覃記榮，徐小紅，郭 葵，馬秋香，馮高山，鄭偉光

(1.東風(fēng)柳州汽車有限公司，廣西 柳州 545005；2.桂林電子科技大學(xué)，廣西 桂林 541004)

1 概述

為減少對傳統(tǒng)化石能源的依賴以緩解能源危機(jī)和溫室效應(yīng)問題，開發(fā)新型替代能源已成為各國政府及企業(yè)的共識。在交通運(yùn)輸行業(yè)，隨著汽車保有量的迅速上升，車輛的新能源化已成為當(dāng)前行業(yè)的重點[1-3]。

車輛的新能源化主要可劃分為三個方向：①對傳統(tǒng)車輛的改進(jìn)。通常的手段是為車輛加裝儲能裝置(如動力電池或超級電容)，提升發(fā)動機(jī)運(yùn)行效率和制動能量回收率，以達(dá)到節(jié)能減排的目的。其典型代表是各種形式的混合動力汽車，目前該項技術(shù)較為成熟，但依舊無法完全避免空氣污染的問題，故通常被認(rèn)為是一種過渡技術(shù)。②車輛純電動化。該方法將動力電池作為車輛的唯一能量源，通過動力電池-驅(qū)動電機(jī)-機(jī)械驅(qū)動裝置的連接實現(xiàn)車輛的正常行駛，同時電機(jī)的特性使該構(gòu)型也能實現(xiàn)制動能量回收。該構(gòu)型的典型代表是純電動汽車，從原理來看，純電動汽車對環(huán)境友好、能源利用率高，但受限于動力電池較差的溫度適應(yīng)性和較低的能量密度，該構(gòu)型在大載重、長續(xù)航的應(yīng)用場景下發(fā)展緩慢。③車輛燃料電池化。該方法采用燃料電池代替?zhèn)鹘y(tǒng)車輛的發(fā)動機(jī)，同時，為了彌補(bǔ)燃料電池輸出特性較軟的缺陷，通常會匹配一個儲能裝置(如動力電池或超級電容)作為附加動力源，形成燃料電池、動力電池、超級電容的混合驅(qū)動結(jié)構(gòu)。相較于其他構(gòu)型，燃料電池汽車驅(qū)動效率高，對環(huán)境無污染，續(xù)航里程長，燃料加注時間短，但當(dāng)前氫能產(chǎn)業(yè)還處于起步階段，燃料電池的廣泛應(yīng)用還有待于氫能產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。商用車通常會面臨大載重、長續(xù)航的應(yīng)用場景，此外，較大的車輛空間也為燃料電池系統(tǒng)提供了更加靈活的配置方式。因此，在當(dāng)前交通運(yùn)輸行業(yè)技術(shù)更新迭代的大背景下，商用車的燃料電池化是今后重要的發(fā)展方向。

本文以東風(fēng)柳汽某款燃料電池商用車為數(shù)據(jù)來源，重點研究燃料電池、動力電池混合度對車輛燃油經(jīng)濟(jì)性的影響。分析了燃料電池商用車車輛構(gòu)型，并對驅(qū)動系統(tǒng)關(guān)鍵部件進(jìn)行了建模；引入了混合度理論；研究了不同混合度下的車輛氫耗，并對結(jié)果進(jìn)行了分析。

2 燃料電池商用車動力構(gòu)型

圖1給出了本文所研究的燃料電池汽車構(gòu)型拓?fù)鋱D。該構(gòu)型采用燃料電池、動力電池作為車輛的復(fù)合動力源。供氫系統(tǒng)提供的氫氣和壓縮機(jī)供應(yīng)的氧氣在燃料電池堆中發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，通過單向DC-DC變換器向直流母線提供電能。動力電池直接連接到直流母線上。在放電狀態(tài)下，動力電池輸出電能填補(bǔ)燃料電池的動態(tài)特性，同時起到穩(wěn)定母線電壓的作用；充電狀態(tài)下，動力電池在滿足自身物理約束的條件下回收電機(jī)返回的制動能量。車輛處于驅(qū)動狀態(tài)時，二者組成的復(fù)合動力源共同向電機(jī)及其控制器輸送電能，電機(jī)將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，輸出扭矩驅(qū)動車輛；當(dāng)車輛處于制動狀態(tài)時，電機(jī)在車載控制器的約束下最大限度地回收制動能量，回饋動力電池電能以填補(bǔ)SOC，有效提高車輛能源利用率。

