燃料電池汽車動(dòng)力系統(tǒng)仿真分析及控制策略研究

江 玥，李 濤，張 哲,3，劉雨暉，陳申龍，張志猛

(1.武漢理工大學(xué) 現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430070；2.武漢理工大學(xué) 汽車零部件技術(shù)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 武漢 430070；3.東風(fēng)日產(chǎn)乘用車公司 技術(shù)中心，廣東 廣州 510800)

為了解決不可再生資源短缺以及日益嚴(yán)重的環(huán)境污染問(wèn)題，尋找清潔能源替代現(xiàn)有能源是未來(lái)發(fā)展的大趨勢(shì)[1]。中國(guó)、美國(guó)、歐盟、德國(guó)、日本都出臺(tái)了相關(guān)政策大力推進(jìn)新能源汽車的研發(fā)[2-5]。用單一的燃料電池作為汽車動(dòng)力源有著明顯的缺陷，燃料電池只適用于穩(wěn)態(tài)負(fù)載，當(dāng)負(fù)載變化過(guò)快時(shí)，燃料電池?zé)o法及時(shí)響應(yīng)。為了解決這個(gè)問(wèn)題，燃料電池汽車的動(dòng)力源采用混合動(dòng)力的形式，如“燃料電池+蓄電池”、“燃料電池+超級(jí)電容”等，蓄電池和超級(jí)電容能適應(yīng)車輛需求功率的頻繁變動(dòng)[6]，響應(yīng)速度快，能彌補(bǔ)單一燃料電池作為汽車動(dòng)力源的缺陷。

1 燃料電池汽車動(dòng)力系統(tǒng)

1.1 燃料電池汽車動(dòng)力系統(tǒng)組成

燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)主要由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、DC/DC變換器、輔助能源、變速器、燃料電池及其管理系統(tǒng)等組成。混合動(dòng)力源的形式主要有“燃料電池+蓄電池”、“燃料電池+超級(jí)電容”、“燃料電池+蓄電池+超級(jí)電容”3種。超級(jí)電容充電快，能夠大電流放電，但其存儲(chǔ)的能量有限，只可以提供大約1 min的峰值功率[7]。因此筆者不采用超級(jí)電容作為燃料電池客車的輔助能源。而采用“燃料電池+蓄電池”的混合動(dòng)力形式。

燃料電池側(cè)DC/DC變換器結(jié)構(gòu)如圖1所示，燃料電池的輸出經(jīng)單向DC/DC變換器后與蓄電池的輸出并聯(lián)為負(fù)載供電。因此可通過(guò)控制DC/DC變換器的輸出功率直接調(diào)節(jié)燃料電池的輸出，實(shí)現(xiàn)能量管理，可對(duì)燃料電池進(jìn)行有效的保護(hù)。該方案混合電源的體積和質(zhì)量比蓄電池側(cè)DC/DC變換器小，電壓波動(dòng)更小。

圖1 燃料電池側(cè)DC/DC變換器結(jié)構(gòu)

1.2 燃料電池和蓄電池特性

燃料電池能量轉(zhuǎn)化時(shí)直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，理論上可以達(dá)到很高的效率，實(shí)際上效率能達(dá)到50%～70%，是傳統(tǒng)熱機(jī)的2～3倍[8]。

理論上燃料電池效率為：

(1)

式中：PS為燃料電池輸出功率；Fin為對(duì)應(yīng)PS的理論耗氫量；qH2為理論耗氫量；HV為常數(shù)。

推導(dǎo)得單電池的理論效率為：

η=V/1.229

(2)

式中,V為單體電池電壓。

在實(shí)際工作過(guò)程中電堆的工作效率為：

(3)

式中:LHV為氫氣低熱值，其值為1.2×105kJ/kg；Hf為耗氫量。

圖2為燃料電池的輸出功率-效率曲線圖，主要分為低效率工作區(qū)、高效工作區(qū)、大功率工作區(qū)、超負(fù)荷工作區(qū)。改進(jìn)的模糊控制策略根據(jù)蓄電池SOC(state of charge)值設(shè)置了燃料電池最低輸出功率，以提高整個(gè)燃料電池客車行程中燃料電池的功率輸出占比。

圖2 燃料電池效率曲線圖

蓄電池可以適應(yīng)頻繁變載、快速的充放電，能夠彌補(bǔ)燃料電池作為燃料電池客車單元能量源的不足之處。在蓄電池工作過(guò)程中，要避免過(guò)充過(guò)放，保護(hù)蓄電池的安全。

某鋰離子電池在不同溫度下(0℃、10℃、25℃、40℃)C/3倍率的放電曲線如圖3所示。

圖3 C/3倍率下某鋰離子電池放電曲線

從圖3可知，不同溫度下鋰離子電池放電趨勢(shì)基本保持一致，當(dāng)SOC<0.2時(shí),輸出電壓會(huì)很快達(dá)到截止電壓，當(dāng)0.2

