質子交換膜燃料電池汽車的能量監控策略

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質子交換膜燃料電池汽車的能量監控策略

為降低車輛溫室氣體排放，主要研究了燃料電池、混合動力及電動汽車技術的開發。FCV（燃料電池汽車）相比混合動力汽車及電動汽車有以下優點：近乎零排放、高能量利用率以及快速充電特性。由于工作溫度低（約70℃），PEMFC（質子交換膜燃料電池）被廣泛用于FCV中。

為了建立FCV的能量監控策略，搭建了低速FCV實車試驗平臺，主要元件包括Axane提供的48V燃料電池、串聯蓄電池組（9×8V）以及作為驅動系統的三相感應電機。其中，電池組充分放電作為主能量系統，燃料電池輔助儲能。

針對儲能系統復雜、非線性和電路能量耦合等特點，引入能量宏觀表達法（EMR）對PEMFC、蓄電池組、感應電機及環境工況進行建模。EMR能夠綜合考慮多物理量特性并使得FCV中物理量之間的相互關系更加清晰直觀。燃料電池模塊中，電壓包括能斯特電位及過電壓、激活電壓、阻抗電壓和濃差電壓。蓄電池組模塊中，模型根據充電狀態（SOC）和電池的充、放電阻抗值得到輸出電壓值。三相感應電機模塊采用矢量控制方法，包括Park變換和定子磁鏈目標控制。路面環境模塊包括滾動摩擦阻力、空氣阻力、坡度阻力以及加速阻力。最后，對模型進行仿真并與實車平臺數據對比驗證。

通過模型仿真得到燃料電池能量利用率與功率的關系曲線（圖1），可以看出，在低功率段，能量利用率呈現突變。為防止PEMFC系統的降解和老化，應盡量使燃料電池工作在最大能量利用率區域。基于這一理念，設計電池SOC控制方法，即根據SOC變量值與所設定閾值之間關系劃分燃料電池的3種工作模式：最大功率、最大能量利用率和停止。仿真結果表明，PEMFC系統能夠很好地在這3種工作模式下進行切換。

K.Ettihir et al.2012 IEEE International Symposium on Industrial Electronics

編譯：張為榮