燃料電池汽車能量管理測(cè)評(píng)研究分析

吳詩雨 郭婷 王國(guó)卓 聶振宇 王志軍

（1.中國(guó)汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300；2.中汽研汽車檢驗(yàn)中心（天津）有限公司，天津 300300）

主題詞：燃料電池汽車 能量管理 測(cè)試評(píng)價(jià)

縮略語

SOC Stateof Charge

FC Fuel Cell

B Battery

C Capacitance

FCV Fuel Cell Vehicle

NEDC New European Driving Cycle

CLTC China Light-duty vehicle Test Cycle

1 前言

隨著“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的提出，新能源汽車的研發(fā)與應(yīng)用凸顯了越來越重要的角色。燃料電池技術(shù)由于其自身的清潔、高效和能量密度大的特點(diǎn)，受到了世界各國(guó)政府和汽車行業(yè)的關(guān)注。在日本，豐田和本田兩大汽車制造商分別研發(fā)出Mirai和Clarity兩款燃料電池汽車，其中豐田Mirai已經(jīng)實(shí)現(xiàn)上市量產(chǎn)[1]；在韓國(guó)，現(xiàn)代公司研發(fā)生產(chǎn)的NEXO燃料電池汽車也具備了全球的領(lǐng)先技術(shù)水平；美國(guó)也于2006年啟動(dòng)了國(guó)家燃料電池公共汽車計(jì)劃，加強(qiáng)對(duì)燃料電池技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用；我國(guó)政府高度重視燃料電池技術(shù)的發(fā)展，制定了“中國(guó)至2050年能源科技發(fā)展路線圖”等一系列政策[2]，濰柴、上汽、廣汽、長(zhǎng)城等國(guó)內(nèi)企業(yè)都在燃料電池汽車技術(shù)的研發(fā)方面進(jìn)行了大量的投入。

本文對(duì)現(xiàn)有燃料電池汽車的能量管理策略和典型車輛能量流測(cè)試進(jìn)行了綜述分析，對(duì)燃料電池汽車能量流的測(cè)試工況和測(cè)評(píng)指標(biāo)進(jìn)行解析，研究?jī)?nèi)容有利于促進(jìn)燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)的研發(fā)與應(yīng)用。

2 FCV動(dòng)力系統(tǒng)方案

燃料電池汽車的動(dòng)力源主要有燃料電池、動(dòng)力電池和超級(jí)電容?，F(xiàn)有的燃料電池汽車動(dòng)力方案主要有以下4種[3]：

（1）燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)作為整車的動(dòng)力來源；

（2）燃料電池和動(dòng)力電池共同作為整車的動(dòng)力來源，即“FC+B”模式[4]；

（3）燃料電池和超級(jí)電容共同為整車提供動(dòng)力，即“FC+C”模式[5]；

（4）燃料電池、動(dòng)力電池和超級(jí)電容一同作為整車的動(dòng)力來源，即“FC+B+C”模式[6-7]。

上述4種驅(qū)動(dòng)模式的結(jié)構(gòu)圖如1所示。

圖1 燃料電池汽車驅(qū)動(dòng)模式結(jié)構(gòu)[8]：

考慮到現(xiàn)有技術(shù)的發(fā)展情況，單純的燃料電池驅(qū)動(dòng)模式受限于燃料電池的工作特性、外部環(huán)境的影響，不能很好的滿足整車行駛過程中的動(dòng)力需求，而超級(jí)電容技術(shù)與燃料電池和動(dòng)力電池相結(jié)合的弊端尚未得到很好的解決。因此，當(dāng)前燃料電池汽車的主流動(dòng)力模式為“燃料電池+動(dòng)力電池”模式。

表1 4種驅(qū)動(dòng)模式的特點(diǎn)

