燃料電池商用車能量管理策略研究

王善超　覃記榮　辛偉偉　鄭偉光

【摘 要】文章介紹了目前燃料電池汽車上常見(jiàn)的4種能量管理策略，研究了恒溫器型及功率跟隨型兩種基于確定規(guī)則的控制策略，在ADVISOR仿真平臺(tái)上完成了兩種控制策的模型搭建，并采用兩種控制策略，基于國(guó)內(nèi)某款燃料電池商用車實(shí)車數(shù)據(jù)進(jìn)行了車輛動(dòng)力性能仿真。仿真結(jié)果顯示，相較于恒溫器型控制策略，功率跟隨型控制策略在車輛動(dòng)力性及能量源壽命保持等方面都具有較大的優(yōu)勢(shì)，更適合當(dāng)前實(shí)車采用。

【關(guān)鍵詞】能量管理策略;恒溫器型控制策略;功率跟隨型控制策略;燃料電池商用車

【中圖分類號(hào)】U469.7 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2020）07-0122-04

燃料電池汽車能量利用率高、行駛里程長(zhǎng)、加氫迅速且對(duì)環(huán)境友好，被認(rèn)為是新能源汽車的終極選項(xiàng)，具有極好的發(fā)展前景。燃料電池輸出特性偏軟且無(wú)法解決車輛制動(dòng)回收問(wèn)題，目前市場(chǎng)上的燃料電池汽車普遍采用燃料電池+輔助能量源（蓄電池或超級(jí)電容）的混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。因此，應(yīng)用于車輛混合動(dòng)力系統(tǒng)的能量管理策略便成為燃料電池汽車研究繞不開(kāi)的話題。

能量管理策略的優(yōu)劣直接影響燃料電池汽車的動(dòng)力性能和燃油經(jīng)濟(jì)性。高效的能量管理策略對(duì)優(yōu)化車輛性能、提升車輛動(dòng)態(tài)響應(yīng)、延長(zhǎng)動(dòng)力源壽命及降低整車成本具有至關(guān)重要的作用。當(dāng)前，主流的能量管理策略可分為基于確定性規(guī)則的控制策略、模糊邏輯控制策略、全局優(yōu)化控制策略和瞬時(shí)優(yōu)化控制策略[1]。模糊邏輯控制策略的模糊邏輯控制器其硬件實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜，造成當(dāng)前此策略的實(shí)車應(yīng)用效果較差[2]。全局優(yōu)化控制策略雖然能使優(yōu)化對(duì)象達(dá)到理論最優(yōu)，但其優(yōu)化算法依賴已知工況，且計(jì)算復(fù)雜，優(yōu)化時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，不宜直接作為車輛的控制策略[3]。瞬時(shí)優(yōu)化控制策略是對(duì)全局優(yōu)化算法的簡(jiǎn)化，其采用瞬時(shí)最優(yōu)的控制思想，追求每個(gè)瞬時(shí)控制效果最優(yōu)，計(jì)算量相對(duì)全局優(yōu)化較小，不需預(yù)知駕駛工況，該策略具有實(shí)時(shí)化的基礎(chǔ)，但仍對(duì)車輛硬件有較高要求[1，4]。目前，應(yīng)用在實(shí)車測(cè)試的控制策略主要為基于確定性規(guī)則的控制策略。

本文以燃料電池+蓄電池的雙動(dòng)力源燃料電池商用車為研究對(duì)象，以ADVISOR為軟件仿真平臺(tái)，研究恒溫器型及功率跟隨型兩種常用的規(guī)則型控制策略，通過(guò)軟件仿真結(jié)果論證兩種控制策略的適用性及優(yōu)劣性，為燃料電池汽車的實(shí)車驗(yàn)證提供理論依據(jù)。

1 能量管理策略分析

1.1 恒溫器型控制策略

恒溫器型控制策略也稱開(kāi)關(guān)型控制策略，該策略的控制核心是始終保證燃料電池工作在最高效率點(diǎn)，蓄電池作為均衡器平衡燃料電池輸出，其流程圖如圖1（a）所示。

恒溫器型控制策略需提前設(shè)定蓄電池荷電狀態(tài)（State of Charge，SOC）浮動(dòng)區(qū)間，即設(shè)定SOC最大邊界值SOCmax和最小邊界值SOCmin，根據(jù)SOC與其邊界值及電機(jī)需求功率Pm與蓄電池最大輸出功率Pbat_max的關(guān)系確定燃料電池的工作狀態(tài)。其具體工作模式如下。

