白婷

(上海交通大學(xué)機(jī)械工程與動(dòng)力學(xué)院，上海 200240)

0 前言

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］。

1 仿真模型的建立

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。

2 仿真參數(shù)的選取

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

3 仿真結(jié)果與分析

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)。

4 結(jié)論

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。

【1】徐曉玲，張秋埜．燃料電池汽車技術(shù)的發(fā)展［J］．能源工程，2001(2):24－26．

【2】劉翔海．燃料電池及其相關(guān)技術(shù)在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用研究［J］．汽車工業(yè)研究，2001(9):25－28．

【3】王子杰，黃妙華，鄧亞?wèn)|．EV再生制動(dòng)系統(tǒng)的建模與仿真［J］．武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，23(4):102 －105．

【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．

【5】朱元，韓曉東，田光宇．電動(dòng)汽車動(dòng)力電池SOC預(yù)測(cè)技術(shù)研究［J］．電源技術(shù)，2000(3):153 －156．

【6】陳堅(jiān)．交流電機(jī)數(shù)學(xué)模型及調(diào)速系統(tǒng)［M］．北京:國(guó)防工業(yè)出版社，1989:10 －15．

【7】單成信．汽車?yán)碚摶A(chǔ)［M］．北京:人民交通出版社，1990:17－25．

【8】米奇克 M．汽車動(dòng)力學(xué)［M］．2版．北京:人民交通出版社，1999:7－18．