

開關(guān)/功率跟隨式能量管理策略有3 個輸入量，分別是動力電池SOC 值，當前車速和整車需求功率.其中，動力電池組的SOC 值和當前車速可以通過數(shù)據(jù)總線傳遞到能量管理策略模型中，需求功率和氫耗量需要通過計算得到.

作為增程式燃料電池混合動力汽車經(jīng)濟性的衡量指標，氫耗量的計算顯得尤為重要.氫耗量的計算通常有兩種方法，第一種是電荷法，由質(zhì)子交換膜燃料電池的工作原理可知，消耗一個氫氣分子會產(chǎn)生2 個電子，從而建立氫耗量和電流的關(guān)系，該方法適用于計算理論氫耗量.第二種方法是根據(jù)能量守恒定律由燃料電池的輸出功率和氫氣的熱值來計算氫耗量，此方法的計算結(jié)果是實際情況下的真實氫耗量，因此，文中以第二種方法為建模原理進行氫耗量計算模型的搭建.

根據(jù)輸入量和輸出量之間的算法關(guān)系和邏輯控制,基于Stateflow 搭建開關(guān)/功率跟隨式能量管理策略模型.圖7 所示是開關(guān)/功率跟隨式能量管理策略及燃料電池集成模型.

圖7 能量管理策略及燃料電池集成模型Fig.7 Energy management strategy and fuel cell integration model

將集成后的Simulink 模型利用MATLAB 中Min-GW-w64 C/C++編譯器生成“.dll”格式的文件，然后將該文件導(dǎo)入Cruise 中的MATLAB DLL 動態(tài)鏈接庫模塊即可進行MATLAB/Simulink 和Cruise 的聯(lián)合仿真.圖8 所示為聯(lián)合仿真平臺搭建流程.

圖8 Simulink 和Cruise 聯(lián)合仿真平臺搭建流程圖Fig.8 Flow chart of Simulink and Cruise joint simulation platform construction

4 動力系統(tǒng)性能仿真分析

4.1 整車動力性仿真

在各模塊的參數(shù)設(shè)置完成之后，通過在計算項目目錄下的任務(wù)文件夾（task folder）中添加全負荷加速（full load acceleration）和爬坡性能（climbing performance）仿真計算任務(wù)，仿真計算結(jié)果如圖9所示.

圖9 整車動力性能仿真曲線Fig.9 Whole vehicle dynamic performance simulation curve

由圖9（a）可得，車輛最高車速為83 km/h，0～50 km/h 加速時間為10.4 s，由圖9（b）可得，車輛等速10 km/h 爬坡度為24%，上述參數(shù)均滿足整車最高車速、原地起步加速時間和爬坡度設(shè)計指標.

4.2 整車經(jīng)濟性及續(xù)駛里程仿真

文中基于中國城市客車行駛工況CHTC-B 對整車進行經(jīng)濟性及續(xù)駛里程仿真.表6 所示為該工況特征參數(shù)統(tǒng)計表.該工況路譜總里程為5.49 km，總運行時間為1 310 s.

表6 CHTC-B 工況特征參數(shù)表Tab.6 Characteristic parameters of CHTC-B working condition

在文件夾（task folder）中添加循環(huán)工況（cycle run）仿真計算任務(wù)，將CHTC-B 循環(huán)工況輸入進循環(huán)路譜中，車輛沿路譜行駛狀態(tài)和整車經(jīng)濟性及續(xù)駛里程仿真結(jié)果如圖10 和圖11 所示.

圖10 車輛沿路譜行駛狀態(tài)曲線Fig.10 Vehicle driving state curve along the road spectrum

圖11 整車經(jīng)濟性能及續(xù)駛里程仿真曲線Fig.11 Simulation curve of vehicle economic performance and driving range

由圖10（a）可知，車輛的當前車速與目標車速之間差別較小，說明基于文中所搭建的動力系統(tǒng)模型，在開關(guān)/功率跟隨式能量管理策略控制下，車輛有較好的路譜跟隨性.由圖10（b）可知，燃料電池增程器功率能夠根據(jù)SOC 值和整車需求功率按照所設(shè)計的能量管理策略進行輸出.綜上說明仿真結(jié)果能夠較真實反映所設(shè)計能量管理策略的輸出，可以通過仿真結(jié)果對該能量管理策略進行評價.

