氫燃料電池混合動(dòng)力汽車能量管理系統(tǒng)建模與仿真分析

郭朋彥 ，宗賀輝，王一博，李冰潔

（華北水利水電大學(xué)機(jī)械學(xué)院，河南 鄭州 450045）

隨著環(huán)境污染、溫室效應(yīng)與能源短缺的加劇［1］，氫氣作為清潔無污染燃料受到了越來越多的關(guān)注。氫燃料電池是通過電化學(xué)作用直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽徽J(rèn)為是繼火電、水電、核電后的第4種發(fā)電方式，其發(fā)電效率不受卡諾循環(huán)的限制，是一種高效、清潔的新型電源［2］。氫燃料電池汽車具有清潔無污染、能量利用率高、燃料加注快捷等優(yōu)點(diǎn)，成為新能源汽車發(fā)展的熱點(diǎn)。然而，燃料電池具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢、啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)、輸出特性偏軟等缺點(diǎn)，所以需要耦合輔助能源來為車輛在爬坡和加速等高功率需求階段提供功率支持［3］。燃料電池汽車整車能量管理系統(tǒng)是燃料電池汽車的重要核心技術(shù)，其核心功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)的扭矩管理和對(duì)混合動(dòng)力系統(tǒng)的功率實(shí)時(shí)分配，以確保整車在安全前提下的功率需求，滿足車輛動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性要求［4］。

1 燃料電池動(dòng)力電池混合動(dòng)力系統(tǒng)

圖1 燃料電池與動(dòng)力電池混合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

燃料電池與動(dòng)力電池混合系統(tǒng)是一種“FC+B”的驅(qū)動(dòng)模式，指燃料電池作為主要能源，動(dòng)力電池作為輔助能源的驅(qū)動(dòng)模式。圖1所示為燃料電池和動(dòng)力電池并聯(lián)的混合動(dòng)力結(jié)構(gòu)，該混合動(dòng)力結(jié)構(gòu)中，燃料電池通過一個(gè)單向DC／DC變換器穩(wěn)壓后接入母線，而動(dòng)力電池因?yàn)殡妷汉湍妇€電壓相符，直接并入母線［5］。此種混合模式結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，可有效覆蓋需求功率的波動(dòng)，降低對(duì)燃料電池的功率需求，并提高動(dòng)力電池的響應(yīng)速度，可有效彌補(bǔ)燃料電池和動(dòng)力電池各自缺點(diǎn)，目前應(yīng)用最為廣泛［6］。

2 整車能量管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與建模

FCHV能量管理系統(tǒng)旨在準(zhǔn)確判斷駕駛員意圖，計(jì)算出需求功率并將兩個(gè)電源的功率按一定規(guī)則進(jìn)行分配，最終將參考轉(zhuǎn)矩信號(hào)T_motor_ref輸出至電機(jī)控制器，燃料電池參考電流信號(hào)I_FC_ref輸出至燃料電池系統(tǒng)，動(dòng)力電池充放電功率P_bat輸出至動(dòng)力電池系統(tǒng)。

本文采取分塊化建模的思想，所建立的能量管理系統(tǒng)框圖如圖2所示，包含駕駛員意圖模塊、燃料電池參考電流計(jì)算模塊、動(dòng)力電池充電需求功率模塊、動(dòng)力電池能量管理模塊和電機(jī)轉(zhuǎn)矩修正模塊等。

