宋 波,孫 凱,車(chē)志釗,陳 銳,2,劉懷宇,任美林,3,王天友*
(1.天津大學(xué),內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300072,中國(guó);2.拉夫堡大學(xué) 航空與汽車(chē)工程系,拉夫堡 LE11 3TU,英國(guó);3.中汽研汽車(chē)檢驗(yàn)中心(天津)有限公司,天津 300300,中國(guó))
質(zhì)子交換膜燃料電池(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)具有高效清潔、啟停響應(yīng)快等特點(diǎn),是汽車(chē)?yán)硐氲膭?dòng)力源,被廣泛關(guān)注研究[1]。目前,燃料電池汽車(chē)初步進(jìn)入商業(yè)化階段,仍面臨著熱管理、冷啟動(dòng)、功率密度等亟待解決的技術(shù)瓶頸[2]。PEMFC 在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的余熱經(jīng)冷卻系統(tǒng)排出(約占總能量的40%~60%),熱負(fù)荷是內(nèi)燃機(jī)冷卻系統(tǒng)的2.5~3 倍[3]。此外,PEMFC 工作特性對(duì)運(yùn)行溫度十分敏感,溫度過(guò)高或過(guò)低都會(huì)影響其性能[4],電機(jī)、動(dòng)力電池、動(dòng)力控制單元(power control unit,PCU)等部件均需在各自的理想溫度運(yùn)行。
城市客車(chē)是燃料電池汽車(chē)示范運(yùn)營(yíng)的主力車(chē)型[5]。能量管理策略對(duì)燃料電池客車(chē)(fuel cell bus,F(xiàn)CB)的性能具有顯著影響。ZHANG Junzhi 等[6]提出了一種協(xié)同再生制動(dòng)能量管理策略,能有效降低FCB 的氫氣消耗量。XU Liangfei 等[7]提出了一種基于均值的能量管理策略,能夠增加FCB 的行駛里程。周凱[8]提出了一種Mamdani 型模糊控制能量管理策略,能使FCB的動(dòng)力性和燃料經(jīng)濟(jì)性有所提升。李廣祿[9]提出了一種FCB 自適應(yīng)功率跟隨能量管理策略,能夠較好地維持動(dòng)力電池荷電狀態(tài)(state of charge,SOC)水平。宗賀輝[10]提出了一種FCB 模糊能量管理策略,能夠合理分配整車(chē)需求功率,維持動(dòng)力電池SOC。GUO Jinquan等[11]對(duì)一種FCB 速度規(guī)劃能量管理策略進(jìn)行了仿真研究,發(fā)現(xiàn)該策略能節(jié)省3.04%的氫氣消耗量。JIANG Hongliang 等[12]面向低溫運(yùn)行工況,提出了一種利用燃料電池余熱為客艙加熱的能量管理策略,與單獨(dú)電加熱相比可節(jié)省19.1%的電能。
先前研究主要關(guān)注能量管理策略對(duì)FCB 動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性的影響,但其對(duì)熱管理系統(tǒng)的影響仍有待探究。FCB 運(yùn)行一般“基于開(kāi)關(guān)模式”和“基于功率跟隨?!?種典型控制策略,而這2 種控制策略對(duì)于FCB 熱管理系統(tǒng)工作特性的影響仍不明確。
本文以某燃料電池客車(chē)為對(duì)象,建立了整車(chē)熱管理系統(tǒng)模型,并在中國(guó)典型城市公交循環(huán)(China typical bus driving cycle,CTBDC)工況中,對(duì)比分析了基于開(kāi)關(guān)模式和基于功率跟隨這2 種能量管理策略對(duì)熱管理系統(tǒng)性能的影響,同時(shí)重點(diǎn)研究了環(huán)境溫度40 ℃且車(chē)輛滿(mǎn)載質(zhì)量13.5 t 的極限工況下主要熱源部件的性能變化規(guī)律。