（1）當(dāng)SOC≤SOCmin時(shí)，燃料電池開(kāi)啟并工作在最佳效率點(diǎn)Pfc_eff，提供車輛行駛功率并利用富余功率為蓄電池充電，直至SOC≥SOCmax。

（2）當(dāng)SOCminPbat_max，即蓄電池不能夠單獨(dú)提供車輛功率需求時(shí)，則燃料電池開(kāi)啟并工作在最佳效率點(diǎn)，蓄電池填補(bǔ)不足功率。

（3）當(dāng)SOC>SOCmax時(shí)，若Pm≤Pbat_max，則燃料電池關(guān)閉，由蓄電池單獨(dú)驅(qū)動(dòng)車輛;若Pm>Pbat_max，則燃料電池開(kāi)啟，由燃料電池和蓄電池共同驅(qū)動(dòng)車輛。

（4）車輛制動(dòng)時(shí)，若SOC≤SOCmax，車輛采用再生制動(dòng)模式，蓄電池以最大充電功率吸收制動(dòng)能量;若SOC>SOCmax，車輛采用機(jī)械制動(dòng)模式。

1.2 功率跟隨型控制策略

功率跟隨型控制策略原理類似于恒溫器型控制策略，該策略拓寬了燃料電池的工作區(qū)間，允許燃料電池工作在一個(gè)最佳效率區(qū)域，鋰電池提供額外的需求功率，其控制流程圖如圖1（b）所示。

功率跟隨策略除了需要設(shè)定SOCmax和SOCmin以外，還需設(shè)定燃料電池輸出功率允許變化區(qū)間[Pfc_min，Pfc_max]，根據(jù)蓄電池SOC和燃料電池需求功率Pfc_req與其邊界值的大小關(guān)系確定燃料電池的輸出功率，其具體工作模式如下。

（1）當(dāng)SOC≤SOCmin時(shí)，由燃料電池單獨(dú)驅(qū)動(dòng)車輛，若Pfc_req≤Pfc_min，則燃料電池工作在最小邊界值Pfc_min，燃料電池輸出的多余功率為蓄電池充電;若Pfc_req>Pfc_min，則燃料電池輸出功率跟蹤車輛功率需求，且不受最大功率邊界值Pfc_max約束。

（2）當(dāng)SOCmin

（3）當(dāng)SOC>SOCmax時(shí)，若Pfc_req≤Pfc_min，則燃料電池關(guān)閉，由蓄電池單獨(dú)驅(qū)動(dòng)車輛;若Pfc_min1.2Pfc_min，則燃料電池開(kāi)啟。

（4）為防止燃料電池在工作過(guò)程中頻繁啟動(dòng)，設(shè)定其關(guān)閉狀態(tài)維持時(shí)間最小值為90 s，即燃料電池只有維持關(guān)閉狀態(tài)90 s以上，才可切換至開(kāi)啟狀態(tài)，此部分控制策略并未在流程圖中體現(xiàn)。

燃料電池需求功率Pfc_req均為SOC校正后的功率需求，其計(jì)算公式如下：

式中，η為SOC校正因子，ηPcharge為設(shè)定的蓄電池額外充放電功率，其目的是使蓄電池SOC保持在其浮動(dòng)區(qū)間的中間值附近。

2 能量管理策略建模

本文借助于ADVISOR仿真工具完成對(duì)兩種策略的模型搭建，其中恒溫器型控制策略是在功率跟隨型控制策略的基礎(chǔ)上通過(guò)M文件再定義完成的，有關(guān)此方面內(nèi)容可參照文獻(xiàn)[5]。

2.1 恒溫器型控制策略建模

從原理上來(lái)看，恒溫器型控制策略限定燃料電池工作范圍為效率最高點(diǎn)，允許蓄電池SOC在整個(gè)限定區(qū)間內(nèi)變化，蓄電池一直充電（放電）直至達(dá)到SOC允許上限（下限），其在原理上可看作一種特殊的功率跟隨策略。

恒溫器型控制策略的模型搭建可通過(guò)對(duì)功率跟隨策略的參數(shù)修改來(lái)實(shí)現(xiàn)。具體參數(shù)修改項(xiàng)見(jiàn)表1。

對(duì)上述表格中參數(shù)進(jìn)行定義，便完成了恒溫其控制策略在ADVISOR軟件平臺(tái)上的開(kāi)發(fā)。

2.2 功率跟隨型控制策略建模

功率跟隨控制策略模型頂層模塊如圖2（a）所示，其輸入信號(hào)為總線需求功率及蓄電池SOC，輸出燃料電池需求功率，該控制策略主要包含功率轉(zhuǎn)換、SOC校正、燃料電池開(kāi)關(guān)控制、燃料電池功率控制4個(gè)主要子模塊。