2 燃料電池汽車動(dòng)力系統(tǒng)部件參數(shù)匹配

根據(jù)燃料電池客車特定工況下能量和動(dòng)力性的需求，確定驅(qū)動(dòng)電機(jī)、蓄電池、燃料電池、DC/DC變換器的相關(guān)參數(shù)和型號(hào)。

2.1 整車參數(shù)及動(dòng)力性能要求

根據(jù)市面上的車型相關(guān)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)室前期開(kāi)發(fā)的燃料電池客車的相關(guān)性能指標(biāo)以及相關(guān)國(guó)標(biāo)，選取的整車尺寸與質(zhì)量參數(shù)如表1所示。

表1 整車尺寸與質(zhì)量參數(shù)

判斷燃料電池客車是否能達(dá)到CCBC工況要求的重要指標(biāo)為汽車能否達(dá)到工況要求最高車速及能否完成工況要求的加速過(guò)程。目標(biāo)車輛的整車動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)參數(shù)如表2所示。

表2 整車動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)參數(shù)

2.2 驅(qū)動(dòng)橋速比確定

驅(qū)動(dòng)橋的設(shè)計(jì)需滿足：選擇合適的驅(qū)動(dòng)橋速比，保證最大爬坡度達(dá)到18%以上以及0～30 km/h的加速時(shí)間小于9 s。根據(jù)提出的要求，現(xiàn)有速比為6.143和7.400兩種速比驅(qū)動(dòng)橋可供選擇。

根據(jù)已選電機(jī)參數(shù)，通過(guò)MATLAB/Simulink對(duì)整車加速性能進(jìn)行校核。

整車滿載(16 500 kg)、驅(qū)動(dòng)橋速比分別為6.143和7.4時(shí)，0～30 km/h和0～50 km/h加速性能仿真結(jié)果如表3所示。

表3 整車滿載加速性能仿真結(jié)果

燃料電池客車滿載時(shí)驅(qū)動(dòng)橋速比分別為6.143和7.400時(shí)從0加速到50 km/h的速度-時(shí)間曲線分別如圖4和圖5所示。

圖4 驅(qū)動(dòng)橋速比為6.143時(shí)的加速曲線圖

圖5 驅(qū)動(dòng)橋速比為7.400時(shí)的加速曲線圖

從圖4和圖5可知，傳動(dòng)比為6.143、7.400時(shí)，都能滿足0～30 km/h加速時(shí)間小于9 s的要求。在ADVISOR仿真中將給出爬坡度仿真結(jié)果。

現(xiàn)對(duì)最高車速進(jìn)行校核，最高車速與電機(jī)轉(zhuǎn)速之間滿足式(4)。

(4)

式中：n為驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速；i0為驅(qū)動(dòng)橋速比，取6.143和7.400；umax為最高車速，取69 km/h；r為車輪滾動(dòng)半徑，取0.467 m。

當(dāng)驅(qū)動(dòng)橋速比為6.143，最高車速對(duì)應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為2 407.53 r/min；驅(qū)動(dòng)橋速比為7.400，最高車速對(duì)應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為2 900.16 r/min。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，驅(qū)動(dòng)電機(jī)最高轉(zhuǎn)速應(yīng)該達(dá)到2 600 r/min。因此驅(qū)動(dòng)橋速比7.400不能滿足最高車速要求。經(jīng)對(duì)采用驅(qū)動(dòng)橋速比6.143時(shí)的整車最大爬坡度和加速性能校核，驅(qū)動(dòng)橋速比6.143能夠滿足動(dòng)力性要求。

3 模糊控制器設(shè)計(jì)與仿真

燃料電池客車在正常行駛過(guò)程中，燃料電池為主要?jiǎng)恿?lái)源，蓄電池起到輔助供能的作用。因此燃料電池模糊控制策略的制定主要從以下三方面考慮：①減小燃料電池輸出功率的波動(dòng)幅度和燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的啟停次數(shù)，以延緩燃料電池壽命的衰減；②為保證鋰離子電池的安全工作，防止其過(guò)充過(guò)放，且制動(dòng)時(shí)鋰離子電池能夠回收制動(dòng)能量，保證電池SOC值在一個(gè)合適的區(qū)間內(nèi)；③盡可能提高燃料電池和鋰電池的工作效率。

3.1 模糊控制器的設(shè)計(jì)

模糊控制器一共由4部分組成，分別是輸入量模糊化、規(guī)則庫(kù)的制定、模糊推理及接口清晰化。筆者基于ADVISOR進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，采用了ASVISOR頂層模塊中燃料電池控制策略中的輸入及輸出。其中輸入為鋰離子電池的SOC值及總線需求功率Pb，輸出為燃料電池輸出功率Pf。模糊控制器機(jī)理如圖6所示。