根據(jù)燃料電池客車(chē)各部件工作溫度、位置及功能的不同,建立了如圖1 所示的整車(chē)熱管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)分為4 個(gè)主要冷卻回路:
圖1 燃料電池整車(chē)熱管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖
1)燃料電池冷卻回路:質(zhì)子交換膜燃料電池PEMFC 為熱源部件,正常工作溫度為60~85 ℃。通過(guò)節(jié)溫器調(diào)節(jié)支路連通,使電堆盡快啟動(dòng)并及時(shí)散熱。
2)電機(jī)冷卻回路:電機(jī)、空壓機(jī)、動(dòng)力控制單元為熱源部件,極限工作溫度一般不超過(guò)65 ℃。在工作過(guò)程中通過(guò)泵、散熱器及時(shí)散熱。
3)動(dòng)力電池冷卻回路:動(dòng)力電池為熱源部件,正常工作溫度一般不超過(guò)50 ℃,在充放電過(guò)程中需要冷卻系統(tǒng)及時(shí)散熱。
4)空調(diào)系統(tǒng)回路:包含蒸發(fā)器、壓縮機(jī)、冷凝器、膨脹閥等4 個(gè)主要部件,集成化布置于客車(chē)頂部,用于保證客艙溫度的舒適性。
燃料電池客車(chē)整車(chē)熱管理系統(tǒng)模型主要包括車(chē)輛行駛模型和各冷卻回路模型。
1.2.1 車(chē)輛行駛模型
車(chē)輛在行駛過(guò)程中,驅(qū)動(dòng)輪的需求功率PT由實(shí)時(shí)的行駛工況(車(chē)速u(mài)、加速度a、坡度λ或坡度角θ)和車(chē)輛質(zhì)量mv情況確定:
式中:FT為車(chē)輛驅(qū)動(dòng)力;Ff為滾動(dòng)阻力;FW為空氣阻力;Fλ為坡道阻力;Fa為加速阻力;f為滾動(dòng)摩擦阻力因數(shù);CD為空氣阻力因數(shù);AV為迎風(fēng)面積;δ為汽車(chē)旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)。相關(guān)參數(shù)如表1 所示。
表1 燃料電池客車(chē)整車(chē)基本參數(shù)表
燃料電池客車(chē)行駛時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)經(jīng)傳動(dòng)系統(tǒng)作用于車(chē)輪進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。在勻速和加速行駛過(guò)程中,電機(jī)(M)需求功率為
在制動(dòng)過(guò)程中電機(jī)需求功率為
式中:ηT為傳動(dòng)系統(tǒng)效率,取值0.95;ηM為電機(jī)效率,由電機(jī)工作狀態(tài)和特性曲線(xiàn)確定。
根據(jù)圖2 所示的能量傳遞,主要工作部件之間的功率關(guān)系為:
圖2 整車(chē)熱管理系統(tǒng)能量傳遞圖
式中:PFCS為燃料電池電堆輸出功率;PB為動(dòng)力電池輸出功率,放電為正,充電為負(fù);PAC為空調(diào)系統(tǒng)壓縮機(jī)功率;Pcom為燃料電池空壓機(jī)功率;PAU為泵、風(fēng)扇等輔助部件功率;ηDC為DC/DC 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換效率,本文取值0.95。
通過(guò)車(chē)輛行駛模型建立了行駛工況與熱源部件功率傳遞關(guān)系,配合能量管理策略,即可計(jì)算各部件隨工況變化的實(shí)時(shí)功率分配特性。
1.2.2 燃料電池電堆模型
燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)由燃料電池電堆FCS 和空壓機(jī)等輔助部件組成,其主要參數(shù)如表2 所示。FCS 內(nèi)部電化學(xué)反應(yīng)輸出電能的同時(shí)會(huì)產(chǎn)熱大量余熱,需要建立電壓和產(chǎn)熱模型。
表2 燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)參數(shù)表
電壓模型采用廣泛應(yīng)用的集總參數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式模型[3],單電池電壓為
式中:ENet為熱力學(xué)電動(dòng)勢(shì);Eact為活化極化電動(dòng)勢(shì);Eohm是Ohm 極化電動(dòng)勢(shì);Econ是濃差極化電動(dòng)勢(shì)。
式中:TFC為燃料電池電堆熱力學(xué)溫度;pH2和pO2分別為氫氣和氧氣的分壓。
式中:CO2為在氣液界面氧氣濃度;ξ1、ξ2、ξ3、ξ4為經(jīng)驗(yàn)參數(shù),取值參考文獻(xiàn)[3];IFCS為燃料電池電堆電流。
式中,Rohm為電堆等效內(nèi)阻。
式中:B為經(jīng)驗(yàn)常數(shù),取值0.016;j為電堆電流密度,jmax為極限電流密度。
燃料電池電堆的功率為
式中:UFCS為電堆的輸出電壓;Ncell為單電池個(gè)數(shù)。
燃料電池電堆的電效率為
式中,U0為燃料電池電堆的理論電壓值。
燃料電池電堆電化學(xué)反應(yīng)的能量一部分轉(zhuǎn)化為電能輸出,另一部分產(chǎn)生的熱量通過(guò)冷卻液、排氣攜帶熱量及熱輻射的形式散失,能量守恒方程為
式中:CFCS為電堆熱容;Pchem為電化學(xué)反應(yīng)功率;Qcool為單位時(shí)間內(nèi)冷卻劑帶走的熱量;Qgas為單位時(shí)間內(nèi)陰陽(yáng)極氣體帶走的熱量;Qrad為單位時(shí)間內(nèi)電堆與周?chē)h(huán)境以熱輻射形式交換的熱量。
1.2.3 電機(jī)回路熱源部件模型
電機(jī)回路包含空壓機(jī)(com)、動(dòng)力控制單元(PCU)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)(M)3 個(gè)主要熱源部件。
1)空壓機(jī)與質(zhì)子交換膜燃料電池PEMFC 集成在一起,為電堆供給反應(yīng)所需空氣??諌簷C(jī)工作狀態(tài)隨電堆輸出功率而變化,如式(14)、(15)所示:
式中:qm為空氣質(zhì)量流量;Tin為壓縮機(jī)入口溫度;cp為空氣定壓比熱容;pin和pout分別為空壓機(jī)進(jìn)出口空氣壓力;k為絕熱指數(shù);ηc為絕熱效率;ηcom為空壓機(jī)效率;Qcom為空壓機(jī)產(chǎn)熱速率。
2)動(dòng)力控制單元PCU 包含DC/DC 轉(zhuǎn)換器、逆變器等多個(gè)電力單元,其中主要產(chǎn)熱源是DC/DC 轉(zhuǎn)換器。PCU 產(chǎn)熱為
式中Qother為除DC/DC 之外的其他控制部件的產(chǎn)熱,本文取值1.92 kW。
3)電機(jī)通過(guò)傳動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)車(chē)輛行駛,其選型需根據(jù)燃料電池客車(chē)動(dòng)力性要求確定。本文選用額定功率為100 kW 的電機(jī)[13],電機(jī)在工作過(guò)程中的產(chǎn)熱為
電機(jī)的效率ηM通過(guò)電機(jī)工作的轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩-效率的特性曲線(xiàn)確定。
1.2.4 動(dòng)力電池模型
