白婷
(上海交通大學(xué)機(jī)械工程與動(dòng)力學(xué)院,上海 200240)
汽車給人們現(xiàn)代化的生活提供了極大的方便,同時(shí)也向大氣中排出了大量的有害氣體。近年來(lái),以蓄電池為主要?jiǎng)恿Φ碾妱?dòng)汽車曾是世界各國(guó)研究的熱點(diǎn),但經(jīng)過(guò)多年示范運(yùn)行,由于受蓄電池性能限制及其可能產(chǎn)生的二次污染,這類電動(dòng)汽車前景看淡。以燃料電池為主要?jiǎng)恿Φ男乱淮剂想姵仉妱?dòng)汽車(FCEV)成為世界各大汽車公司競(jìng)相開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品[1]。
燃料電池是一種等溫并直接將儲(chǔ)存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能高效地轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置,也是一種新型的無(wú)污染、無(wú)噪聲、大規(guī)模、大功率和高效率的汽車動(dòng)力和發(fā)電設(shè)備。FCEV作為一種高效、低公害的清潔車輛,被普遍認(rèn)為是解決城市機(jī)動(dòng)車排氣污染的最有效途徑之一[1]。
由于目前FCEV的技術(shù)還不是很成熟,燃料電池電動(dòng)汽車的系統(tǒng)很龐大、復(fù)雜,需要的成本高。在計(jì)算機(jī)技術(shù)十分發(fā)達(dá)、開(kāi)發(fā)商競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈的今天,系統(tǒng)建模和仿真研究更顯重要。建立數(shù)學(xué)模型并應(yīng)用適合的控制策略進(jìn)行仿真分析,不僅便于靈活地調(diào)整設(shè)計(jì)方案,優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù),而且可以降低科研費(fèi)用,縮短開(kāi)發(fā)周期。因此為了更好地研究FCEV的整車性能從而設(shè)計(jì)真正的FCEV,對(duì)它的仿真研究就顯得非常必要[2]。
文中的建模與仿真工作是在MATLAB的仿真工具箱SIMULINK中完成的。SIMULINK是一個(gè)用來(lái)對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析的軟件包,它支持連續(xù)、離散及兩者混合的線性和非線性系統(tǒng),同時(shí)它也支持具有多種采樣速率的多速率系統(tǒng)[7]。
作者按照FCEV的真實(shí)物理系統(tǒng)對(duì)各個(gè)部件模型進(jìn)行連接,搭建了FCEV的系統(tǒng)模型,并根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)選取了適合的模型參數(shù)。最后,進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn),檢驗(yàn)了FCEV系統(tǒng)部件模型的動(dòng)態(tài)特性以及應(yīng)用于系統(tǒng)模型上的控制策略的正確性,為今后研制真正的FCEV及其控制器提供了仿真基礎(chǔ)。
作者對(duì)FCEV的控制策略進(jìn)行仿真研究,主要包括對(duì)汽車駕駛的控制(油門、剎車信號(hào));對(duì)交流異步電動(dòng)機(jī)的控制(包括再生制動(dòng));在混合動(dòng)力方式下,對(duì)燃料電池與蓄電池協(xié)調(diào)運(yùn)行的控制[8]?;诋惒诫妱?dòng)機(jī)的物理模型,把傳統(tǒng)的摩擦制動(dòng)和再生制動(dòng)結(jié)合起來(lái),實(shí)現(xiàn)了對(duì)FCEV再生制動(dòng)功能的仿真。而把功率總線作為FCEV系統(tǒng)的一個(gè)部件進(jìn)行建模,更加接近于實(shí)際的控制器,從而有利于今后實(shí)現(xiàn)真正的FCEV控制器[3,6]。
首先需要建立FCEV系統(tǒng)模型。按照部件模型的接口描述,將各個(gè)部件模型進(jìn)行連接和分層,分別構(gòu)建駕駛控制子系統(tǒng)、機(jī)械傳動(dòng)子系統(tǒng)、電力系統(tǒng)子系統(tǒng)。各個(gè)子系統(tǒng)及其構(gòu)成的整個(gè)FCEV系統(tǒng)的SIMULINK模型圖如圖1—4所示。
