燃料電池重卡動力系統(tǒng)參數(shù)匹配與能量管理策略仿真分析

陳 準，張瑞亮，徐樂鵬

（太原理工大學(xué)機械與運載工程學(xué)院，山西 太原 030024）

1 引言

全球汽車產(chǎn)業(yè)一直在追求創(chuàng)新，積極尋求更加高效與清潔的車用能源技術(shù)，而燃料電池因其高效、零排放、節(jié)能等優(yōu)勢，無疑成為非常理想的能量源，然而以燃料電池作為汽車唯一的能量來源時，燃料電池堆工況變化劇烈將導(dǎo)致其性能衰退速度較快［1］，而且燃料電池?zé)o法對制動能量進行回收。

為解決這些問題，一般采用燃料電池+輔助能量源（動力電池或超級電容）的混合驅(qū)動構(gòu)型［2］，利用輔助能量源來解決純?nèi)剂想姵仄嚧嬖诘膯栴}。

由于多種能量源的存在，整車需要合理分配燃料電池和其他動力源之間的能量，實現(xiàn)各能量源之間的優(yōu)勢互補，進而提高整車經(jīng)濟性。

這里以某燃料電池重卡為研究對象，根據(jù)整車經(jīng)濟性和動力性要求，對整車動力系統(tǒng)部件進行選型與參數(shù)匹配，制定了一種基于模糊控制方法的能量管理策略，并采用AVL Cruise 與MATLAB/Simulink聯(lián)合仿真的方法，對所提出的整車動力系統(tǒng)設(shè)計方案以及能量管理策略進行了仿真驗證。

2 整車動力系統(tǒng)構(gòu)型方案

燃料電池汽車整車動力系統(tǒng)構(gòu)型方案主要有：燃料電池與動力電池組（FC+B）混合驅(qū)動、燃料電池與超級電容（FC+C）混合驅(qū)動以及燃料電池與超級電容、動力電池組（FC+B+C）混合驅(qū)動［3］。

FC+B混合驅(qū)動構(gòu)型是在純?nèi)剂想姵仳?qū)動的基礎(chǔ)上，并聯(lián)了動力電池，動力電池起到了“削峰填谷”的作用，并且能夠回收制動能量，該動力系統(tǒng)構(gòu)型，如圖1所示。

圖1 燃料電池與動力電池（FC+B）混合驅(qū)動構(gòu)型Fig.1 Hybrid Driving Configuration of Fuel Cell and Power Battery（FC+B）

FC+C混合驅(qū)動構(gòu)型能很好解決燃料電池汽車的動態(tài)響應(yīng)慢及冷啟動時間比較長的問題，但是超級電容比能量較低，限制了超級電容的放電時間，無法滿足純電模式下的續(xù)駛里程需求［2］。FC+B+C混合驅(qū)動構(gòu)型有效結(jié)合了三種動力源的優(yōu)點，但其結(jié)構(gòu)形式非常復(fù)雜，給燃料電池汽車的整車控制與參數(shù)匹配帶來諸多技術(shù)困難，難以在工程實際中應(yīng)用。根據(jù)上述分析，燃料電池重卡采用燃料電池+動力電池（FC+B）混合驅(qū)動構(gòu)型。

3 整車動力系統(tǒng)部件選型與參數(shù)匹配

FC+B混合驅(qū)動構(gòu)型的動力系統(tǒng)主要部件包括電機、動力電池以及燃料電池，可根據(jù)整車基本參數(shù)和設(shè)計指標要求對各個部件進行選型和參數(shù)匹配，所研究的燃料電池重卡為某（4×2）燃料電池半掛牽引車及其牽引的三橋半掛車，整車基本參數(shù)，如表1所示。

