吳詩(shī)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(yǔ)
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
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(lái)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。
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(lái)源;
(2)燃料電池和動(dòng)力電池共同作為整車的動(dòng)力來(lái)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(lái)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(guò)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)
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(guò)判斷動(dòng)力電池的SOC狀態(tài),并結(jié)合車輛行駛過(guò)程中的功率需求以確定燃料電池系統(tǒng)的工作狀態(tài)。基于優(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(guò)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(guò)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(guò)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(yáng)[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。
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
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(guò)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(guò)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(kāi)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(kāi)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)。
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(guò)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(guò)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(guò)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)。
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。