動(dòng)力電池是燃料電池客車(chē)(FCB)重要的輔助動(dòng)力源,可提供輔助動(dòng)力輸出,也可在車(chē)輛制動(dòng)狀態(tài)時(shí)進(jìn)行制動(dòng)能量回收。本車(chē)采用的磷酸鐵鋰電池參數(shù)如表3 所示。
表3 動(dòng)力電池參數(shù)表
動(dòng)力電池在充放電過(guò)程中均會(huì)產(chǎn)生熱量,通常由Bernardi 公式計(jì)算鋰離子電池工作產(chǎn)熱[14],動(dòng)力電池(B)產(chǎn)熱量為
式中:Rz為動(dòng)力電池等效內(nèi)阻;EO為動(dòng)力電池開(kāi)路電壓。Rz和TB與SOC 大小有關(guān)。
通過(guò)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)性能實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了電堆模型的準(zhǔn)確性,如圖3 所示。極化曲線(xiàn)計(jì)算最大誤差為3.71%,功率曲線(xiàn)計(jì)算最大誤差為3.20%,能夠滿(mǎn)足后續(xù)研究需要。
圖3 燃料電池電堆FCS 性能驗(yàn)證曲線(xiàn)
考慮了開(kāi)關(guān)模式和功率跟隨這2 種典型能量管理策略。開(kāi)關(guān)模式控制策略的核心是優(yōu)先確保燃料電池在高效率區(qū)工作運(yùn)行,動(dòng)力電池根據(jù)需求功率變化;而功率跟隨控制策略的核心是優(yōu)先控制動(dòng)力電池SOC 處于合理狀態(tài),燃料電池根據(jù)需求功率變化[9],具體如表4 所示。
表4 2 種模式的控制策略
根據(jù)GB/T 19754-2015,選用中國(guó)典型城市公交循環(huán)工況(CTBDC)進(jìn)行模擬,其車(chē)速u(mài)與行駛距離d曲線(xiàn)如圖4 所示。該循環(huán)工況中包含勻速、加速、制動(dòng)、怠速等多種行駛狀態(tài),能全面反映燃料電池客車(chē)復(fù)雜運(yùn)行工況。
圖4 中國(guó)典型城市公交循環(huán)測(cè)試工況
2 種能量管理策略均選取初始SOC=80%,對(duì)應(yīng)為燃料電池客車(chē)常見(jiàn)的運(yùn)行模式。如圖5 所示。
圖5 動(dòng)力電池SOC 變化情況
經(jīng)過(guò)一個(gè)循環(huán)工況后,2 種策略下動(dòng)力電池SOC終值相近。在開(kāi)關(guān)模式控制策略下,燃料電池功率恒定,動(dòng)力電池充放電較頻繁,SOC 呈波動(dòng)式變化。在功率跟隨控制策略下,整體行駛過(guò)程中動(dòng)力電池主要在加速階段放電,SOC 整體呈階梯式下降趨勢(shì)。
燃料電池客車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性主要體現(xiàn)在質(zhì)子交換膜燃料電池PEMFC 的氫氣消耗量m(H)上。2 種能量管理策略在循環(huán)工況中的氫氣消耗量變化情況如圖6 所示。
圖6 氫氣消耗量變化
在開(kāi)關(guān)模式控制策略下,燃料電池功率恒定,氫氣勻速消耗,共消耗氫氣678 g。而在功率跟隨控制策略下,燃料電池輸出功率和效率波動(dòng)較大,尤其在高速和加速行駛時(shí),氫氣快速消耗,共消耗氫氣750 g。
能量管理策略主要影響燃料電池和動(dòng)力電池功率的輸出分配??諌簷C(jī)和動(dòng)力控制單元的功率需求隨燃料電池功率輸出變化,而電機(jī)和空調(diào)系統(tǒng)的功率需求在兩種能量管理策略中保持一致。