圖6 模糊控制器機(jī)理圖

(1)輸入量的模糊化。將真實(shí)世界中的數(shù)值轉(zhuǎn)化為模糊集的形式輸入模糊控制器，然后經(jīng)模糊規(guī)則的約束轉(zhuǎn)化為所需要的模糊集，再將這個(gè)模糊集清晰化，變成真實(shí)世界的數(shù)。這就是整個(gè)模糊推理的過(guò)程[9]。

在模糊工具箱中，有Mamdani型模糊推理系統(tǒng)和Sugeno型模糊推理系統(tǒng)，Mamdani型模糊推理方法是最見(jiàn)的，運(yùn)用學(xué)習(xí)比較簡(jiǎn)單，Sugeno型模糊推理的隸屬度函數(shù)只能是線性的或者是常量，故采用Mamdani型模糊推理的方式。如圖7所示，整個(gè)模糊控制器采用的雙輸入，單輸出的模式。兩個(gè)輸入分別是鋰電池的SOC值，總線需求功率Pb，輸出是燃料電池輸出功率Pf。

圖7 模糊推理方法

筆者研究的燃料電池客車采用鋰電池高效工作區(qū)間的SOC在[0.3，0.9]，在工況一定的情況下，總線需求功率的曲線是不變的。

(2)模糊規(guī)則確定。模糊規(guī)則就是if-then規(guī)則又稱模糊隱含或模糊條件語(yǔ)句。If-then規(guī)則語(yǔ)句模式如下：

IfxisAthenyisB.

其中，A是模糊規(guī)則輸入，可以是一個(gè)或者是多個(gè)。B是模糊規(guī)則的輸出，也可以是一個(gè)或多個(gè)[10]。根據(jù)以往的仿真實(shí)驗(yàn)可知：

①鋰電池SOC值低時(shí)，總線需求功率Pb高時(shí)，燃料電池輸出功率Pf高。

②鋰電池SOC值高時(shí)，總線需求功率Pb低時(shí)，燃料電池輸出功率Pf低。

給定蓄電池SOC值，總線需求功率Pb，則能觸發(fā)對(duì)應(yīng)的規(guī)則，得到的功率分配如圖8所示。

圖8 模糊控制下燃料電池輸出功率圖

3.2 傳統(tǒng)模糊控制策略Simulink建模與仿真

燃料電池混合動(dòng)力城市客車的整車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)如表4所示。將相關(guān)的部件數(shù)據(jù)輸入到對(duì)應(yīng)部件的M文件中，接著將修改后的M文件導(dǎo)出，然后在功率跟隨策略下進(jìn)行仿真。再將傳統(tǒng)模糊控制策略導(dǎo)入到ADVISOR頂層模塊中進(jìn)行仿真。

表4 整車動(dòng)力系統(tǒng)關(guān)鍵部件參數(shù)

燃料電池客車在CCBC道路工況下傳統(tǒng)模糊控制策略的仿真結(jié)果如圖9所示。其中圖9(a)為燃料電池客車在CCBC道路工況下的速度跟隨情況，可以看出在模糊控制策略下燃料電池客車在CCBC道路工況下行駛狀況良好，動(dòng)力性能夠達(dá)到CCBC道路工況的要求；圖9(b)為在燃料電池客車在整個(gè)行駛過(guò)程中鋰離子電池SOC值變化情況，其變化趨勢(shì)慢慢下降，但SOC波動(dòng)范圍在[0.6，0.8]之間，保證了鋰離子充放電安全性及高效性；圖9(c)為燃料電池客車在整個(gè)行駛過(guò)程中燃料電池實(shí)際輸出功率變化情況，波動(dòng)范圍大致在[5 kW，28 kW]區(qū)間內(nèi)，波動(dòng)幅度偏大；圖9(d)為整個(gè)CCBC道路工況中電機(jī)需求功率的變化，即總線需求功率的變化。總體上該傳統(tǒng)模糊控制策略基本能夠滿足燃料電池客車在CCBC工況下的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性要求。

圖9 傳統(tǒng)模糊控制策略下的仿真結(jié)果

3.3 傳統(tǒng)模糊控制器改進(jìn)

總線需求功率在[-100 kW，0]范圍內(nèi)時(shí)，燃料電池客車處于制動(dòng)能量再生的模式，此時(shí)電機(jī)制動(dòng)的能量用于向鋰電池充電。當(dāng)需求功率在[0，120 kW]范圍內(nèi)時(shí)，燃料電池處于單獨(dú)供電或者與鋰離子電池一起供電的模式。