表1 燃料電池重卡基本參數(shù)Tab.1 Basic Parameters of Fuel Cell Heavy Truck

3.1 電機參數(shù)確定

3.1.1 電機功率確定

（1）整車以最高車速行駛時，其電機功率計算式為：

式中：ηt—電機輸出軸至車輪之間的機械傳動總效率，ηt=0.96；m—整車滿載總質(zhì)量；g—重力加速度；f—滾動阻力系數(shù)；CD—空氣阻力系數(shù)；A—迎風(fēng)面積；umax—最高車速。

（2）整車以最大爬坡度行駛時，其電機功率計算式為：

式中：uα—爬坡車速；α—最大爬坡度對應(yīng)坡度角。

（3）根據(jù)（0～50）km/h最短加速時間確定電機功率，其經(jīng)驗計算式［4］為：

式中：δ—旋轉(zhuǎn)質(zhì)量系數(shù)；ua—汽車加速過程的末速度；t—加速時間。

將整車參數(shù)代入以上三個計算式，求得滿足不同動力性能指標所需的電機功率，其結(jié)果，如表2所示。

表2 不同動力性指標所需電機功率Tab.2 Motor Power Required for Different Dynamic Performance Indexes

最終所選取的驅(qū)動電機峰值功率Pmax必須同時保證汽車達到以上三種動力性指標，即：

3.1.2 電機轉(zhuǎn)速確定根據(jù)最高車速計算電機額定轉(zhuǎn)速：

式中：ne—電機額定轉(zhuǎn)速；ig—變速器最高擋位速比；i0—驅(qū)動橋速比；r—輪胎滾動半徑。

驅(qū)動電機的峰值轉(zhuǎn)速與額定轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系為：

式中：nmax—電機峰值轉(zhuǎn)速；β—電機擴大恒功率區(qū)系數(shù)，一般取β=（2～4）。

3.1.3 電機轉(zhuǎn)矩確定

電機的額定轉(zhuǎn)矩可根據(jù)電機的額定功率和額定轉(zhuǎn)速求得：

式中：Te—驅(qū)動電機額定轉(zhuǎn)矩；Pe—電機額定功率；ne—電機額定轉(zhuǎn)速。驅(qū)動電機的峰值轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系為：

式中：Tmax—驅(qū)動電機峰值轉(zhuǎn)矩（N·m）；λ—電機過載系數(shù)，取λ=2。

綜合以上計算結(jié)果，結(jié)合當前市場上可選的電機，最終選擇永磁同步電機作為驅(qū)動電機，基本參數(shù)，如表3所示。

表3 驅(qū)動電機基礎(chǔ)參數(shù)Tab.3 Basic Parameters of Drive Motor

3.2 燃料電池參數(shù)確定

燃料電池應(yīng)在大部分工況下單獨驅(qū)動整車行駛，并且能在整車需求功率較小時為動力電池充電，燃料電池的功率應(yīng)滿足，如式（9）所示。

式中：m—整車滿載質(zhì)量；ηDC—DC/DC工作效率，ηDC=0.95；Pch—輔助設(shè)備功率消耗功率，包括汽車照明與信號、儀表及指示燈等系統(tǒng)或設(shè)備的消耗，Pch=15kW；u—車輛目標行駛工況下的平均車速，u=40km/h；ηmot—電動機及其逆變器效率，ηmot=0.9。計算可得Pfc=93.82kW，將燃料電池的輸出功率取為Pfc=95kW，選用質(zhì)子交換膜燃料電池。