圖1 燃料電池汽車構(gòu)型拓?fù)鋱D

相較于只裝配單一燃料電池堆的車輛，增加動力電池作為第二能量源具有以下優(yōu)勢：①在多變的工況條件下，動力電池較好的動態(tài)特性可有效彌補(bǔ)燃料電池的缺點，很大程度上提升車輛的動態(tài)性能。②可在車輛制動狀態(tài)回收制動能量，有效增加車輛的續(xù)航里程。③車輛處于冷啟動狀態(tài)時，動力電池可有效彌補(bǔ)燃料電池的功率。受益于上述優(yōu)點，燃料電池、動力電池成為了最為常見的燃料電池汽車驅(qū)動系統(tǒng)配置類型[4-5]。

3 模型構(gòu)建

3.1 燃料電池模型構(gòu)建

完整的車載燃料電池系統(tǒng)包括燃料電池堆和其他附件(儲氫裝置、氫氣循環(huán)系統(tǒng)、空氣供給系統(tǒng)、水循環(huán)裝置、冷卻裝置等)。完整的模型可以得到燃料電池系統(tǒng)詳細(xì)的內(nèi)部動態(tài)響應(yīng)，但會消耗大量的仿真時間。在這項工作中，采用簡化模型以獲得快速響應(yīng)。

該模型基于燃料電池的實驗氫耗。一款50 kW的燃料電池氫耗數(shù)據(jù)被作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，如圖2所示。在此基礎(chǔ)上，一系列不同規(guī)格燃料電池的氫耗都基于該數(shù)據(jù)的加權(quán)：

圖2 50 kW燃料電池氫耗曲線

(1)

(2)

相應(yīng)的，燃料電池的效率ηFC可以表示為：

(3)

式中，Δt為仿真步長(1 s)，LHV為氫氣低熱值(1.2×105J/g)。

3.2 動力電池模型構(gòu)建

采用等效電路模型進(jìn)行動力電池模型的構(gòu)建。其電路結(jié)構(gòu)(見圖3)。在該模型中，動力電池可以用理想電壓源與內(nèi)阻串聯(lián)電路表示。動力電池的輸出功率可表示為：

圖3 動力電池等效電路

(4)

式中，VOC、Ib和Rint分別為單體電池的開路電壓、終端電流和內(nèi)阻，ns和np分別為電池包的串聯(lián)和并聯(lián)電池數(shù)目。

動力電池的SOC變化率被定義為：

(5)

式中，Δ(SOC)為動力電池SOC變化速率，Qb為電池容量。

3.3 能量管理策略

采用基于動態(tài)規(guī)劃的全局優(yōu)化算法作為整車的能量管理策略，以評估不同混合度對車輛燃油經(jīng)濟(jì)性的影響。

動態(tài)規(guī)劃是求解多階段決策問題的一種數(shù)值方法，該算法將多階段優(yōu)化問題離散化，通過求取每個決策過程的狀態(tài)函數(shù)，進(jìn)而根據(jù)設(shè)定的成本函數(shù)逆向求取全局最優(yōu)決策?；趧討B(tài)規(guī)劃的能量管理策略的詳細(xì)構(gòu)建過程可參見文獻(xiàn)[6-8]。

動力電池SOC和燃料電池輸出功率被分別選定為系統(tǒng)的狀態(tài)變量和決策變量，故系統(tǒng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程可描述為：

SOC(k+1)=SOC(k)+hk(Pb)k=1，2，…，N

(6)

其中，hk(Pb)為k時刻系統(tǒng)的狀態(tài)變化量，由于在該研究中，系統(tǒng)的狀態(tài)變量和決策變量分別對應(yīng)動力電池SOC和動力電池輸出功率Pb，故hk(Pb)可解釋為動力電池輸出功率為Pb時對應(yīng)的SOC變化量Δ(SOC)，即hk(Pb)=Δ(SOC)。