3 FCV能量管理控制策略

目前，燃料電池汽車的控制策略主要分為兩大類[8]：基于規(guī)則的能量管理策略和基于優(yōu)化的能量管理策略?；谝?guī)則的能量管理策略是指通過判斷動(dòng)力電池的SOC狀態(tài)，并結(jié)合車輛行駛過程中的功率需求以確定燃料電池系統(tǒng)的工作狀態(tài)?；趦?yōu)化的能量管理策略是指以整車的等效氫氣消耗量或其它指標(biāo)為優(yōu)化目標(biāo)，通過能量管理策略的優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)氫氣消耗量最小，這種管理策略包括瞬時(shí)優(yōu)化管理策略、全局優(yōu)化管理策略和基于工況的實(shí)時(shí)優(yōu)化管理策略。

在能量管理策略方面，研究學(xué)者進(jìn)行了大量的研究工作。孔巖[9]對(duì)4種燃料電池基本控制策略進(jìn)行了原理分析，并分析了4種策略的改進(jìn)方法。田建國(guó)[10]等通過匹配燃料電池客車動(dòng)力電池的電量和燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)功率跟隨特性，為其公司的某燃料電池客車建立了運(yùn)動(dòng)模式和經(jīng)濟(jì)模式兩種能量管理策略，即大負(fù)荷工況時(shí)增大燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的功率，而中低負(fù)荷下使燃料電池的氫氣消耗量最低，這樣既滿足了中低負(fù)荷下的整車經(jīng)濟(jì)性能，又為大負(fù)荷行駛過程提供了足夠的動(dòng)力，延長(zhǎng)了大負(fù)荷行駛時(shí)間。楊琨[11]等利用Simulink軟件，對(duì)某10.5 m燃料電池客車的動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析，建立了整車氫氣消耗量為優(yōu)化指標(biāo)的能量管理方案。呂沁陽[12]等建立了基于改進(jìn)動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法的能量管理策略，兼顧了整車的經(jīng)濟(jì)性與耐久性，在略微提高整車能耗的條件下，極大地改善了整車的性能的衰退程度。

4 測(cè)試工況及數(shù)據(jù)分析

4.1 測(cè)試工況

我國(guó)現(xiàn)有燃料電池汽車以商用客車類型為主，轎車的研發(fā)款式和類型相對(duì)較少，燃料電池整車的測(cè)試項(xiàng)目尚處于研發(fā)測(cè)試階段。結(jié)合目前整車廠的研發(fā)測(cè)試需求，能量管理的測(cè)試工況主要包括NEDC工況和CLTC工況。每種工況中包括啟停工況、怠速工況、加速工況、減速工況以及高低速工況，不同的工況下，燃料電池整車的能量管理分配策略不同，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)整車性能的優(yōu)化控制。圖2為NEDC和CLTC速度時(shí)間曲線。

圖2 NEDC和CLTC工況速度-時(shí)間曲線

4.2 典型FCEV能量管理分析

如圖3所示，Tomohiro Ogawa[13]等研究了豐田巴士功率分配的設(shè)計(jì)大綱曲線。他們指出，該車輛功率分配的設(shè)計(jì)思路分為3個(gè)階段：

圖3 豐田巴士電力性能設(shè)計(jì)大綱[13]

（1）隨著整車功率需求的增大，燃料電池系統(tǒng)的功率逐漸提高，以滿足車輛動(dòng)力需求，此時(shí)燃料電池電壓逐漸降低，動(dòng)力電池不對(duì)外輸出，SOC狀態(tài)保持不變。隨著燃料電池系統(tǒng)的電壓下降到限定電壓值時(shí)，燃料電池功率保持不變。此時(shí)，整車的額外需求功率由動(dòng)力電池提供，動(dòng)力電池功率輸出逐漸增加。

（2）整車功率需求保持不變，保持最大需求，此時(shí)燃料電池系統(tǒng)的輸出功率和動(dòng)力電池系統(tǒng)的輸出功率保持不變，動(dòng)力電池SOC逐漸降低。

（3）整車功率需求保持不變，動(dòng)力電池SOC過低，小于其最低值。此時(shí)，燃料電池電壓暫時(shí)降低以提高燃料電池功率，進(jìn)而滿足整車需求。