電機(jī)和空調(diào)系統(tǒng)的功率需求由行駛工況決定,變化過(guò)程如圖7 所示。當(dāng)處于減速制動(dòng)狀態(tài)時(shí),電機(jī)會(huì)進(jìn)行再生制動(dòng)能量回收,為動(dòng)力電池充電。在加速行駛時(shí),電機(jī)功率會(huì)短時(shí)達(dá)到峰值??照{(diào)系統(tǒng)工作雖然相對(duì)獨(dú)立(主要是壓縮機(jī)制冷耗功),但車(chē)速變化也會(huì)影響客艙與周?chē)鸁岘h(huán)境之間的傳熱,進(jìn)而影響壓縮機(jī)功率。
圖7 電機(jī)、空調(diào)系統(tǒng)在循環(huán)工況中功率變化
在開(kāi)關(guān)模式控制策略下,如圖8a 所示,燃料電池電堆FCS 的功率恒定,空壓機(jī)功率也保持恒定。此時(shí)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)凈效率為50.96%,處于高效率區(qū)間。同時(shí)動(dòng)力電池充放電交替頻繁,充放電功率峰值較高,功率波動(dòng)幅度大。
在功率跟隨控制策略下,如圖8b 所示,燃料電池優(yōu)先做功,輸出功率隨需求功率變化,波動(dòng)幅度大,并未都處于高效率區(qū)間??諌簷C(jī)功率變化趨勢(shì)與燃料電池相同,但功率值較小。同時(shí)動(dòng)力電池在制動(dòng)工況時(shí),由于制動(dòng)能量回收,處于充電狀態(tài)。除少數(shù)加速工況有較高放電峰值外,整體波動(dòng)幅度較小。
圖8 FCS、動(dòng)力電池及空壓機(jī)的功率變化
燃料電池電堆是熱管理系統(tǒng)中最重要的熱源部件,其產(chǎn)熱速率變化趨勢(shì)與功率相同。在開(kāi)關(guān)模式控制策略下,因功率恒定,電堆產(chǎn)熱速率也保持恒定,如圖9所示。而在功率跟隨控制策略下,由于功率波動(dòng)幅度大,電堆產(chǎn)熱速率也隨之大幅度波動(dòng),產(chǎn)熱速率峰值在60 kW 以上。
圖9 燃料電池電堆產(chǎn)熱速率
另一方面,除驅(qū)動(dòng)電機(jī)外的其他熱源部件產(chǎn)熱速率也有一定的差別。在開(kāi)關(guān)模式控制策略下,因功率恒定,空壓機(jī)和動(dòng)力控制單元PCU 的產(chǎn)熱速率也保持恒定。同時(shí)動(dòng)力電池由于較高的充放電功率,也有較高的產(chǎn)熱速率,如圖10a 所示。而在功率跟隨控制策略下,PCU 和空壓機(jī)的產(chǎn)熱速率有一定的起伏,但無(wú)較高峰值。同時(shí)動(dòng)力電池產(chǎn)熱速率除少數(shù)較高峰值外,基本在較低水平波動(dòng),如圖10b 所示。
圖10 電機(jī)、空壓機(jī)、PCU 和動(dòng)力電池產(chǎn)熱速率
2 種能量管理策略下各回路最大瞬時(shí)產(chǎn)熱速率比較如表5 所示。其中:電機(jī)回路是電機(jī)、空壓機(jī)、動(dòng)力控制單元三者產(chǎn)熱速率的總和。開(kāi)關(guān)模式控制策略與功率跟隨控制策略相比,燃料電池回路最大產(chǎn)熱速率下降了65.77%,熱管理系統(tǒng)整體最大產(chǎn)熱速率下降了33.41%。同時(shí),燃料電池產(chǎn)熱量下降了19.80%;動(dòng)力電池產(chǎn)熱量增長(zhǎng)了156.02%;其余熱源部件產(chǎn)熱量相近,總產(chǎn)熱量下降了13.56%,如表6 所示。動(dòng)力電池的輸出效率一般在80%以上,產(chǎn)熱速率較?。欢剂想姵氐男氏鄬?duì)較低,產(chǎn)熱速率較大。因此,保持燃料電池在較高效率工作,能有效降低整體的散熱需求,進(jìn)而提升熱管理系統(tǒng)對(duì)溫度的控制效果。
表5 2 種控制策略下各回路最大瞬時(shí)產(chǎn)熱速率
表6 循環(huán)工況、2 種控制策略下熱源部件產(chǎn)熱量
