趙天宇，陳 東，霍為煒,2，孫 超，任 強(qiáng)

(1.北京信息科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，北京 100192；2.新能源汽車北京實(shí)驗(yàn)室，北京 100192；3.北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081；4.廣州汽車集團(tuán)股份有限公司，廣州 510623)

隨著全球環(huán)境問題和能源危機(jī)加重，各國對(duì)新能源汽車的研究日益增加，氫燃料電池汽車因其節(jié)能、高效、零排放等優(yōu)點(diǎn)備受關(guān)注。針對(duì)氫燃料電池動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度慢、無法進(jìn)行制動(dòng)回收、系統(tǒng)壽命低且更換成本高等缺陷[1]，匹配復(fù)合電源系統(tǒng)作為燃料電池汽車動(dòng)力源并建立提高氫燃料電池汽車經(jīng)濟(jì)性和使用壽命的能量管理策略顯得尤為重要。

目前，大部分研究人員對(duì)氫燃料電池汽車經(jīng)濟(jì)性和使用壽命的研究多集中于動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化匹配和控制策略開發(fā)[2-4]。劉世闖等[5]提出一種大功率燃料電池有限保護(hù)控制策略，在滿足整車動(dòng)力性前提下，提高燃料電池系統(tǒng)的使用壽命。甘銳等[6]提出優(yōu)化燃料電池效率區(qū)間控制策略，根據(jù)車輛不同行駛狀態(tài),有效降低氫氣消耗量。Zheng等[7]提出基于PMP能量管理策略，并引入成本函數(shù)，有效提高了燃料電池的使用壽命。Ettihir等[8]基于自適應(yīng)最小二乘法在線辨識(shí)燃料電池最佳工作點(diǎn)，提高燃料電池經(jīng)濟(jì)性。

1 燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)建模

本文研究的某款氫燃料電池客車主要由氫燃料電池電堆、鋰離子動(dòng)力電池組、永磁同步驅(qū)動(dòng)電機(jī)、主減速器、車輪和車上其余部件的耗能電阻組成[9-10]。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇間接型氫燃料電池系統(tǒng)[11]，動(dòng)力系統(tǒng)仿真模型如圖1所示。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中氫燃料電池通過單向DC-DC升壓變換器與母線電壓等級(jí)進(jìn)行匹配，使氫燃料電池的功率輸出與系統(tǒng)直流母線的電壓不再有耦合關(guān)系，同時(shí)DC-DC變換器將直流母線的電壓維持在電機(jī)系統(tǒng)最適宜的值，從而提高氫燃料電池系統(tǒng)效率。

圖1 氫燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)仿真模型框圖

2 動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)匹配

利用氫燃料電池和鋰離子動(dòng)力電池組成的復(fù)合電源系統(tǒng)為整車提供動(dòng)力，根據(jù)汽車最高車速、加速時(shí)間和最大爬坡度確定整車最高需求功率，進(jìn)而選擇永磁同步電機(jī)型號(hào)和燃料電池的峰值功率。整車及其部件參數(shù)如表1所示。

表1 整車及其部件參數(shù)

3 氫燃料電池工作特性

氫燃料電池存在最佳工作效率區(qū)間：該區(qū)間具有能量轉(zhuǎn)化率高、氫消耗低、熱損耗小等優(yōu)點(diǎn)。因此，燃料電池輸出功率處于最佳工作區(qū)間對(duì)提高能量利用率和延長氫燃料電池壽命具有重要意義。常見氫燃料電池電流密度與電堆效率的關(guān)系如圖2所示。

圖2 氫燃料電池電流密度與電堆效率的關(guān)系圖

氫燃料電池0.5～0.8 V是單體電池的最佳效率區(qū)間，對(duì)應(yīng)的電流密度為600～1 500 mA/cm2，面功率密度為300～1 200 mW/cm2。電流密度較小時(shí)，滲氫損耗是能量損耗的主要形式，而面功率密度較大時(shí)，氫燃料電池內(nèi)部損耗主要為活化極化、歐姆極化和濃差極化[12]。由圖2可知，當(dāng)氫燃料電池的電流密度為300～1 500 mA/cm2時(shí)，電堆效率為45%～65%，氫燃料電池處于最佳工作效率區(qū)間[13-14]。

