王丙虎, 陳振國, 劉 康, 王 琳, 吳光平,2

(1.中通客車股份有限公司, 山東 聊城 252000; 2.中北大學(xué),山西 太原 030051)

目前燃料電池客車多為電-電混合動(dòng)力系統(tǒng),即動(dòng)力電池與燃料電池共同作為能量源給電動(dòng)機(jī)供電驅(qū)動(dòng)車輛運(yùn)行。在燃料電池車輛運(yùn)行過程中,燃料電池系統(tǒng)響應(yīng)整車功率需求,動(dòng)力電池根據(jù)整車實(shí)際需求功率對(duì)燃料電池響應(yīng)的功率進(jìn)行削峰填谷:即當(dāng)整車需求功率大于燃料電池系統(tǒng)運(yùn)行功率時(shí),動(dòng)力電池補(bǔ)充額外的功率差值用于整車驅(qū)動(dòng),而當(dāng)整車需求功率小于燃料電池系統(tǒng)運(yùn)行功率時(shí),動(dòng)力電池吸收燃料電池系統(tǒng)釋放的多余功率。整車良好的能量管理策略既要保證整車經(jīng)濟(jì)性最優(yōu),又要兼顧燃料電池與動(dòng)力電池的使用壽命[1-4]。

目前,燃料電池整車實(shí)際使用的能量管理控制策略既無法保證燃料電池與動(dòng)力電池功率分配最優(yōu),也無法將功率分配對(duì)燃料電池及動(dòng)力電池使用壽命的影響最小化。因此,本文提出一種基于自適應(yīng)功率跟隨的多擋位滯環(huán)控制技術(shù)和一種自適應(yīng)功率預(yù)測(cè)的動(dòng)力電池SOC高位均衡技術(shù)的燃料電池整車電-電混合能量管理控制策略,并將該控制策略在中通某批量燃料電池客車上應(yīng)用驗(yàn)證。

1 燃料電池整車能量管理策略現(xiàn)狀

目前,電-電混合燃料電池整車能量管理策略主要有基于規(guī)則的能量管理策略和基于優(yōu)化的能量管理策略。其中基于規(guī)則的又可以分為基于確定性規(guī)則和基于模糊規(guī)則,前者包括恒溫器式控制、功率跟隨控制、混合控制策略、狀態(tài)機(jī)等,后者包括模糊控制等[5-7];基于優(yōu)化的又可以分為實(shí)時(shí)優(yōu)化和全局優(yōu)化,前者包括等效燃油消耗最小算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模型預(yù)測(cè)控制算法[8-10]等,后者包括動(dòng)態(tài)規(guī)劃、線性規(guī)劃、遺傳算法、粒子群算法等。

優(yōu)化型控制策略需提前預(yù)知工況,使用優(yōu)化控制算法,通過求解不同約束條件下目標(biāo)函數(shù)的極值來獲取系統(tǒng)最優(yōu)解。全局優(yōu)化型策略計(jì)算時(shí)間長,且存在維數(shù)災(zāi)難無法在線應(yīng)用等不足[11];實(shí)時(shí)優(yōu)化型策略對(duì)工況的適應(yīng)性一般,很難保證汽車在各種工況下都能達(dá)到最優(yōu)效果。

規(guī)則型能量管理策略是依據(jù)設(shè)計(jì)人員的專業(yè)知識(shí)、系統(tǒng)的試驗(yàn)結(jié)果或者數(shù)學(xué)模型而設(shè)計(jì)出的一組基本控制規(guī)則,然后基于該規(guī)則來確定燃料電池和其他能量源的功率分配?；谝?guī)則的能量管理因具有較高的可靠性且易于實(shí)現(xiàn)而被廣泛地應(yīng)用于混合動(dòng)力汽車[12]。

目前,燃料電池汽車電-電混合動(dòng)力系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用的能量管理策略主要有燃料電池恒功率策略和燃料電池功率跟隨策略兩種。燃料電池恒功率策略中,當(dāng)SOC較低時(shí),燃料電池以高功率工作;當(dāng)SOC較高時(shí),燃料電池以低功率工作。該策略中燃料電池功率僅與動(dòng)力電池SOC高低相關(guān),而與整車驅(qū)動(dòng)功率無關(guān),燃料電池功率相對(duì)穩(wěn)定,由動(dòng)力電池跟隨驅(qū)動(dòng)功率變化,動(dòng)力電池參與程度相對(duì)較高。功率跟隨策略中,燃料電池跟隨整車驅(qū)動(dòng)功率變化,功率波動(dòng)幅度較大,且變載頻繁;動(dòng)力電池僅用于補(bǔ)充燃料電池功率的不足和進(jìn)行能量回收,動(dòng)力電池參與程度相對(duì)較低。

