燃料電池混合動力車能量管理策略研究

陳 龍，王曉亮，盤朝奉，趙水平

(江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，鎮(zhèn)江 江蘇 212013)

燃料電池汽車以其燃料利用率高、質(zhì)量能量大、使用壽命長、無污染、低噪音等特性成為了未來汽車發(fā)展的方向[1]，但是由于燃料電池放電特性偏軟，輸出功率頻繁變化和高功率大電流放電對燃料電池的效率和使用壽命有很大的損害，故一般都需加入輔助能源及DC/DC轉(zhuǎn)換器的混合驅(qū)動方案[2]，其動力系統(tǒng)是一個(gè)多能源混合動力系統(tǒng)，一般采取燃料電池加蓄電池(簡稱FC+B)或者燃料電池加超級電容(簡稱FC+C)和燃料電池加超級電容加蓄電池(簡稱FC+C+B)的方案[3-4]。筆者采用燃料電池加動力蓄電池的方案，希望設(shè)計(jì)出合理的能量管理策略，對功率進(jìn)行合理的功率分配，充分發(fā)揮燃料電池的穩(wěn)定性與輔助能源的動態(tài)適應(yīng)性，以保證燃料的高利用率和燃料電池的使用壽命。

1 FCEV動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

燃料電池電動汽車動力系統(tǒng)主要由燃料電池系統(tǒng)、蓄電池、DC/DC變換器和電機(jī)及其控制系統(tǒng)組成。燃料電池輸出的電能經(jīng)過DC/DC變換器的轉(zhuǎn)換，與并聯(lián)的蓄電池共同為傳動系提供能量。燃料電池的燃料是儲存于車載儲氫系統(tǒng)中的氫氣。動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 整車動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Vehicle power system

2 FCEV能量管理策略

2.1 燃料電池負(fù)載均衡策略

考慮到雙能源汽車的動力性與經(jīng)濟(jì)性，燃料電池電動車采用轉(zhuǎn)矩、SOC雙閉環(huán)控制策略，內(nèi)環(huán)為電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制環(huán)，使車輛按照駕駛員意圖進(jìn)行行駛。DC/DC變換器采用恒功率控制，所以蓄電池組輸出功率為電機(jī)所需功率和燃料電池經(jīng)過DC/DC變換器輸出的功率之差。電機(jī)輸出功率基本上是隨駕駛員的操作信號變化而變化的，所以通過調(diào)節(jié)DC/DC變換器輸出的功率來實(shí)現(xiàn)對燃料電池負(fù)載的均衡。外環(huán)為蓄電池SOC控制環(huán)，在保證燃料電池及蓄電池在正常工況下運(yùn)行下，根據(jù)既定SOC控制目標(biāo)，調(diào)節(jié)燃料電池系統(tǒng)輸出功率。燃料電池負(fù)責(zé)提供電機(jī)的驅(qū)動功率并且適時(shí)的給蓄電池進(jìn)行充電，控制蓄電池的SOC值保持在最佳工作狀態(tài)。SOC的調(diào)節(jié)是通過對其電流充放電的控制來實(shí)現(xiàn)。

2.2 能量分配策略

能量分配策略是整車能量控制策略中最核心的部分，即使蓄電池處于合理的工作狀態(tài)的情況下，滿足汽車動力性要求。根據(jù)駕駛員需求信號和子系統(tǒng)的限制條件來確定車輪轉(zhuǎn)矩命令，確保燃料電池系統(tǒng)正常運(yùn)行從而獲得最大的燃料經(jīng)濟(jì)性。能量分配的原則：負(fù)載跟隨特性，燃料電池作為整車的主動力源，輸出功率跟隨整車負(fù)載變化而進(jìn)行變化；蓄電池作為輔助動力源，提供瞬時(shí)助力，使燃料電池輸出功率變化平緩；蓄電池SOC功率補(bǔ)償，使蓄電池SOC值保持在最佳狀態(tài)值附近。燃料電池電動車FCEV能量管理原理及策略如圖2，其控制規(guī)則如下：

1)檢測電機(jī)輸入功率和輔助功率消耗，計(jì)算整車負(fù)載功率。

2)由SOC的偏差，確定蓄電池的目標(biāo)充電功率。當(dāng)整車負(fù)載處于穩(wěn)態(tài)時(shí)，對由SOC決定充電的目標(biāo)電流進(jìn)行PI控制，修正FCS輸出功率以實(shí)現(xiàn)對蓄電池SOC的穩(wěn)態(tài)補(bǔ)償。

3)根據(jù)燃料電池輸出功率的變化特點(diǎn)對目標(biāo)輸出功率進(jìn)行平滑控制，對燃料電池系統(tǒng)動態(tài)行為進(jìn)行優(yōu)化。

4)根據(jù)得到的FCS需求功率，及電機(jī)功率的變化對下一時(shí)刻FCS功率需求進(jìn)行預(yù)測，并且要滿足FCS系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)，得到FCS目標(biāo)需求功率[5]。

電機(jī)輸出功率：

(1)

式中：PMC-out為電機(jī)輸出功率，kW；T，T′為電機(jī)需求轉(zhuǎn)矩，N·m；n為電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min。

電機(jī)功率需求計(jì)算：

(2)

蓄電池功率補(bǔ)償PI控制[6]：

u(k)=PSOC(k)+Kp×e(k)+KI×∑e(k)

(3)

e(k)=ISOC(k)+Ibat(k)

(4)

