燃料電池汽車功率分流控制策略的比較分析

燃料電池汽車功率分流控制策略的比較分析

燃料電池汽車因其具有高效率和零排放而得到了廣泛關注。常用的燃料電池包括酸性燃料電池、堿性燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池、固態氧化物燃料電池和質子交換膜燃料電池。其中，質子交換膜燃料電池具有功率密度高、工作溫度低以及電解液對CO2不敏感等優點，因而是最具發展前途的燃料電池。但是，質子交換膜燃料電池在汽車瞬態工況中反應較慢，不能及時遵循汽車功率需求的變化，且這種瞬態變化會降低質子交換膜燃料電池反應堆的使用壽命。通過并聯儲能電池可解決該問題，實現時需要考慮燃料電池和儲能電池之間的功率分配，即功率分流。功率分流常用的控制策略包括基于確定性規則的控制策略和最優控制策略，并對它們進行了比較分析。

選用基于確定性規則的控制策略是，汽車功率需求出現瞬態變化時，由儲能電池提供或回收功率需求變化的部分，燃料電池則始終提供恒定的功率。選用的最優控制策略包括動態規劃（DP）和模型預測控制（MPC）。對這3種控制策略進行對比時，首先控制模型的開發，包括汽車縱向動力學模型、燃料電池堆反應模型和儲能電池模型；之后分別應用這3種控制策略，并記錄不同控制策略在城市循環工況下產生的燃油消耗。需要注意的是，在應用MPC控制策略時，預測時間是該策略下的一個可變參數，因而設定預測時間的范圍為1～10s，間隔為1s。分析結果顯示：①MPC控制策略預測時間的長短對其性能具有較大影響；②與MPC控制策略預測時間為2s時的燃油消耗相比，DP控制策略的燃油消耗降低了12%，而當MPC控制策略的預測時間設定為7s甚至更大值時，這兩種最優控制策略的燃油消耗大致相等；③與基于確定性規則的控制策略產生的燃油消耗相比，DP控制策略的燃油消耗降低了5%。

Arya Yazdanietal.SAE 2016-01-1189.

編譯：李臣