本文對(duì)恒功率控制策略進(jìn)行深入研究,以提高燃料電池壽命、動(dòng)力電池壽命、整車經(jīng)濟(jì)性為原則,分別開發(fā)一種基于自適應(yīng)功率跟隨的多擋位滯環(huán)控制技術(shù)和一種自適應(yīng)功率預(yù)測(cè)的動(dòng)力電池SOC高位均衡技術(shù)的燃料電池整車電-電混合能量管理控制策略,以解決目前無自適應(yīng)特性的恒功率控制策略無法保證整車經(jīng)濟(jì)性優(yōu)、燃料電池壽命及動(dòng)力電池壽命長的難題。

2 自適應(yīng)特性電-電混合能量管理控制策略

2.1 多擋位滯環(huán)控制技術(shù)

如圖1所示,動(dòng)力電池SOC劃分區(qū)間為0～90%,擋位劃分?jǐn)?shù)量根據(jù)每個(gè)擋位SOC區(qū)間的大小N決定(N≥8),假設(shè)起始SOC區(qū)間為SOC≤M%。本文以九擋位為例,N=10,M=10,即劃分的SOC區(qū)間分別為10%

圖1 九擋位滯環(huán)控制策略

在車輛實(shí)際運(yùn)行過程中,為防止燃料電池系統(tǒng)功率頻繁變載,存在滯環(huán)動(dòng)力電池SOC區(qū)間為F%,F≥4(九擋位的F=4),即10%24%時(shí),即SOC區(qū)間為24%

本控制技術(shù)的自適應(yīng)特性體現(xiàn)在多擋位中“多”的存在,使整車無論運(yùn)行在何種工況,都能自適應(yīng)地找到其運(yùn)行工況下整車平均需求功率所對(duì)應(yīng)的燃料電池運(yùn)行功率點(diǎn),這是另外一種形式的自適應(yīng)功率跟隨。自適應(yīng)特性使動(dòng)力電池SOC保持較小的吞吐量,達(dá)到降低整車能量轉(zhuǎn)化損耗,提高燃料電池及動(dòng)力電池壽命的目的。

2.2 動(dòng)力電池SOC高位均衡控制技術(shù)

如圖2所示,動(dòng)力電池SOC為動(dòng)力電池荷電狀態(tài),當(dāng)SOC

圖2 動(dòng)力電池SOC高位均衡技術(shù)控制策略

3 電-電混合能量管理控制策略試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)對(duì)象

多擋位滯環(huán)控制技術(shù)與動(dòng)力電池SOC高位均衡控制技術(shù)試驗(yàn)方案對(duì)象均為中通12 m燃料電池旅游客車,車輛參數(shù)見表1。

表1 燃料電池旅游客車參數(shù)

3.2 試驗(yàn)方案

3.2.1 多擋位滯環(huán)控制技術(shù)試驗(yàn)方案

多擋位滯環(huán)控制技術(shù)驗(yàn)證方法為:設(shè)置5組對(duì)比試驗(yàn),將動(dòng)力電池SOC按2.1節(jié)中的方法分別平均劃分為三、五、七、九、十一等若干區(qū)間,燃料電池系統(tǒng)在每個(gè)動(dòng)力電池SOC區(qū)間內(nèi)恒功率運(yùn)行,功率的大小按照燃料電池額定功率比例劃分,動(dòng)力電池SOC越大,燃料電池運(yùn)行功率越小。同時(shí),為防止燃料電池系統(tǒng)功率頻繁變載,存在滯環(huán)動(dòng)力電池SOC區(qū)間,其各擋位M、C、D、N、A、F值的設(shè)置見表2。

表2 各擋位參數(shù)明細(xì)