3.3 動力電池組參數(shù)確定

動力電池組的參數(shù)匹配主要包括電池電壓和容量等。選取磷酸鐵鋰電池作為該燃料電池重卡的動力電池。

選定驅(qū)動電機的額定電壓為560V，考慮其他輔助消耗因素以及目前市場上的動力電池組情況，取動力電池組額定電壓為576V。

當燃料電池重卡在常用車速等速行駛并由動力電池組單獨供電時，動力電池組的負載功率為：

式中：Pele—動力電池組負載功率；ηbat—動力電池組放電效率；ηbat=0.95；uele—該重卡常用工況下等速行駛的車速。

設(shè)定燃料電池重卡在動力電池單獨供電時以uele=40km/h的等速條件行駛S=50km所需的能量為：

式中：W—動力電池組消耗的能量；ζsoc—動力電池組有效放電容量（15～95）%，ζsoc=0.8；C—動力電池組容量；U0—動力電池組額定電壓。

聯(lián)立式（10）、式（11），滿足燃料電池重卡動力性能要求和設(shè)計目標續(xù)駛里程的動力電池組容量為：

在動力電池放電深度一定時，經(jīng)計算動力電池組容量C=200.7A·h。考慮動力電池存在內(nèi)阻、整車附件耗電及單體電池一致性等問題，最終確定動力電池組容量C為228A·h。

4 能量管理策略研究

4.1 能量管理策略制定原則

能量管理策略的目的是：當整車需求功率和動力電池荷電狀態(tài)SOC處于不同的狀態(tài)時，合理分配動力電池與燃料電池的功率輸出，盡可能保證燃料電池工作在高效率區(qū)域，保持動力電池的SOC在設(shè)定范圍內(nèi)，從而提高整車燃料經(jīng)濟性并提升燃料電池和動力電池的耐久性。

4.1.1 燃料電池系統(tǒng)的工作區(qū)間確定

燃料電池系統(tǒng)工作區(qū)間確定方法與傳統(tǒng)內(nèi)燃機相似，主要是為了提高整車的燃料經(jīng)濟性，因此燃料電池工作區(qū)間的確定需要考慮燃料電池的工作效率，該款燃料電池系統(tǒng)的功率-效率曲線，如圖2所示。

圖2 燃料電池功率-效率曲線Fig.2 Power-Efficiency Curve of Fuel Cell

當燃料電池功率過高或過低時，燃料電池工作效率急劇下降，為保證燃料電池工作時的系統(tǒng)效率，設(shè)定燃料電池的最小工作功率Pfcmin=10kW，燃料電池最大工作功率Pfcmax=90kW。

4.1.2 動力電池組值SOC上限和下限的確定

當SOC 較大或較小時，動力電池開路電壓值隨SOC 值變化較快，動力電池放電過程中開路電壓OCV隨SOC值變化情況，如圖3所示。

圖3 動力電池放電曲線Fig.3 Discharge Curve of Power Battery

為了保證動力電池開路電壓值變化在變化較平緩區(qū)域，需設(shè)置動力電池剩余電量SOC 的上下限值［5］，設(shè)定動力電池SOClow=0.2，SOChigh=0.8。

4.2 基于模糊控制的能量管理策略

模糊控制是輸入輸出變量與語言控制規(guī)則的定量關(guān)系算法結(jié)構(gòu)，基于模糊控制的能量管理策略，其算法不局限于單一、固定的數(shù)值，也不依賴精準數(shù)學(xué)模型［7］，其控制過程分為模糊化、模糊規(guī)則，模糊推理決策、解模糊化四個主要部分［8］。

4.2.1 模糊控制器設(shè)計

燃料電池重卡模糊控制能量管理策略以動力電池剩余電量SOC、整車行駛需求功率Preq為輸入變量，以燃料電池的需求輸出功率Pfc為輸出變量［9］，模糊控制器設(shè)計，如圖4所示。

圖4 整車模糊控制器Fig.4 Vehicle Fuzzy Controller

4.2.2 輸入量與輸出量的隸屬度函數(shù)

制定模糊控制能量管理策略需要確定動力電池剩余電量SOC、行駛需求功率Preq、輸出功率Pfc的基本論域，劃分各變量的模糊子集并確定各自的隸屬度函數(shù)。

根據(jù)該車型的常用車況，設(shè)置模糊控制整車峰值需求功率值在130kW，整車需求功率Preq的論域為［0，130］，整車需求功率隸屬函數(shù)，如圖5所示。