圖2 能量管理系統(tǒng)框圖

2.1 駕駛員意圖模塊

由于車輛的行駛狀況非常復(fù)雜，對(duì)駕駛員意圖的精準(zhǔn)判斷在車輛行駛控制中至關(guān)重要，通過對(duì)駕駛意圖的判斷，可以初步得到駕駛過程的轉(zhuǎn)矩需求T_dem和功率需求P_dem。駕駛員意圖模塊如圖3所示，該模塊將車速信號(hào)V、加速踏板信號(hào)Acc和制動(dòng)踏板信號(hào)brk作為輸入，需求轉(zhuǎn)矩由這3個(gè)信號(hào)共同決定。踏板位置信號(hào)范圍都在0到1之間，當(dāng)制動(dòng)踏板信號(hào)不為0，說明駕駛員有制動(dòng)意圖，則加速踏板信號(hào)被屏蔽。首先根據(jù)加速踏板信號(hào)和制動(dòng)踏板信號(hào)判斷駕駛員的意圖θ，之后由θ和車速共同來決定電機(jī)的載荷系數(shù)C_load，載荷系數(shù)離散值如表1所示，載荷系數(shù)和電機(jī)需求轉(zhuǎn)矩的關(guān)系如式 （1）所示。

式中：Tu——電機(jī)基本需求轉(zhuǎn)矩；TN——電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩。

圖3 駕駛員意圖模塊

表1 載荷系數(shù)離散值

2.2 動(dòng)力電池充電管理模塊

動(dòng)力電池在燃料電池混合動(dòng)力汽車中起到輔助能源的作用，考慮到動(dòng)力電池壽命和安全性，需要讓動(dòng)力電池維持在合適的荷電狀態(tài) （SOC）范圍。本文中對(duì)動(dòng)力電池的荷電狀態(tài)進(jìn)行判斷，當(dāng)?shù)陀?0%時(shí)，動(dòng)力電池進(jìn)入充電模式，開始持續(xù)充電，直到SOC超過90%時(shí)動(dòng)力電池終止充電，進(jìn)入放電狀態(tài)。控制策略模塊如圖4所示。

2.3 燃料電池需求電流模塊

動(dòng)力系統(tǒng)對(duì)燃料電池的功率需求是駕駛員意圖的功率需求P_dem和動(dòng)力電池充電需求P_bat_recharge兩者之和，再根據(jù)燃料電池放電電流和燃料電池功率之間的關(guān)系，計(jì)算出燃料電池的電流需求FC_current_ref。燃料電池放電電流和功率之間的關(guān)系如圖5所示。

2.4 動(dòng)力電池能量管理模塊

動(dòng)力電池在整個(gè)車輛行駛過程中主要用來彌補(bǔ)燃料電池功率不足時(shí)所需要的功率，計(jì)算動(dòng)力電池的功率首先要計(jì)算當(dāng)前燃料電池的實(shí)際輸出功率P_FC_actu，燃料電池總需求功率P_FC_dem和燃料電池實(shí)際功率的差值即為動(dòng)力電池所需功率，當(dāng)車輛制動(dòng)時(shí)，動(dòng)力電池為充電狀態(tài)，可以吸收儲(chǔ)存能量［7］。當(dāng)動(dòng)力電池放電電壓過高時(shí)，為防止放電功率過大，損傷電池，需要對(duì)動(dòng)力電池充放電過程進(jìn)行功率限制。動(dòng)力電池能量管理模塊如圖6所示。

圖4 動(dòng)力電池充電管理控制策略

圖5 燃料電池放電電流與功率關(guān)系

2.5 電機(jī)轉(zhuǎn)矩修正模塊

該模塊根據(jù)燃料電池和動(dòng)力電池的實(shí)際狀態(tài)，結(jié)合電機(jī)當(dāng)前實(shí)際轉(zhuǎn)速重新修正電機(jī)的需求轉(zhuǎn)矩，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速高于某一定值時(shí)，輸出燃料電池和動(dòng)力電池實(shí)際放電可以產(chǎn)生的功率，避免發(fā)生過度放電現(xiàn)象；當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速低于某一定值時(shí)，輸出T_dem。電機(jī)轉(zhuǎn)矩修正模塊如圖7所示。