模糊語(yǔ)言變量的定量描述是由它的隸屬度函數(shù)確定，隸屬度函數(shù)有離散的也有連續(xù)的，其中連續(xù)隸屬度函數(shù)較為常用，連續(xù)隸屬度函數(shù)有三角形、梯形和高斯型等。總線需求功率Pb在[0，120 kW]范圍內(nèi)的隸屬度函數(shù)采用高斯型隸屬度分布函數(shù)，如圖10所示；總線需求功率Pb在[-100 kW，0]范圍內(nèi)的隸屬度函數(shù)采用梯形函數(shù)隸屬度分布函數(shù)，如圖11所示。

該分段模糊控制策略主要分為兩個(gè)模塊。第一個(gè)模塊包含驅(qū)動(dòng)工況Pb信號(hào)分離模塊，將Pb信號(hào)分為[-100 kW，0]、[0，120 kW]兩段，然后將制動(dòng)工況、驅(qū)動(dòng)工況下分別進(jìn)行了模糊控制，最后將驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)工況下的燃料電池輸出功率合理匹配，如圖12所示。

圖10 非制動(dòng)工況總線需求功率隸屬度函數(shù)

圖11 制動(dòng)工況總線需求功率隸屬度函數(shù)

圖12 分段模糊控制策略Simulink模型圖

燃料電池效率隨著增益系數(shù)K1的減小呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)。當(dāng)K1增大到0.5時(shí)，燃料電池效率達(dá)到最大，因此選定增益系數(shù)K1和K2都為0.5，此時(shí)燃料電池效率為0.59(最大效率為0.6)，鋰離子電池效率為0.95。

3.4 仿真結(jié)果對(duì)比

燃料電池客車在CCBC工況下分段模糊控制策略的仿真結(jié)果如圖13所示。其中從圖13(a)可以看出在模糊控制策略下，燃料電池客車在CCBC工況下行駛狀況良好，實(shí)際行駛車速曲線與工況車速曲線基本一致，動(dòng)力性能夠達(dá)到CCBC工況的要求；圖13(b)為在燃料電池客車鋰離子電池SOC值變化趨勢(shì)慢慢下降，但SOC波動(dòng)范圍還在[0.6，0.8]之間，保證了鋰離子充放電安全性及高效性；圖13(c)為燃料電池客車燃料電池實(shí)際輸出功率變化情況，波動(dòng)幅度在[14 kW，25 kW]之間；圖13(d)為整個(gè)CCBC道路工況中電機(jī)需求功率的變化，即是總線需求功率的變化。

圖13 分段模糊控制策略下燃料電池客車仿真結(jié)果

(1)傳統(tǒng)模糊控制策略和分段模糊控制策略下鋰離子電池SOC值比較。傳統(tǒng)模糊控制策略和分段模糊控制策略下鋰離子電池SOC值變化對(duì)比如圖14所示。

圖14 電池SOC值變化對(duì)比圖

從燃料電池提供給整車的功率占整車消耗功率比考慮，分段模糊控制策略更符合燃料電池客車控制策略設(shè)計(jì)要求。

(2)燃料電池效率和鋰離子電池效率比較。分段模糊控制策略下燃料電池效率為0.59，鋰離子電池效率為0.95，鋰離子電池釋放了17 767 kJ能量。

分段模糊控制策略對(duì)比傳統(tǒng)模糊控制策略，燃料電池輸出功率占比提高了20.7%，燃料電池效率提高了4%。

(3)燃料電池輸出功率波動(dòng)幅度。從圖15知分段模糊控制策略下燃料電池輸出功率波動(dòng)幅度明顯小于傳統(tǒng)模糊控制下燃料電池輸出功率波動(dòng)幅度。

圖15 不同控制策略下燃料電池輸出功率比較圖

分段模糊控制策略與傳統(tǒng)模糊控制策略的仿真結(jié)果如表5所示，其分段模糊控制策略優(yōu)勢(shì)如下：①燃料電池效率從55%提高到59%；②燃料電池輸出功率占燃料電池客車總線需求功率比值提高了20.7%；③分段模糊控制策略下燃料電池輸出功率波動(dòng)幅度小，有效減緩了燃料電池壽命的衰減。

表5 分段模糊控制策略和傳統(tǒng)模糊控制策略仿真結(jié)果對(duì)比

4 結(jié)論

根據(jù)燃料電池動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性要求，對(duì)燃料電池客車的關(guān)鍵動(dòng)力部件燃料電池、鋰離子電池、驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行了參數(shù)匹配，確定了驅(qū)動(dòng)橋的傳動(dòng)比。使用ADVISOR對(duì)燃料電池客車在傳統(tǒng)模糊控制策略和分段模糊控制策略下進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果表明分段模糊控制策略將燃料電池效率提高了4%，同時(shí)降低了燃料電池輸出功率波動(dòng)幅度。