圖5 整車需求功率隸屬函數(shù)Fig.5 Membership Function of Vehicle Power Demand

動力電池SOC基本論域在［0，1］之間，但當電池SOC值過大或過小時，動力電池的內(nèi)阻及輸出電壓變化很大，增加電能損耗，影響電池的充放電效率，因此需要對SOC的范圍做一些調(diào)整，將其論域調(diào)整為［0.2，0.8］，動力電池SOC隸屬函數(shù)，如圖6所示。

圖6 SOC隸屬函數(shù)Fig.6 Membership Function of SOC

燃料電池系統(tǒng)最大放電功率為95kW，可定義燃料電池需求功率Pfc隸屬度函數(shù)的論域為［0，95］，基于燃料電池的效率曲線，燃料電池在（10～90）kW 的時候效率相對較高，定義實際論域為［10，90］，燃料電池輸出功率隸屬函數(shù)，如圖7所示。

圖7 燃料電池輸出功率隸屬函數(shù)Fig.7 Membership Function of Fuel Cell Output Power

在模糊控制器中，將動力電池剩余電量SOC、行駛需求功率Preq、燃料電池需求輸出功率Pfc分別劃分為VS、S、M、B、VB，各有5個模糊子集。

4.2.3 模糊規(guī)則庫制定

根據(jù)車輛當前需求功率Preq和SOC值的不同，模糊控制規(guī)則按以下要求進行設(shè)計：

（1）當Preq較大時，若SOC較高，則動力電池和燃料電池共同輸出能量，燃料電池需要提供的功率較??；

（2）當Preq較大時，若SOC較低，動力電池和燃料電池共同輸出能量，燃料電池需要提供的功率較大；

（3）當Preq較小時，若SOC較低，這種情況下動力電池放電電流較小，燃料電池既要滿足整車功率需求，同時還需給動力電池充電，因此燃料電池需要提供較大的功率。

（4）當Preq較小時且SOC較高時，則燃料電池僅需提供較小功率。根據(jù)以上要求，制定模糊控制規(guī)則庫，如表4所示。其中包含25條控制規(guī)則。

表4 模糊控制規(guī)則Tab.4 Fuzzy Control Rule

根據(jù)以上的模糊控制規(guī)則，得到模糊控制能量管理策略的模糊控制曲面，如圖8所示。

圖8 模糊控制曲面Fig.8 Fuzzy Control Surface

5 基于CRUISE的燃料電池重卡仿真

5.1 仿真建模

燃料電池重卡采用后輪驅(qū)動型式，其驅(qū)動力從驅(qū)動電機發(fā)出，經(jīng)過離合器、變速箱、主減速器、差速器和半軸傳到驅(qū)動輪，燃料電池和動力電池并聯(lián)為驅(qū)動電機以及車載用電附件提供能量，利用AVL Cruise仿真軟件中的元件庫建立燃料電池重卡整車物理模型。

在Simulink中建立基于模糊控制的能量管理策略，并將通過Matlab/DLL接口模塊與整車物理模型，對整車動力性指標和經(jīng)濟性指標進行仿真驗證。在Simulink中建立的能量管理策略模型，如圖9所示。燃料電池重卡聯(lián)合仿真模型，如圖10所示。

圖9 能量管理策略Simulink模型Fig.9 Simulink Model of Energy Management Strategy

圖10 燃料電池重卡聯(lián)合仿真模型Fig.10 Co-Simulation Model of Fuel Cell Heavy Truck

5.2 動力性能仿真計算

5.2.1 最高車速計算

在AVL Cruise軟件中設(shè)定求解計算任務(wù)，采用簡單計算模式對最高車速進行仿真計算。由仿真結(jié)果可知，燃料電池重卡的最高車速達到了94 km/h，各常用擋位對應(yīng)的最高車速，如表5所示。