當(dāng)燃料電池客車(chē)滿(mǎn)載時(shí),不同環(huán)境溫度下熱管理系統(tǒng)性能變化如圖11所示。當(dāng)環(huán)境溫度在25 ℃以上時(shí),開(kāi)啟空調(diào)系統(tǒng)。由于溫度越高,空調(diào)制冷耗功越大,熱管理系統(tǒng)的總產(chǎn)熱量和最大產(chǎn)熱速率都隨環(huán)境溫度的上升而增大。當(dāng)空調(diào)系統(tǒng)關(guān)閉時(shí),熱管理系統(tǒng)的總產(chǎn)熱量和最大產(chǎn)熱速率受環(huán)境溫度影響較小。在常溫與高溫環(huán)境中,開(kāi)關(guān)模式控制策略下的熱管理系統(tǒng)性能優(yōu)于功率跟隨控制策略。
圖11 不同環(huán)境溫度下總產(chǎn)熱量、最大產(chǎn)熱速率的變化
當(dāng)環(huán)境溫度為40 ℃時(shí),不同車(chē)輛質(zhì)量對(duì)熱管理系統(tǒng)性能的影響如圖12 所示。2 種能量管理策略下熱管理系統(tǒng)的總產(chǎn)熱量和最大產(chǎn)熱速率都隨載重的上升而增大。開(kāi)關(guān)模式控制策略下的熱管理系統(tǒng)性能優(yōu)于功率跟隨控制策略。
圖12 不同車(chē)質(zhì)量下總產(chǎn)熱量、最大產(chǎn)熱速率
基于2 種典型能量管理策略模擬結(jié)果,對(duì)燃料電池客車(chē)能量管理策略進(jìn)行了優(yōu)化,如表7 所示。
表7 優(yōu)化后的能量管理策略
整車(chē)熱管理系統(tǒng)的極限可用性和總產(chǎn)熱量是表示安全高效行駛性能的重要指標(biāo)。當(dāng)動(dòng)力電池SOC 較高時(shí),優(yōu)先考慮經(jīng)濟(jì)性和熱管理系統(tǒng)的極限可用性,控制燃料電池在高效率區(qū)間工作。隨著動(dòng)力電池SOC 的降低,為保持SOC 的穩(wěn)定,逐步提升燃料電池可輸出的最大功率,兼顧動(dòng)力電池SOC 和熱管理系統(tǒng)性能,此階段可進(jìn)一步采用模糊控制等方式進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化后的策略與開(kāi)關(guān)模式控制策略相比,能更靈活地維持動(dòng)力電池SOC 處于穩(wěn)定水平;與功率跟隨控制策略相比,能有效降低熱管理系統(tǒng)熱負(fù)荷。
本文以燃料電池客車(chē)為研究對(duì)象,在Matlab/Simulink 中建立了整車(chē)熱管理系統(tǒng)模型。在中國(guó)典型城市公交循環(huán)(CTBDC)工況中,對(duì)開(kāi)關(guān)模式和功率跟隨2 種典型能量管理控制策略進(jìn)行了模擬。
結(jié)果表明:在高溫滿(mǎn)載的極限工況下,開(kāi)關(guān)模式控制策略相比于功率跟隨控制策略,燃料電池、空壓機(jī)、動(dòng)力控制單元的功率更平穩(wěn),產(chǎn)熱速率也更穩(wěn)定,燃料電池電堆氫氣消耗量更低。同時(shí),動(dòng)力電池充放電頻率更高,波動(dòng)幅度更大,但循環(huán)工況前后SOC 整體下降程度相近。在開(kāi)關(guān)模式控制策略下,熱管理系統(tǒng)總體最大產(chǎn)熱速率下降了33.41%,總體產(chǎn)熱量下降了13.56%。另一方面,在不同環(huán)境溫度和車(chē)輛載重工況下熱管理系統(tǒng)的總產(chǎn)熱量和最大產(chǎn)熱速率隨環(huán)境溫度和車(chē)載重的增大而上升。同時(shí),開(kāi)關(guān)模式控制策略下的熱管系統(tǒng)性能都優(yōu)于功率跟隨控制策略。
最后在考慮熱管理系統(tǒng)性能的基礎(chǔ)上,優(yōu)化了能量管理策略。此結(jié)果對(duì)于FCB 熱管理系統(tǒng)研究與開(kāi)發(fā)具有一定理論指導(dǎo)意義。
汽車(chē)安全與節(jié)能學(xué)報(bào)2022年3期