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(wú)污染燃料受到了越來(lái)越多的關(guān)注。氫燃料電池是通過(guò)電化學(xué)作用直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，被認(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(chē)具有清潔無(wú)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(chē)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(lái)為車(chē)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(chē)整車(chē)能量管理系統(tǒng)是燃料電池汽車(chē)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(chē)在安全前提下的功率需求，滿(mǎn)足車(chē)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(guò)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(chē)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(chē)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(chē)輛行駛控制中至關(guān)重要，通過(guò)對(duì)駕駛意圖的判斷，可以初步得到駕駛過(guò)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(chē)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(shuō)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(chē)速共同來(lái)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(chē)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(kāi)始持續(xù)充電，直到SOC超過(guò)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(chē)輛行駛過(guò)程中主要用來(lái)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(chē)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(guò)高時(shí)，為防止放電功率過(guò)大，損傷電池，需要對(duì)動(dòng)力電池充放電過(guò)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(guò)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(chē)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(chē)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(chē)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(guò)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(chē)在20s內(nèi)車(chē)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(kāi)始提供功率。但由于燃料電池輸出的滯后性，無(wú)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(chē)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(guò)剩功率。8～9s處，駕駛員有減速意圖，燃料電池過(guò)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(mǎn)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(wú)法再滿(mǎn)足所需扭矩。在16s后，制動(dòng)信號(hào)為80%，說(shuō)明駕駛員有制動(dòng)意圖，整車(chē)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?chē)輪驅(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(chē)，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(chē)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(mǎn)足車(chē)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(chē)功率分配問(wèn)題提供指導(dǎo)。