麻勝南,金 薄,于秋曄,張彬彬

(中國(guó)汽車技術(shù)研究中心有限公司,天津 300300)

0 引言

燃料電池具有發(fā)電效率高、能量密度高、燃料加注時(shí)間短和零污染排放等優(yōu)點(diǎn),但功率響應(yīng)性能較差,而且啟動(dòng)過程需要外部電源提供動(dòng)力。動(dòng)力電池雖然能量密度較低,但功率響應(yīng)快。發(fā)揮燃料電池與動(dòng)力電池兩者優(yōu)勢(shì),將兩者進(jìn)行混合驅(qū)動(dòng)的新型汽車被認(rèn)為是未來理想的汽車構(gòu)型[1]。燃料電池車輛雙動(dòng)力源的存在使得能量管理控制策略顯得尤為重要[2]。所以制定合理、有效的控制策略將整車的需求功率在兩個(gè)動(dòng)力源之間進(jìn)行最佳分配是提高整車動(dòng)力性和燃料經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵[3]。

本文以混合動(dòng)力系統(tǒng)為基礎(chǔ),針對(duì)燃料電池汽車動(dòng)力系統(tǒng)制定“燃料電池-動(dòng)力電池”功率分配策略,應(yīng)用Modelica語言搭建整車模型,研究能量管理策略對(duì)燃料電池汽車燃油經(jīng)濟(jì)性的影響。此外,本文還將仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證了模型的可行性與正確性。

1 燃料電池模型描述

1.1 混合動(dòng)力系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

“燃料電池—?jiǎng)恿﹄姵亍被靹?dòng)系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。當(dāng)前,燃料電池單電池的輸出電壓在0.6～0.8 V,受限于發(fā)動(dòng)機(jī)艙的尺寸和電堆一致性的要求,整個(gè)電堆的單電池?cái)?shù)一般小于400片。因此,整個(gè)電堆的對(duì)外輸出電壓并不滿足燃料電池輔助系統(tǒng)設(shè)備的高電壓要求。另外,為了實(shí)現(xiàn)燃料電池與動(dòng)力電池的電壓匹配,也需要對(duì)燃料電池輸出電壓進(jìn)行升壓。為了提高輸出電壓,一般在燃料電池電堆輸出端連接DC/DC變換器進(jìn)行升壓處理[4]。

圖1 燃料電池整車架構(gòu)

因?yàn)镈C/DC輸出端的電壓一般保持在恒定值,所以功率控制單元(PCU)可以通過DC/DC輸出電流來控制燃料電池的輸出功率,實(shí)現(xiàn)燃料電池與動(dòng)力電池的功率分配。本文所研究的混合動(dòng)力系統(tǒng)以燃料電池為主動(dòng)力源,并輔以動(dòng)力電池。在大多數(shù)情況下,單獨(dú)由燃料電池為車輛供電,但當(dāng)車輛所需的功率大于燃料電池的最大輸出功率時(shí),動(dòng)力電池提供額外的功率作為補(bǔ)充。當(dāng)車輛所需功率小于燃料電池的最大輸出功率時(shí),燃料電池可根據(jù)電池的SOC狀態(tài)來確定是否為動(dòng)力電池進(jìn)行充電。當(dāng)車輛所需的功率小于燃料電池的最小輸出功率時(shí),動(dòng)力電池提供所有的輸出功率,以保護(hù)燃料電池不受損壞。為了提高能量使用效率,在混動(dòng)系統(tǒng)中增加了能量回收環(huán)節(jié),通過對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行充電實(shí)現(xiàn)制動(dòng)過程中的能量回收。

汽車在行駛方向上受到的驅(qū)動(dòng)力和行駛阻力決定了汽車的運(yùn)動(dòng)特性,汽車在行駛方向上的受力情況如圖2所示,其中汽車行駛的受力方程式為[5]:

圖2 整車縱向力學(xué)示意

式中:CrGcosα為整車所受的摩擦力(N),Cr是整車的滾阻,G是整車的重力(N),α是坡度大小(rad);0.5ρCDAv2為整車的風(fēng)阻(N),ρ為空氣密度(kg/m3),CD是空氣阻力系數(shù),A是車輛迎風(fēng)面積(m2);Gsinα為整車爬坡阻力(N);mdv/dt為整車的加速阻力(N),m是汽車的質(zhì)量(kg),v是車速(m/s)。