圖3 85 kW氫燃料電池RUL與輸出功率的關(guān)系曲線

由圖2中的氫燃料電池的電堆效率可計(jì)算出圖3中的85 kW氫燃料電池模型最佳效率工作區(qū)間的輸出功率，即當(dāng)電堆的輸出功率處于38～55 kW時(shí)，氫燃料電池處于最佳效率工作區(qū)間，壽命最長；當(dāng)輸出功率在其他區(qū)間時(shí)，氫燃料電池的壽命縮短。剩余使用壽命(remaining useful life，RUL)是由電堆本身的特性決定的[15-18]，受到多種因素的影響，如輸出功率范圍的波動(dòng)、制造工藝、工作環(huán)境等，是一個(gè)比較復(fù)雜且與多種因素相互關(guān)聯(lián)的問題。

4 基于邏輯控制的能量管理系統(tǒng)

4.1 功率跟隨能量管理策略

氫燃料電池混合動(dòng)力汽車主要有4種工作模式：

1) 啟動(dòng)模式。氫燃料電池的啟動(dòng)需要經(jīng)過預(yù)熱狀態(tài)，鋰離子動(dòng)力電池為整車提供能量。

2) 正常行駛狀態(tài)。根據(jù)鋰離子動(dòng)力電池SOC值，判斷氫燃料電池的工作模式。

3) 巡航模式。根據(jù)汽車需求功率，判斷鋰離子動(dòng)力電池的工作模式。

4) 減速制動(dòng)模式。當(dāng)汽車進(jìn)行減速制動(dòng)時(shí)，鋰離子動(dòng)力電池進(jìn)行制動(dòng)回收。

4.2 模糊控制器設(shè)計(jì)

基于微小變量模糊控制策略，使氫燃料電池工作在最佳壽命區(qū)域內(nèi)，避免燃料電池的頻繁啟停，同時(shí)保證鋰電池SOC在一個(gè)較高值范圍內(nèi)波動(dòng)。本文設(shè)計(jì)了一個(gè)雙輸入和單輸出的模糊控制器，將整車需求功率Preq和鋰離子動(dòng)力電池 SOC作為模糊控制器的輸入量，氫燃料電池需求功率Pfc作為模糊控制器的輸出量。模糊邏輯規(guī)則如表2所示。

表2 模糊邏輯規(guī)則

基于中國典型公交工況，整車需求功率Preq隸屬度函數(shù)的論域?yàn)閇0，203]，鋰離子動(dòng)力電池SOC的論域?yàn)閇0，1]，氫燃料電池需求功率Pfc隸屬度函數(shù)的論域?yàn)閇0，85]。分別將Preq、SOC、Pfc劃分為5個(gè)子集，即Preq=[VS S M B VB]，SOC=[VS S M B VB]，Pfc=[VS S M B VB]。

5 仿真結(jié)果與對(duì)比分析

運(yùn)用Matlab-Simulink和AVL-Cruise對(duì)設(shè)計(jì)的氫燃料電池汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)模型進(jìn)行仿真驗(yàn)證?；谥袊湫统鞘泄还r(CCBC)，鋰電池初始SOC設(shè)定為60%。車輛處于滿載情況下，為提高數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性進(jìn)行連續(xù)4次CCBC工況的行駛，仿真得到功率跟隨策略和模糊控制策略下氫燃料電池輸出功率的曲線分布。由圖4可知，在模糊控制策略下，氫燃料電池輸出功率穩(wěn)定在43 kW左右，處于最佳效率工作區(qū)間。氫燃料電池高效工作1 861 s，高效工作時(shí)間占總工作時(shí)間的71.01%。在功率跟隨策略下，氫燃料電池高效工作688 s，高效工作時(shí)間占總工作時(shí)間的27.3%。與功率跟隨策略相比，模糊控制策略下氫燃料電池高效工作時(shí)間增加了44.61%，在高效工作區(qū)間穩(wěn)定輸出，使用壽命得到明顯提高。

