氫燃料電池汽車能量管理方法研究

孔巖

（吉林大學(xué)汽車工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022）

主題詞：氫燃料電池汽車 混合發(fā)電系統(tǒng) 能量管理控制策略

1 前言

近年來(lái)，隨著石油資源的不斷消耗，汽車行業(yè)專注于新興的替代能源，以減輕對(duì)化石燃料的依賴及對(duì)環(huán)境的污染。在某種程度上，傳統(tǒng)燃油汽車未來(lái)被新能源汽車取代將成定局。氫燃料電池汽車具有零排放、續(xù)駛里程長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)，一直以來(lái)被視為終極環(huán)保汽車。

氫燃料電池汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)大致可分為純?nèi)剂想姵仳?qū)動(dòng)系統(tǒng)和燃料電池（Fuel Cell，F(xiàn)C）與輔助動(dòng)力源組成的混合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)兩種形式。燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)作為單一驅(qū)動(dòng)動(dòng)力源具有輸出動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢的缺點(diǎn)，為了改善系統(tǒng)的供電靈活性，延長(zhǎng)燃料電池的使用壽命，目前氫燃料電池汽車大都采用以燃料電池為主，以儲(chǔ)能電源為輔助動(dòng)力源的混合發(fā)電系統(tǒng)[1]。

對(duì)于燃料電池混合發(fā)電系統(tǒng)，整車能量管理控制策略是其核心部分，即如何進(jìn)行主動(dòng)力源與輔助動(dòng)力源能量的分配是需要解決的重點(diǎn)問(wèn)題之一。

2 氫燃料電池汽車能量管理控制策略概述

在氫燃料電池汽車上，主動(dòng)力源是氫燃料電池，可應(yīng)用的輔助動(dòng)力源包括蓄電池、鋰電池、超級(jí)電容器（Ultracapacitor）、超高速飛輪等。Kasimalla,et al給出了FC與電池和超級(jí)電容配置圖[1]，見(jiàn)圖1。

圖1 FC與電池和超級(jí)電容配置圖[1]

目前氫燃料電池汽車能量管理控制策略的控制模式大致分為閾值模式和功率跟隨模式。閾值模式以最低氫氣消耗量為目標(biāo)對(duì)燃料電池進(jìn)行最優(yōu)控制，使其工作在最優(yōu)效率點(diǎn)，即使燃料電池始終工作在相對(duì)低的氫氣消耗區(qū)，由蓄電池/鋰電池作為功率均衡裝置來(lái)滿足車輛的需求功率。功率跟隨模式則是指當(dāng)電池荷電狀態(tài)（SOC）在最低值與最高值之間時(shí)，燃料電池的輸出功率維持在某一設(shè)定的范圍內(nèi)，此時(shí)燃料電池在滿足整車功率需要的同時(shí)對(duì)蓄電池進(jìn)行能量補(bǔ)充使其處在最優(yōu)SOC狀態(tài)[1]。

針對(duì)以燃料電池為主、蓄電池/鋰電池和超級(jí)電容器為輔的燃料電池汽車，在確定控制策略時(shí)應(yīng)考慮各動(dòng)力源的共性，需要滿足電池的充/放電電流和功率限制值，且在超級(jí)電容突然充/放電的情況下，應(yīng)確定電流變化的時(shí)間間隔并防止其損壞。具體的能量管理控制策略包括峰值動(dòng)力源策略（Peaking Power Source Strategy，PPSS）、操作模式控制策略（Operating Mode Control Strategy，OMCS）、模糊邏輯控制策略（Fuzzy Logic Control Strategy，F(xiàn)LCS）、等效氫耗最小策略（Equivalent Consumption Minimization Strategy，EC?MS）。Hames指出4種控制策略的具體原理如下[2]：

a.PPSS通過(guò)使燃料電池和峰值動(dòng)力源工作在最優(yōu)工作區(qū)域來(lái)維持所需的驅(qū)動(dòng)功率，且功率控制策略由車輛的加速和減速確定。

b.OMCS主要根據(jù)充電狀態(tài)確定操作模式（快速充電模式、放電模式和充電模式），同時(shí)綜合考慮需求功率、車速、超級(jí)電容器和電池充電狀態(tài)。

c.FLCS旨在通過(guò)模糊邏輯控制器進(jìn)行能量存儲(chǔ)系統(tǒng)之間的功率控制，以提高燃料電池汽車的系統(tǒng)效率和燃料經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)DC/DC轉(zhuǎn)換器功率相對(duì)于燃料電池和蓄電池的能量達(dá)到最小/中間/最大水平，F(xiàn)LCS的控制回路如圖2所示。

圖2 FLCS的控制回路示意[2]

d.ECMS將電量轉(zhuǎn)換為氫氣消耗量，以系統(tǒng)等效氫消耗量最小為目標(biāo)。ECMS根據(jù)鋰電池/蓄電池SOC及需求功率，按照一定規(guī)則分配燃料電池和鋰電池/蓄電池輸出功率實(shí)現(xiàn)單位周期內(nèi)系統(tǒng)氫消耗量最小，進(jìn)而獲得最優(yōu)的燃料經(jīng)濟(jì)性和系統(tǒng)效率。其中，燃料電池汽車的等效氫消耗量C為[2]：

其中，

式中，CFC、Cbat分別為燃料電池和鋰電池/蓄電池等效氫消耗量；PDC為與燃料電池級(jí)聯(lián)的單向DC/DC變換器輸出功率；m、n為待定系數(shù)，可通過(guò)測(cè)試單向變換器輸出功率與氫消耗量辨識(shí)得到。