整車動(dòng)力學(xué)模型主要根據(jù)輪胎接地點(diǎn)的受力平衡計(jì)算整車牽引力的大小,利用迭代的方法計(jì)算整車的加速度,進(jìn)而逐步積分計(jì)算整車的速度。需求驅(qū)動(dòng)力與平均速度的乘積就是驅(qū)動(dòng)車輪行駛的需求功率[6]。

1.2 燃料電池模型建模

質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)是當(dāng)前普遍應(yīng)用于乘用車和商用車的一種燃料電池。質(zhì)子交換膜燃料電池在工作中受“水-氣-熱-電-力”綜合影響,工作狀態(tài)十分復(fù)雜。為確保燃料電池在運(yùn)行過程中處于安全、可靠、高效的工作狀態(tài),需要對(duì)燃料電池進(jìn)行性能試驗(yàn)[7]。利用試驗(yàn)獲得的燃料電池性能最優(yōu)結(jié)果,完成燃料電池模型的建模。

燃料電池電堆功率的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下:

N代表電堆內(nèi)單電池?cái)?shù)量,Istack代表電堆的輸出電流(A),Vcell代表當(dāng)前電流下電堆內(nèi)單電池的平均電壓(V),該數(shù)據(jù)由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)試得到。

在燃料電池系統(tǒng)中,氫氣的消耗量和電堆輸出電流之間的關(guān)系可用式表示:

式中:fH2表示燃料電池系統(tǒng)的氫氣流量(kg/s);MH2表示氫氣的摩爾質(zhì)量(kg/mol);F代表法拉第常數(shù)

(96 485 C/mol)。

1.3 動(dòng)力電池模型建模

燃料電池汽車一般采用鋰離子電池作為其輔助電源。動(dòng)力電池直接并聯(lián)在電源母線上,其工作狀態(tài)直接影響母線的電壓。本文采用Rint等效電路原理搭建動(dòng)力電池模型,電池單體輸出電壓由其開路電壓、內(nèi)阻及輸出電流決定,而電池組的輸出電壓由單體輸出電壓及單體個(gè)數(shù)決定。動(dòng)力電池SOC狀態(tài)由其額定容量、電荷量及時(shí)間決定[8]。

式中:IBAT為電池包輸出電流;V為電池包兩端電壓;R為電池包的內(nèi)阻;PBAT為需求功率。

式中:SOC0,SOCt分別為電池初始SOC和t時(shí)刻的SOC;IBAT為電池的電流;QBAT為電池額定容量。

1.4 燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)能量管理策略

能量管理模塊根據(jù)車輛的功率需求、動(dòng)力電池SOC狀態(tài)、燃料電池狀態(tài)及駕駛員的駕駛意圖,實(shí)現(xiàn)燃料電池與動(dòng)力電池之間合理的功率分配。功率跟隨型的能量管理策略,如圖3所示。其中,Pfc為燃料電池目標(biāo)輸出功率,Pbat為動(dòng)力電池輸出功率,Pfc實(shí)際為燃料電池實(shí)際輸出功率,Pfc-min為燃料電池最小輸出功率,Pfc-max為燃料電池最大輸出功率,Elow為動(dòng)力電池SOC存儲(chǔ)低點(diǎn),Ehigh動(dòng)力電池SOC存儲(chǔ)高點(diǎn)。此版策略以燃料電池的輸出為主來滿足整車的需求功率。

圖3 功率跟隨型整車能量管理策略

1.5 整車模型搭建

在AUTOsim模擬仿真軟件中構(gòu)建“燃料電池-動(dòng)力電池”混合動(dòng)力系統(tǒng)模型并進(jìn)行仿真如圖4所示。對(duì)上文提出的控制策略進(jìn)行驗(yàn)證及評(píng)價(jià),驗(yàn)證其可否滿足車輛動(dòng)力需求。

圖4 整車能量流仿真模型

另外,在仿真的同時(shí),監(jiān)測(cè)燃料電池和動(dòng)力電池的工作狀態(tài)。動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性仿真結(jié)果如表1所示。