系統(tǒng)模型構(gòu)建好以后,要選取每個(gè)部件模型的參數(shù),使各個(gè)部件模型相互匹配,從而整個(gè)FCEV系統(tǒng)仿真可以協(xié)調(diào)運(yùn)行。該仿真模型以某公司的概念車以及部分廠家的部件模型參數(shù)為參照,為了達(dá)到最高時(shí)速140 km/h、從0~80 km/h加速的時(shí)間小于10 s、以90 km/h的車速行駛的續(xù)駛里程大于400 km的設(shè)計(jì)目標(biāo),需要選取最大輸出功率55 kW的交流異步電機(jī),同時(shí)燃料電池最大的輸出功率為30 kW,蓄電池有2000 A·h的容量。各個(gè)模型參數(shù)的選取如下[4]。
車身模型參數(shù)的選取見(jiàn)表1。
表1 車身模型參數(shù)的選取
交流異步電機(jī)模型參數(shù)的選取見(jiàn)表2。
表2 交流異步電機(jī)模型參數(shù)的選取
蓄電池模型參數(shù)的選取見(jiàn)表3。
表3 蓄電池模型參數(shù)的選取
燃料電池模型參數(shù)的選取見(jiàn)表4。
表4 燃料電池模型參數(shù)的選取
為了驗(yàn)證該FCEV模型的駕駛性能,把系統(tǒng)模型中的駕駛循環(huán)和駕駛員模型去掉,在程序中設(shè)置駕駛控制模型使得FCEV滿功率運(yùn)行,并設(shè)定蓄電池的SOC范圍為0.65~0.80,初始SOC為0.79,來(lái)考察模型的最大車速[5]、最大車速下的續(xù)駛里程、蓄電池SOC變化及加速性等性能指標(biāo),仿真結(jié)果分別如圖5—7所示。
該次實(shí)驗(yàn)的仿真時(shí)間為6219 s,折合為1 h 44 min(1.73 h),在這個(gè)過(guò)程中,F(xiàn)CEV經(jīng)歷了從燃料電池和蓄電池都供電的最大功率開(kāi)始加速,由于蓄電池的關(guān)閉而切換到單獨(dú)由燃料電池供電運(yùn)行,到最后燃料電池的燃料耗盡而滑行減速至停車的過(guò)程。
經(jīng)歷了1 h 44 min,F(xiàn)CEV的行駛里程為244.8 km,最高車速達(dá)到165 km/h,燃料電池單獨(dú)工作可達(dá)到的最高車速為142 km/h,從0~80 km/h加速的時(shí)間為8.6 s,數(shù)據(jù)表明該FCEV仿真模型的加速性及最高車速達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)的要求。另外,從圖5可以看出:從啟動(dòng)至行駛0.2 h左右的過(guò)程中,燃料電池與蓄電池共同提供電功率,因此,汽車很快就加速到最高車速165 km/h;在行駛0.2 h左右以后,由于蓄電池的SOC降到了功率總線控制策略要求的最小SOC(0.65),蓄電池停止提供電功,SOC不再下降,此時(shí)完全由燃料電池提供電功,因此,車速開(kāi)始減小并維持在142 km/h左右[5]。
為了檢測(cè)FCEV在不同車速下的續(xù)駛里程,可以進(jìn)行多次仿真實(shí)驗(yàn)分析FCEV在哪個(gè)車速下可以達(dá)到最大續(xù)駛里程,從而提高燃料的利用效率。
取間隔為10 km/h,在50~120 km/h的車速下進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn),計(jì)算該FCEV仿真模型在相應(yīng)車速下的續(xù)駛里程,對(duì)各個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行曲線擬合,得到了反映“車速-續(xù)駛里程”關(guān)系的曲線,如圖8所示。可以看出:當(dāng)車速為60 km/h時(shí),F(xiàn)CEV的續(xù)駛里程可以達(dá)到585 km,超過(guò)了設(shè)計(jì)目標(biāo)。
以上的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明該FCEV模型滿足設(shè)計(jì)目標(biāo),而且初步驗(yàn)證了功率總線控制策略的正確性。
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【4】梁龍,張欣,李國(guó)岫.混合動(dòng)力電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用[J].汽車工程,2001,23(2):113 -116.
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