圖11（a）所示為開關(guān)式、功率跟隨式和開關(guān)/功率跟隨式3 種能量管理策略下SOC 值和氫耗量隨時間的變化曲線（單循環(huán)），由于動力蓄電池組的SOC值在大多數(shù)情況下均處于0.4～0.8 的范圍內(nèi)，因此選擇初始SOC 值在該范圍內(nèi)更能反映出3 種策略下整車經(jīng)濟性的優(yōu)劣，設(shè)置初始SOC 為0.7，其性能分析對比如表7 所示.由表7 中的數(shù)據(jù)可知，在一個CHTCB 路譜循環(huán)下，開關(guān)/功率跟隨式能量管理策略的SOC 下降值最小且氫耗量最低.根據(jù)CHTC-B 路譜單循環(huán)時間和里程數(shù)據(jù)進行分析計算可得，開關(guān)功率/跟隨式能量管理策略在CHTC-B 路譜下百公里氫耗量為2 kg，低于開關(guān)式和功率跟隨式策略下的百公里氫耗量.

表7 3 種策略整車經(jīng)濟性能對比Tab.7 Comparison of vehicle economic performance of three strategies

圖11（b）所示為行駛多個CHTC-B 路譜循環(huán)下3種策略SOC 值變化曲線，由圖可知， SOC 值由初始值0.85 降低至截止值0.2 時，開關(guān)/功率跟隨式能量管理策略控制下車輛行駛時間最長，行駛距離最遠.分析計算3 種策略控制下車輛續(xù)駛里程如表8 所示.

表8 3 種策略車輛續(xù)駛里程對比Tab.8 Comparison of vehicle mileage of three strategies

綜合對比表7 和表8 數(shù)據(jù)可知，在開關(guān)/功率跟隨式能量管理策略控制下，整車基于CHTC-B 路譜工況下百公里氫耗量為2 kg，車輛續(xù)駛里程為142 km，滿足車輛續(xù)駛里程指標，且車輛經(jīng)濟性和續(xù)駛里程均優(yōu)于開關(guān)式和能量跟隨式能量管理策略，其中車輛經(jīng)濟性相對于開關(guān)式和能量跟隨式兩種控制策略分別提高62%和31%，續(xù)駛里程相對于該兩種控制策略分別提高41%和18%.

5 結(jié) 論

文中以某款純電動客車為研究對象，結(jié)合蓄電池功率密度大和燃料電池能量密度大的優(yōu)點提出了蓄電池/燃料電池混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，根據(jù)性能指標對動力系統(tǒng)各主要部件進行匹配計算和選型.根據(jù)車輛行駛工況和運行模式提出了開關(guān)/功率跟隨式能量管理策略，基于AVL-Cruise 和MATLAB/Simulink建立聯(lián)合仿真平臺對車輛性能進行仿真驗證.結(jié)果表明，搭載文中所匹配設(shè)計的增程式燃料電池混合動力系統(tǒng)的城市客車最高車速為83 km/h，最大爬坡度（等速10 km/h）為24%，0～50 km/h 加速時間為10.4 s，在中國城市客車行駛工況CHTC-B 下100 km 氫耗量為2 kg，續(xù)駛里程為142 km，各項性能均達到設(shè)計指標要求，且采用文中提出的能量管理策略車輛經(jīng)濟性相對于開關(guān)式和能量跟隨式兩種控制策略分別提高62%和31%，續(xù)駛里程相對于該兩種控制策略分別提高41%和18%，對城市客車具有一定的實際意義和應(yīng)用價值.