功率轉(zhuǎn)換模塊主要作用是將總線功率需求轉(zhuǎn)換為燃料電池功率需求，其底層模塊如圖2（b）所示。

SOC校正模塊主要作用是將輸入的燃料電池需求功率進(jìn)行SOC校正，以保持蓄電池SOC在允許變動(dòng)區(qū)間的中間值附近，校正標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)式（1）和式（2），底層模塊如圖2（c）所示。

燃料電池開(kāi)關(guān)控制模塊是本策略中最重要的控制子模塊，該模塊通過(guò)輸入變量（總線功率需求與電池最大輸出功率關(guān)系、蓄電池SOC、經(jīng)SOC校正后的燃料電池功率需求、總線功率需求）及門(mén)限值（蓄電池SOC允許變動(dòng)區(qū)間、燃料電池工作區(qū)間、燃料電池關(guān)閉時(shí)間）決策出當(dāng)前燃料電池的工作狀態(tài)（開(kāi)啟/關(guān)閉），其底層模塊如圖2（d）所示。

燃料電池功率控制模塊的主要作用為根據(jù)當(dāng)前燃料電池功率需求（SOC校正）、蓄電池的狀態(tài)（反應(yīng)在SOC和最大輸出功率）及當(dāng)前總線功率需求判斷該狀態(tài)下的燃料電池輸出功率。此外，車輛的制動(dòng)回收策略也在該模塊中有體現(xiàn)。燃料電池功率控制模塊的底層模塊如圖2（e）所示。

3 仿真結(jié)果分析

仿真建立在國(guó)內(nèi)某款商用車平臺(tái)上，該商用車配置參數(shù)見(jiàn)表2，仿真軟件為ADVISOR，為體現(xiàn)上述兩種能量管理策略的優(yōu)劣性，在現(xiàn)有工況上構(gòu)建了一種復(fù)合行駛工況（UDDS+HWFET+FTP），車輛仿真結(jié)果如下。

表3給出了兩種控制策略下燃料消耗量的對(duì)比結(jié)果，可見(jiàn)恒溫器型控制策略等效燃油消耗量遠(yuǎn)低于功率跟隨策略，這是由于在恒溫器型控制策略中，燃料電池只工作在效率最高點(diǎn)。

圖3（a）和圖3（b）分別給出了兩種控制策略的動(dòng)力性能仿真結(jié)果。正常情況下，兩種控制策略在車速跟蹤上均滿足性能要求，但在持續(xù)大負(fù)載低SOC狀態(tài)下，恒溫器型控制策略SOC長(zhǎng)期維持在較低水平，影響整車動(dòng)力性能;相較于功率跟隨型控制策略，恒溫器型控制策略蓄電池SOC浮動(dòng)范圍更大，且該策略由蓄電池承擔(dān)大部分總線功率，這會(huì)對(duì)蓄電池壽命產(chǎn)生不良影響;燃料電池功率輸出方面，在持續(xù)大負(fù)載低SOC狀態(tài)下，恒溫器型控制策略燃料電池狀態(tài)切換頻繁，不利于燃料電池的壽命保持。

4 結(jié)論

本文對(duì)兩種規(guī)則性能量管理策略進(jìn)行了梳理，并在國(guó)內(nèi)某型商用車平臺(tái)上進(jìn)行兩種策略的仿真分析，通過(guò)仿真對(duì)比，得到以下結(jié)論：？譹？訛在一定工況下，雖然恒溫器型控制策略燃料消耗更小，但該結(jié)果是建立在損耗燃料電池及蓄電池壽命的基礎(chǔ)之上，故在實(shí)車開(kāi)發(fā)中，不建議采用該種控制策略。？譺？訛相較于恒溫器型控制策略，功率跟隨控制策略能夠更好地完成功率分配的任務(wù)，且其對(duì)蓄電池及燃料電池的壽命更為友善。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 倪如堯，劉金玲，許思傳.燃料電池汽車能量管理控制策略研究[J].汽車實(shí)用技術(shù)，2019（1）：34-38.

[2] 張峻愷.復(fù)合電源燃料電池客車能量管理策略研究[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2018.

[3] 周哲.基于道路工況識(shí)別的混合動(dòng)力汽車能量管理策略研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2019.

[4] 許世景.串聯(lián)混合動(dòng)力汽車能量管理策略優(yōu)化研究[D].天津：天津大學(xué)，2013.

[5] 宮維鈞，曾小華.ADVISOR2002電動(dòng)汽車仿真與再開(kāi)發(fā)應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2014.