圖4 功率跟隨策略和模糊控制策略下氫燃料電池輸出功率曲線

為了保證氫燃料電池在高效工作區(qū)間穩(wěn)定工作，通過鋰電池的快速響應(yīng)滿足整車需求功率的瞬時(shí)大幅波動(dòng)。由圖5可知，在功率跟隨策略下，鋰離子電池輸出功率高于55 kW的時(shí)間為239 s，占鋰離子電池功率輸出工作時(shí)間的2.94%；在模糊控制策略下，鋰離子電池輸出功率高于55 kW的時(shí)間為862 s，占鋰離子電池功率輸出工作時(shí)間的9.48%。由以上數(shù)據(jù)可知，鋰離子電池在模糊控制策略下能夠減少氫燃料電池功率的大幅波動(dòng)，從而增加氫燃料電池的使用壽命。

由圖4和圖5共同分析可知，當(dāng)整車瞬時(shí)需求功率大幅波動(dòng)時(shí)，需要鋰電池和氫燃料電池系統(tǒng)配合使用。在本文提出的模糊控制策略下，通過鋰電池快速響應(yīng)大部分功率波動(dòng)，使氫燃料電池在最佳工作效率區(qū)間保持功率輸出穩(wěn)定，避免氫燃料電池頻繁啟停和時(shí)常處于峰值功率輸出，提高氫燃料電池的使用壽命[18]。

圖5 功率跟隨策略和模糊控制策略下鋰電池輸出功率曲線

圖6為功率跟隨策略和模糊控制策略下鋰電池SOC變化曲線。通過圖6分析可知，模糊控制策略下，鋰離子動(dòng)力電池SOC從80%下降到60%用時(shí)1 275 s；功率跟隨策略下，鋰離子動(dòng)力電池SOC從80%下降到60%用時(shí)2 040 s。根據(jù)兩者控制策略條件下SOC變化曲線得到，在模糊控制策略下，鋰離子動(dòng)力電池放電速度提高37.5%，由此可以說明，相同時(shí)間內(nèi)，模糊控制策略下，鋰離子動(dòng)力電池動(dòng)態(tài)響應(yīng)整車需求功率的速度要優(yōu)于功率跟隨策略控制條件，從而減少氫燃料電池功率大幅度波動(dòng)，以增加氫燃料電池系統(tǒng)的使用壽命。

圖6 功率跟隨策略和模糊控制策略下鋰電池SOC變化曲線

圖7為功率跟隨策略和模糊控制策略下氫燃料電池的氫氣消耗量變化曲線。氫燃料電池客車經(jīng)過4次CCBC循環(huán)，共行駛30.97 km。由圖7可知，在模糊控制策略下，系統(tǒng)氫氣消耗量為2.254 kg；在功率跟隨策略下，系統(tǒng)氫氣消耗量為2.441 kg。通過以上數(shù)據(jù)分析可知，本文提出的模糊控制策略相比于功率跟隨策略，系統(tǒng)氫氣消耗量降低了7.8%，氫燃料電池的經(jīng)濟(jì)性得到明顯提高。

圖7 功率跟隨策略和模糊控制策略下氫燃料電池的氫氣消耗量曲線

6 結(jié)論

通過整車系統(tǒng)動(dòng)力性參數(shù)匹配復(fù)合電源，并結(jié)合功率跟隨和模糊控制原理與結(jié)構(gòu)，分別設(shè)計(jì)了氫燃料電池汽車能量管理策略。通過對(duì)汽車能量流動(dòng)分析建立模糊控制規(guī)則。運(yùn)用Matlab-Simulink和AVL-Cruise的聯(lián)合仿真，并與傳統(tǒng)功率跟隨策略對(duì)比，得出以下結(jié)論：

1) 基于4次CCBC循環(huán)工況，模糊控制策略下，氫燃料電池百公里氫耗為7.28 kg，相比于功率跟隨策略下，氫耗量降低7.8%。

2) 模糊控制策略下的氫燃料電池穩(wěn)定輸出在43 kW左右，基于氫燃料電池響應(yīng)速度慢，將功率波動(dòng)的快速響應(yīng)交給鋰電池，有助于提高氫燃料電池能量利用率。在模糊控制策略下，氫燃料電池高效工作1 861 s，高效工作時(shí)間占總工作時(shí)間的71.01%；在功率跟隨策略下，氫燃料電池高效工作688 s，高效工作時(shí)間占總工作時(shí)間的27.3%。模糊控制策略下，氫燃料電池在最佳效率區(qū)間的工作時(shí)間提高了44.61%，有助于增加氫燃料電池的壽命，降低燃料電池更換成本。