美國(guó)阿貢實(shí)驗(yàn)室[14]對(duì)2017款豐田Mirai燃料電池汽車進(jìn)行了實(shí)車試驗(yàn)。研究了在長(zhǎng)時(shí)間怠速運(yùn)行工況下車輛速度、燃料電池功率、燃料電池電壓、氫氣泵功率、空壓機(jī)功率隨時(shí)間的變化。通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)動(dòng)力電池SOC下降至45.5%時(shí)，該車輛燃料電池開始啟動(dòng)，維持6～10 kW的功率輸出，直至電池SOC充電至50%。之后，隨著氫氣流量的脈沖變化，電堆維持1～2 kW的功率輸出。

此外，國(guó)內(nèi)整車企業(yè)也對(duì)其所研發(fā)的燃料電池乘用車的能量分配進(jìn)行了測(cè)評(píng)。郭溫文[15]等對(duì)一款全功率燃料電池汽車在不同工況下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，研究了該車輛的能量分配策略。測(cè)試結(jié)果表明，該款燃料電池汽車的電堆輸出功率與加速踏板的開度整體呈線性關(guān)系，當(dāng)動(dòng)力電池SOC在54%～60%的范圍時(shí)，電堆輸出功率變小。相關(guān)的數(shù)據(jù)分析可以為燃料電池整車研發(fā)提供一定的依據(jù)。

5 測(cè)評(píng)指標(biāo)

結(jié)合當(dāng)前燃料電池整車廠商的測(cè)試需求以及現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的要求，本文對(duì)基于工況法下燃料電池汽車能量流的測(cè)試評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行了提煉與分析。

（1）燃料電池電堆的電流與電壓：這一指標(biāo)直接反映了車輛燃料電池的技術(shù)水平，二者乘積即為燃料電池的功率，與時(shí)間積分可以得到測(cè)試過程中燃料電池的能量輸出量；

（2）動(dòng)力電池的電流和電壓：考慮到現(xiàn)有燃料電池汽車的技術(shù)發(fā)展水平，整車的動(dòng)力裝置大部分為動(dòng)力電池與燃料電池相結(jié)合的模式。因此，測(cè)試動(dòng)力電池的電流電壓，進(jìn)而去分析動(dòng)力電池的功率大小以及能量輸出是十分必要的。此外，結(jié)合對(duì)燃料電池電堆的電流電壓測(cè)試，分析兩者功率的占比，可以很好地反映車輛在行駛過程中兩種動(dòng)力裝置的功率分配情況，如圖4所示，為某燃料電池汽車NEDC工況測(cè)試期間動(dòng)力電池功率與燃料電池功率之比的變化情況；

圖4 某燃料電池汽車NEDC工況測(cè)試期間動(dòng)力電池功率與燃料電池功率之比曲線

（3）燃料電池汽車主要輔件（包括空壓機(jī)、氫氣循環(huán)泵、空調(diào)系統(tǒng)）以及電驅(qū)的電流電壓：通過對(duì)這一部分電流電壓的測(cè)試，可以對(duì)車輛的能量流分配進(jìn)行更好地分析，得到車輛輔助部件的能量消耗情況，進(jìn)而對(duì)車輛的能量利用率進(jìn)行評(píng)價(jià)。

6 總結(jié)

本文對(duì)燃料電池汽車的驅(qū)動(dòng)模式、能量管理策略、整車測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析研究，對(duì)燃料電池汽車能量流的測(cè)評(píng)指標(biāo)進(jìn)行解析，得到結(jié)論如下：

（1）結(jié)合燃料電池電動(dòng)汽車的技術(shù)水平發(fā)展情況，現(xiàn)行車輛的驅(qū)動(dòng)模式以“燃料電池+動(dòng)力電池”為主要驅(qū)動(dòng)模式；

（2）燃料電池汽車的能量管理策略主要分為基于規(guī)則的能量管理策略和基于優(yōu)化的能量管理策略，兩類策略在車輛控制策略中均進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用；

（3）在燃料電池汽車中，動(dòng)力電池應(yīng)該更多作為動(dòng)力輔助的作用，以促進(jìn)燃料電池技術(shù)的發(fā)展；

（4）基于工況法對(duì)燃料電池汽車能量流進(jìn)行測(cè)評(píng)的主要指標(biāo)有：燃料電池的電流電壓、動(dòng)力電池的電流電壓、整車主要輔件以及電驅(qū)的電流電壓。