3 仿真及結(jié)果分析

本文在Matlab／Simulink環(huán)境下建立燃料電池混合動(dòng)力汽車仿真模型，并加入該能量管理控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真模擬，以測(cè)試控制策略的正確性及對(duì)燃料電池汽車動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性的影響。本文以加速踏板和制動(dòng)踏板信號(hào)作為輸入，代表駕駛員對(duì)車輛的縱向操作，在0～5s起步階段，加速信號(hào)為60%，5～10s內(nèi)，釋放踏板，加速信號(hào)為40%；10～15s內(nèi)，再次踩下踏板，加速信號(hào)為80%；15～20s內(nèi)，加速信號(hào)為70%；并且，在8～9s內(nèi)踩下制動(dòng)踏板，加速踏板信號(hào)被屏蔽，制動(dòng)信號(hào)為60%，16～20s內(nèi)加入制動(dòng)信號(hào)80%，模擬了兩次制動(dòng)過程。該駕駛員意圖信號(hào)模擬了一個(gè)完整周期FCHV的不同運(yùn)行模式：起步、緩加速、減速、急加速、為電池充電和再生制動(dòng)。

圖6 動(dòng)力電池能量管理模型

圖7 電機(jī)需求轉(zhuǎn)矩修正模塊

如圖8和圖9所示為汽車在20s內(nèi)車速和功率的變化情況，0～0.83s內(nèi)，駕駛員踩下加速踏板，至最大加速度的60%，此時(shí)，只有動(dòng)力電池為總線供電，起動(dòng)功率完全由動(dòng)力電池提供。在0.83s后，燃料電池開始提供功率。但由于燃料電池輸出的滯后性，無法及時(shí)提供足夠的功率，因此由動(dòng)力電池提供不足的功率。在5s處，加速信號(hào)變?yōu)?0%，車輛所需的功率突然減小，但是燃料電池仍然輸出較大功率，此時(shí)，動(dòng)力電池作為吸能裝置吸收過剩功率。8～9s處，駕駛員有減速意圖，燃料電池過剩功率結(jié)合再生制動(dòng)功率為動(dòng)力電池充電，此時(shí)動(dòng)力電池為充電狀態(tài)。10s后加速信號(hào)升至80%，需求功率增大，動(dòng)力電池繼續(xù)提供不足功率，至燃料電池滿足動(dòng)力需求逐漸停止。

圖8 速度隨時(shí)間變化圖

圖9 功率隨時(shí)間變化圖

如圖10所示，在13s左右，動(dòng)力電池SOC值減小至40%以下，此時(shí)動(dòng)力電池充電模式被激活，直到SOC值為90%才會(huì)停止充電。結(jié)合圖8、圖9可知，此時(shí)只有燃料電池提供所需功率，動(dòng)力電池所需功率為-25kW，這意味著，當(dāng)FCHV加速時(shí)，動(dòng)力電池會(huì)從燃料電池獲得電力進(jìn)行充電，此時(shí)無法再滿足所需扭矩。在16s后，制動(dòng)信號(hào)為80%，說明駕駛員有制動(dòng)意圖，整車處于減速狀態(tài)，該階段屬于制動(dòng)再生階段，電機(jī)變?yōu)橛绍囕嗱?qū)動(dòng)的發(fā)電機(jī)，為動(dòng)力電池充電，燃料電池功率輸出功率逐漸降低。

圖10 動(dòng)力電池荷電狀態(tài)

4 總結(jié)

本文根據(jù)燃料電池和動(dòng)力電池的特點(diǎn)，針對(duì)燃料電池和動(dòng)力電池電-電混合汽車，設(shè)計(jì)了一種能量管理系統(tǒng)，并在Matlab／Simulink仿真平臺(tái)上對(duì)該能量管理系統(tǒng)應(yīng)用于FCHV上的表現(xiàn)進(jìn)行仿真模擬。仿真結(jié)果表明，本文建立的能量管理系統(tǒng)可有效分析判斷車輛當(dāng)前需求功率，并對(duì)所需功率進(jìn)行合理分配，在保障電池安全性的同時(shí)滿足車輛動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的要求，為研究燃料電池動(dòng)力電池混合動(dòng)力汽車功率分配問題提供指導(dǎo)。