表1 動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性仿真結(jié)果

2 結(jié)果與討論

本研究采用新歐洲駕駛循環(huán)(New Europeandriving Cycle,NEDC)作為測(cè)試條件。NEDC由4個(gè)市區(qū)工況(UDC)和1個(gè)市郊工況(EUDC)組成,包括了加速、減速、怠速和勻速4種運(yùn)行狀態(tài),能夠真實(shí)反映車輛在實(shí)際道路上的運(yùn)行情況,因此本研究采用NEDC工況作為試驗(yàn)測(cè)試條件。圖5顯示了車輛速度和運(yùn)行時(shí)間之間的相關(guān)關(guān)系。觀察可知,基于PID控制的混合動(dòng)力系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)模型以及能量匹配與控制,能夠滿足NEDC循環(huán)工況下的速度和加速度要求,具備作為下一階段研究的條件。

圖5 NEDC工況曲線

設(shè)定動(dòng)力電池初始SOC為45%,燃料電池初始電壓為107.77 V。圖6為車輛運(yùn)行NEDC工況過程中燃料電池、動(dòng)力電池和電機(jī)的運(yùn)行功率變化情況。通過數(shù)據(jù)可知,整車在加速時(shí)燃料電池功率隨之變大,以滿足整車功率需求;當(dāng)整車需求功率為零時(shí),由于SOC低于50%,因此燃料電池工作為動(dòng)力電池充電,提高其SOC,使其滿足后續(xù)的使用要求。當(dāng)整車剎車時(shí),燃料電池停止對(duì)外輸出,動(dòng)力電池回收制動(dòng)能量。根據(jù)整車各關(guān)鍵部件的功率響應(yīng)分析,可以發(fā)現(xiàn)本文所采用的模型完整復(fù)現(xiàn)了整車能量管理策略。

圖6 NEDC工況下燃料電池/電池/電機(jī)功率

為了指導(dǎo)能量管理策略的優(yōu)化方向,AUTOsim軟件還具備能量流分析后處理功能。本文通過運(yùn)行10個(gè)NEDC工況對(duì)整車能量流進(jìn)行分析,能量損失較大的為燃料電池及輔助系統(tǒng)消耗、電池?fù)p耗及發(fā)動(dòng)機(jī)損耗,如圖7所示。為有效降低整車的氫耗,因此可以針對(duì)多方面進(jìn)行調(diào)優(yōu),例如整車能量管理策略改變,零部件優(yōu)化等,如圖8所示。

圖7 整車能量流

圖8 不同能量管理策略下的SOC變化

為了驗(yàn)證仿真模型的準(zhǔn)確性,作者根據(jù)燃料電池混合動(dòng)力汽車工作特點(diǎn),搭建了整車試驗(yàn)臺(tái)架,如圖9所示?；诖罱ǖ恼囋囼?yàn)臺(tái)架進(jìn)行NEDC工況試驗(yàn),采集了整車實(shí)際運(yùn)行工況下的燃料電池功率輸出數(shù)據(jù)。將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理,通過將實(shí)驗(yàn)及仿真結(jié)果曲線對(duì)比,可以發(fā)現(xiàn)仿真模型在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的輸出功率結(jié)果與真實(shí)測(cè)試的燃料電池功率輸出結(jié)果基本吻合,如圖10所示。由于燃料電池模型中暫未搭建燃料電池所匹配的BOP附件模型,因此對(duì)整車功率響應(yīng)的瞬態(tài)變化仿真的精度較低。下一步,可通過將燃料電池BOP與電堆組合,搭建燃料電池系統(tǒng)來提高仿真精度,實(shí)現(xiàn)全工況下的仿真與試驗(yàn)結(jié)果的高精度匹配。

圖9 測(cè)試設(shè)備

圖10 測(cè)試及仿真結(jié)果對(duì)比

3 結(jié)語

本文基于Modelica語言開發(fā)了動(dòng)力總成零部件模型庫,搭建了整車模型并進(jìn)行了仿真計(jì)算。結(jié)果表明,制定的“燃料電池-動(dòng)力電池”功率分配策略能使混合動(dòng)力系統(tǒng)完成NEDC工況測(cè)試,分析了該工況下的整車能量流,為改善汽車燃油經(jīng)濟(jì)性提供策略優(yōu)化路徑。同時(shí)搭建了整車實(shí)驗(yàn)臺(tái)架,采集了整車實(shí)際運(yùn)行的數(shù)據(jù),仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合性較好,驗(yàn)證了所建模型的可行性與正確性,為其他構(gòu)型的混合動(dòng)力系統(tǒng)開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。