表5 常用擋位下的最高車速Tab.5 Maximum Speed in Common Gear

5.2.2 加速性能仿真計算

根據(jù)汽車運動學(xué)理論，牽引汽車車速由u1加速至車速u2，所需時間為：

根據(jù)整車動力性指標要求，對燃料電池重卡（0～50）km/h原地起步加速時間進行仿真驗證，設(shè)置換擋方式為根據(jù)最大加速度方式換擋。仿真得到的全負荷加速時間與速度曲線，如圖11所示。從仿真數(shù)據(jù)查表可得（0～50）km/h的原地起步加速時間為37s。

圖11 燃料電池重卡原地起步加速時間曲線Fig.11 Acceleration Time Curve of Fuel Cell Heavy Truck Starting in Situ

5.2.3 最大爬坡度仿真計算

對燃料電池重卡進行最大爬坡性能的仿真計算，其各擋位對應(yīng)的最大爬坡度仿真結(jié)果，如表6所示。燃料電池重卡在1擋時可達到32.23%的最大爬坡度，滿足爬坡度不低于20%的設(shè)計目標要求。

表6 各擋位最大爬坡度Tab.6 Maximum Gradient of Each Gear

5.3 經(jīng)濟性仿真計算

該款燃料電池重卡主要用于中低速工況行駛，結(jié)合實際運行情況，最終采用城市UDC循環(huán)工況、六工況和40km/h等速工況進行仿真計算。

在氫燃料電池發(fā)電的過程中，通過化學(xué)反應(yīng)將化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能，根據(jù)氫燃料消耗量與電耗量之間的等效算法［10］，將儲能元件提供給驅(qū)動電機的能量帶入進行換算，可將燃料電池重卡在循環(huán)工況下行駛的電耗值轉(zhuǎn)換成為等效氫耗值：

式中：qH—氫氣的熱值，qH=1.4×108J/kg；ηfc—該氫燃料電池的平均輸出效率，ηfc=60%。

各工況等效氫耗轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，如表7～表9所示。

表7 UDC工況下，經(jīng)濟性仿真結(jié)果對比Tab.7 Comparison of Economic Simulation Results Under UDC Condition

表8 六工況下，經(jīng)濟性仿真結(jié)果對比Tab.8 Comparison of Economic Simulation Results Under Six Working Condition

表9 40km/h等速工況下，經(jīng)濟性仿真結(jié)果對比Tab.9 Comparison of Economic Simulation Results Under 40 km/h Constant Speed Condition

通過最終仿真結(jié)果數(shù)據(jù)對比可知，UDC 工況下等效百公里氫耗量最大，基于燃料電池效率的模糊控制能量管理策略相較于傳統(tǒng)功率跟隨式能量控制策略的燃料經(jīng)濟性等效提升比達到3%。40km/h等速工況下，等效百公里氫耗量5.15kg氫氣，等效氫耗量最小，這主要是由于該工況下需求功率比較平穩(wěn)，與傳統(tǒng)功率跟隨能量管理策略相比，基于燃料電池效率的模糊控制能量管理策略對燃料經(jīng)濟性提升較小。在六工況下，該工況功率需求變化較大，相較于傳統(tǒng)能量管理策略，基于燃料電池效率的模糊控制策略的百公里氫耗提升較為明顯，等效提升比達到了11%。

6 結(jié)論

針對某燃料電池重卡，根據(jù)整車參數(shù)和設(shè)計指標對其動力系統(tǒng)進行了選型和參數(shù)匹配計算，并制定了一種基于模糊控制方法的能量管理策略，利用AVL Cruise 與MATLAB/Simulink 進行聯(lián)合仿真，結(jié)果表明整車動力系統(tǒng)設(shè)計方案能夠保證整車動力性，提出的能量管理策略有效的提高了整車燃料經(jīng)濟性，在UDC工況、六工況、40km/h等速工況下，燃料經(jīng)濟性等效提升比分別達到了3%、11%、1%。