與OMCS類似，ECMS的控制回路如圖3所示。

圖3 ECMS的控制回路示意[2]

3 氫燃料電池汽車整車能量管理策略的改進(jìn)

針對(duì)以燃料電池為主，鋰電池/蓄電池和超級(jí)電容器為輔的氫燃料電池汽車，根據(jù)驅(qū)動(dòng)條件、車輛運(yùn)行狀態(tài)變化（如起動(dòng)、穩(wěn)速、加速、減速、上坡、下坡等），可以得到車輛動(dòng)力需求的變化?？紤]到不同路況下的控制策略對(duì)整車燃料經(jīng)濟(jì)性及系統(tǒng)效率的影響，為了最大限度地減少氫燃料消耗并延長(zhǎng)氫燃料電池汽車系統(tǒng)部件的壽命，Kaya提出了兩種新型的能量管理控制策略：節(jié)省氫燃料控制策略（Hydrogen Fuel Sav?ing Control Strategy，HFS-CS）和節(jié)省生命周期控制策略（Life Cycle Saving Control Strategy，LCS-CS）[3]。

圖4 HFS-CS 算法邏輯[3]

圖5 LCS-CS 算法邏輯[3]

HFS-CS的目的是通過(guò)將電池和超級(jí)電容器更好地結(jié)合到系統(tǒng)中降低燃料電池的燃料消耗，利用車輛在鋰電池/蓄電池和超級(jí)電容器中存儲(chǔ)再生制動(dòng)能量，保證車輛的燃料經(jīng)濟(jì)性，見(jiàn)圖4。在車輛運(yùn)行過(guò)程中，若電池SOC大于其最小值，車輛需求功率由燃料電池和鋰電池/蓄電池提供；在高功率需求下，同時(shí)超級(jí)電容器也提供部分能量。在控制過(guò)程中：需求功率小于零意味著車輛停止或進(jìn)行再生制動(dòng)能量的存儲(chǔ)，此時(shí)若電池SOC低于最小值，則系統(tǒng)對(duì)鋰電池/蓄電池充電；當(dāng)需求功率大于零時(shí)，若電池高于最低值時(shí)，燃料電池和鋰電池/蓄電池將為車輛提供動(dòng)力，在需求功率過(guò)大的情況下，3種動(dòng)力源協(xié)同工作，共同為車輛提供動(dòng)力。

LCS-CS中車輛的需求動(dòng)力僅由燃料電池提供，除非有緊急的高功率需求，見(jiàn)圖5。當(dāng)車輛爬坡或加速時(shí)，超級(jí)電容器和鋰電池/蓄電池分別作為輔助動(dòng)力源提供動(dòng)力，而在平坦路面上，車輛由燃料電池單獨(dú)提供動(dòng)力。在車輛急減速期間產(chǎn)生的再生制動(dòng)能量將存儲(chǔ)在超級(jí)電容器中；在弱制動(dòng)和慢制動(dòng)時(shí)，再生制動(dòng)能量將存儲(chǔ)在鋰電池/蓄電池中，車輛重新起動(dòng)時(shí)使用該能量。LCS-CS可以節(jié)省燃料并且延長(zhǎng)了鋰電池、超級(jí)電容器等組件的壽命。

為了確保各動(dòng)力源之間能量的最優(yōu)分配，且考慮到各組件的動(dòng)態(tài)和能量約束，Snoussi提出了一種基于自適應(yīng)濾波的能量管理策略[4]，為了在能量流動(dòng)力學(xué)和存儲(chǔ)技術(shù)之間建立關(guān)系，引入特定頻率（定義為功率密度和能量密度的比值）。為了提高系統(tǒng)性能，采用模糊邏輯系統(tǒng)（Fuzzy Logic System，F(xiàn)LS）使分離頻率與系統(tǒng)狀態(tài)變化相適應(yīng)，其主要目標(biāo)是優(yōu)化超級(jí)電容器以使其工作在合理范圍內(nèi)（圖6）。FLS的輸入變量是超級(jí)電容器的SOC和負(fù)載電流，輸出變量是分離頻率，使用梯形隸屬函數(shù)進(jìn)行模糊化，并采用最小-最大模糊推理和質(zhì)心逆模糊化?；谖詶l件、存在性條件、穩(wěn)定性條件3個(gè)主要條件建立滑動(dòng)控制器以控制混合動(dòng)力源中的電特性（電壓和電流）。該控制策略可以較低的成本改善混合動(dòng)力源的耐用性和自適應(yīng)性，實(shí)現(xiàn)氫燃料電池汽車的在線能量管理。

圖6 模糊邏輯系統(tǒng)[4]

4 結(jié)束語(yǔ)

燃料電池汽車作為新能源汽車發(fā)展的終極目標(biāo)，目前已進(jìn)入市場(chǎng)導(dǎo)入期，各企業(yè)、各研究機(jī)構(gòu)致力于研究其能量管理控制策略以提高燃料電池汽車系統(tǒng)效率和整車燃料經(jīng)濟(jì)性，并延長(zhǎng)各動(dòng)力源的使用壽命。目前多采用FLCS、ECMS等控制策略，隨著燃料電池技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，更全面的優(yōu)化控制策略將會(huì)進(jìn)一步提高氫燃料電池汽車的燃料經(jīng)濟(jì)性和整車系統(tǒng)性能。