將燃料電池在整個行程中的燃料消耗作為系統(tǒng)的成本函數(shù)，如式(7)所示，動態(tài)規(guī)劃算法追求整個行程下的燃料消耗最小。

(7)

對于未配置外插式充電裝置的燃料電池汽車而言，為了有效評價車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性，同時維持車輛在較好的動力性能區(qū)間，一般會對動力電池的SOC施加終端約束，使其等于動力電池的初始SOC：

SOC(N)=SOC(0)

(8)

此外，為了滿足車輛配件的物理特性，根據(jù)各部件物理條件限制，設(shè)定一系列約束條件：

Tm_min≤Tm≤Tm_max

ωm_min≤ωm≤ωm_max

Pbat_min≤Pbat≤Pbat_max

PFC_min≤PFC≤PFC_max

SOCmin≤SOC≤SOCmax

(9)

式中，Tm、ωm分別為電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩和最大轉(zhuǎn)速。

4 混合度理論

混合度的概念產(chǎn)生于混合動力汽車，一般用于描述動力源的功率占比[9-10]。在此處，將混合度的概念拓展到燃料電池汽車，定義能量源混合度為：

(10)

式中，α為能量源混合度，PFCmax和Pbmax分別為燃料電池和動力電池包的最大功率?？紤]到所設(shè)計的車輛不具備外置充電接口，車輛所匹配的燃料電池應(yīng)具備在實際工況下平衡終端SOC的能力，因此設(shè)定燃料電池最大輸出功率(kW)的取值范圍為[70，140]，相對應(yīng)的，其混合度為[0.46，0.93]。設(shè)定整車氫耗為優(yōu)化的目標(biāo)值，為了消除終端SOC對仿真結(jié)果的影響，將終端SOC差異轉(zhuǎn)化為等效氫耗：

(11)

(12)

(13)

5 仿真結(jié)果與討論

采用WHVC工況作為仿真工況，車輛的仿真數(shù)據(jù)如下。

整車質(zhì)量：9 000 kg；空氣阻力系數(shù)：0.563；前迎風(fēng)面積：6.645 4 m2；輪胎滾動半徑：0.413 m；車輛傳動比：6.67；滾動阻力系數(shù)：0.015；DC-DC工作效率：98%。

圖4給出了不同混合度下的車輛氫耗。當(dāng)車輛混合度達(dá)到0.73時，車輛氫耗達(dá)到最小?；旌隙绕x該最優(yōu)點越遠(yuǎn)，車輛相對應(yīng)的氫耗越大。這主要歸咎于以下原因：動力電池功率較小時，其不足以承載全部的制動能量，會造成制動能量的浪費(fèi)，降低全局效率，提高氫耗；而當(dāng)動力電池選擇過大時，燃料電池將工作在較大功率區(qū)而不是最優(yōu)效率點，以維持動力電池的終端SOC，這亦會造成車輛的全局效率降低，提升氫耗。

圖4 WHVC不同混合度下的氫耗

圖5給出了車輛在最優(yōu)混合度下的仿真結(jié)果。圖5(a)為WHVC工況的速度-時間曲線，圖5(b)為動力電池SOC變化趨勢曲線?？梢娫谛谐探K端，動力電池SOC穩(wěn)定在其初始值0.6附近。圖5(c)給出了最優(yōu)混合度下，驅(qū)動電機(jī)、燃料電池和動力電池的功率曲線，可見復(fù)合動力源的功率輸出滿足WHVC工況下的電機(jī)功率需求。

圖5 WHVC工況仿真結(jié)果

對優(yōu)化后的燃料電池商用車數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，如表1所示。

表1 最優(yōu)混合度及對應(yīng)能量源規(guī)格

6 結(jié)語

本文以某款燃料電池商用車為研究對象，基于能量源混合度理論，研究了不同混合度對車輛燃油經(jīng)濟(jì)性的影響。仿真結(jié)果表明，在WHVC工況下，車輛混合度為0.73時，能夠獲得最優(yōu)的燃油經(jīng)濟(jì)性。