式中：PSOC為目標(biāo)充電功率，kW;Kp為PI控制P增益；KI為PI控制I增益；ISOC為目標(biāo)充電電流，A;Ibat為蓄電池充電電流，A。

圖2 FCEV能量管理策略及原理Fig.2 Energy management strategy and diagram of the FCEV

2.3 制動能量回饋策略

當(dāng)駕駛員踩下制動踏板，電動汽車電機(jī)控制器接受制動信號，從而給電機(jī)施加倒拖力矩，此時(shí)電機(jī)工作在發(fā)電狀態(tài)。根據(jù)踏板開度來判斷駕駛員的制動意圖，確定總制動力矩的大小，根據(jù)蓄電池電壓、電流、SOC值以及電機(jī)的轉(zhuǎn)速等參數(shù)進(jìn)行具體分析計(jì)算，并將制動力矩的信息傳遞給制動力分配模塊，合理分配再生制動力矩和機(jī)械力矩，在保證發(fā)電機(jī)的發(fā)電功率不高于電池允許的最大充電功率與電路消耗功率之和前提下，在驅(qū)動輪所允許的制動力矩范圍內(nèi)最大限度的使用再生制動力矩制動，如果最大再生制動力矩不能提供驅(qū)動輪所需全部制動力矩，則由機(jī)械制動力矩提供驅(qū)動輪制動所需的剩余力矩，然后再由電機(jī)控制器向能量管理系統(tǒng)發(fā)送能量回饋指令。針對再生制動力矩隨電機(jī)轉(zhuǎn)速和蓄電池電壓不斷變化的特性，可借助線控系統(tǒng)提供動態(tài)變化的機(jī)械制動力矩，保證良好的制動效果[7]。邏輯關(guān)系如圖3。

圖3 制動能量回收邏輯Fig.3 Logic diagram of braking energy recovery

3 能量管理策略的試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)臺架的搭建

系統(tǒng)主要由dSPACE硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)和上位機(jī)組成，通過CAN網(wǎng)絡(luò)對系統(tǒng)進(jìn)行控制，系統(tǒng)可以作為整車控制器。在dSPACE上位機(jī)中基于MATLAB/Simulink建立整車控制器模型，模擬整車控制器，通過CAN總線接口與電機(jī)及控制系統(tǒng)、DC/DC變換器、燃料電池、蓄電池等部件進(jìn)行通信，在得到各部件的相關(guān)參數(shù)和工作狀態(tài)后，經(jīng)過dSPACE控制器模型處理，再將控制指令通過I/O發(fā)送到各部件，實(shí)現(xiàn)對各部件的控制。同時(shí)各部件之間也能夠有效地進(jìn)行狀態(tài)信息和控制指令的傳送和交流[8]。

3.2 基本試驗(yàn)參數(shù)

額定功率為42 kW，最大功率為88 kW，最大轉(zhuǎn)矩為210 N·m。選用30 kW的質(zhì)子交換膜燃料電池，燃料電池輸出的電壓約350 V，氫氣利用率大于90%。選用的蓄電池組由88個(gè)單體鋰離子電池組成，容量為22 Ah，工作電壓范圍在245 ～361 V之間，工作溫度不高于55℃。電機(jī)轉(zhuǎn)矩特性如圖4。

圖4 電機(jī)轉(zhuǎn)矩特性Fig.4 Motor torque characteristics

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

圖5、圖6顯示了燃料電池系統(tǒng)、蓄電池和電機(jī)的輸出功率的變化。從圖5(a)中可以看出經(jīng)DC/DC變換后的燃料電池輸出功率變化平緩，同時(shí)限制了燃料電池的最大輸出功率在18 kW左右。從圖5(b)中可以看出，蓄電池功率變化符合電機(jī)輸出功率變化，頻繁的瞬時(shí)變化所需功率由蓄電池提供，這樣就實(shí)現(xiàn)了管理策略中的合理分配功率，同時(shí)也保障燃料電池的安全運(yùn)行。圖6(a)中電機(jī)電流為負(fù)值代表了回饋制動，電機(jī)以發(fā)動機(jī)模式工作，向蓄電池充電。圖6 (b)表明了蓄電池SOC值的變化，隨著車輛進(jìn)入制動過程，電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，蓄電池的SOC也相應(yīng)的提高。蓄電池充放電效率很高，也相對平緩，在加速階段，蓄電池進(jìn)行放電，較好的滿足了行駛工況的加速要求，對燃料電池主動力源起到了很好的補(bǔ)充作用。

圖5 燃料電池系統(tǒng)和蓄電池與電機(jī)輸出功率對比Fig.5 Comparison of the fuel cell system, battery and MC output power

圖6 能量回饋中的電機(jī)電流和蓄電池SOC值變化Fig.6 Change of motor current and SOC values of battery in energy recovery

4 結(jié) 語

從燃料電池電動車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)著手，設(shè)計(jì)了能量管理策略，基于dSPACE進(jìn)行了硬件在環(huán)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明，燃料電池負(fù)載均衡策略和基于PI控制的蓄電池SOC及功率補(bǔ)償策略不僅能很好的滿足循環(huán)工況的輸出功率需求，還能按照功率需求的變化率對燃料電池和蓄電池進(jìn)行功率分配，使得燃料電池功率輸出平穩(wěn)，避免了頻繁的功率變化和高功率對燃料電池的沖擊，燃料電池得到了很好的保護(hù)，延長了使用壽命。蓄電池的能量回收提高了能量利用率。說明提出的能量管理策略是可行的。

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