3.2.2 動(dòng)力電池SOC高位均衡控制技術(shù)試驗(yàn)方案

動(dòng)力電池SOC高位均衡技術(shù)如2.2節(jié)所述,其中,SOC1為70%,SOC2為72%,SOC3為80%,SOC4為84%。P1為80 kW,P2的確定方法見表3,以T為周期,這里周期T確定為每個(gè)C-WTVC循環(huán)工況的運(yùn)行時(shí)間1 800 s。T1=T2=T3=T4,每個(gè)周期采集一次從整車上電時(shí)刻到當(dāng)前時(shí)間整車的平均需求功率作為下一個(gè)T的整車向燃料電池系統(tǒng)的請(qǐng)求功率P2,即T2周期內(nèi)整車向燃料電池系統(tǒng)的請(qǐng)求功率為T1周期內(nèi)整車的平均需求功率PT1,T3周期內(nèi)整車向燃料電池系統(tǒng)的請(qǐng)求功率為T1和T2兩個(gè)周期內(nèi)整車的平均需求功率PT1+T2,其中初始周期T1整車向燃料電池系統(tǒng)的請(qǐng)求功率設(shè)定值為Po,Po設(shè)置遵循燃料電池系統(tǒng)運(yùn)行高效率的原則,此輛車Po=40 kW。P3的確定方法由燃料電池單體電壓及燃料電池系統(tǒng)的效率曲線確定,此輛車P3為16 kW。需要注意的是:在車輛實(shí)際運(yùn)行過程中,T的確定方法為車輛每循環(huán)一次路線的時(shí)間,理想狀態(tài)下T相同。

表3 P2確定方法表格說明

3.3 試驗(yàn)工況與數(shù)據(jù)采集

多擋位滯環(huán)控制技術(shù)及動(dòng)力電池SOC高位均衡控制技術(shù)試驗(yàn)在中通客車轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)室驗(yàn)證,采用C-WTVC工況,每個(gè)試驗(yàn)進(jìn)行6個(gè)工況,用CANalyzer提取整車CAN數(shù)據(jù),每組工況保存一組數(shù)據(jù)。在采集到的數(shù)據(jù)中提取起始?jí)毫?、終止壓力、起始溫度、終止溫度、起始SOC、終止SOC、起始里程、終止里程等數(shù)據(jù)作為整車氫耗的計(jì)算依據(jù)。

3.4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

3.4.1 多擋位滯環(huán)試驗(yàn)控制技術(shù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

整車氫耗根據(jù)所提取的數(shù)據(jù)以GB/T 35178—2017[13]質(zhì)量壓力法為依據(jù)進(jìn)行計(jì)算。另外,根據(jù)提取的數(shù)據(jù)對(duì)每個(gè)擋位整個(gè)試驗(yàn)周期內(nèi)的動(dòng)力電池SOC變化區(qū)間及范圍、功率變化次數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì),統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表4。

表4 多擋位滯環(huán)試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

從表4可以看出,三擋位到九擋位動(dòng)力電池SOC范圍變化依次減小,十一擋位SOC范圍反而增大,原因可能是動(dòng)力電池SOC區(qū)間擋位設(shè)置得太多,整車實(shí)際試驗(yàn)過程中難免持續(xù)性需求功率較大,整車向燃料電池系統(tǒng)請(qǐng)求的功率點(diǎn)與整車需求功率有較大偏差,功率點(diǎn)變載較多。七擋位百公里氫耗最低,主要原因是動(dòng)力電池SOC變化范圍小且整個(gè)試驗(yàn)運(yùn)行周期燃料電池運(yùn)行功率無變化。三擋位和十一擋位氫耗較大,三擋位氫耗高可能主要受SOC范圍變化大的影響,電-電轉(zhuǎn)換損耗增加,功率點(diǎn)變化造成的影響次之;十一擋位氫耗高可能主要受功率點(diǎn)變化的影響,燃料電池系統(tǒng)氫氣使用效率低。五擋位比三擋位氫耗低,主要是受SOC變化范圍的影響。九擋位比十一擋位氫耗低,主要是受SOC變化范圍和功率點(diǎn)變化次數(shù)的綜合影響。

3.4.2 動(dòng)力電池SOC高位均衡控制技術(shù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

動(dòng)力電池整個(gè)試驗(yàn)周期內(nèi)動(dòng)力電池SOC變化及燃料電池系統(tǒng)功率變化如圖3所示,整個(gè)試驗(yàn)周期內(nèi)除了初始周期燃料電池運(yùn)行功率為40 kW,其余周期燃料電池系統(tǒng)的運(yùn)行功率無變化,維持在44 kW,動(dòng)力電池SOC變化極差為5%,保持了較低的吞吐量。經(jīng)計(jì)算,該試驗(yàn)周期內(nèi),燃料電池百公里氫耗為5.2 kg,相對(duì)于多擋位滯環(huán)控制技術(shù)持續(xù)降低,極大地提高了整車經(jīng)濟(jì)性。

圖3 動(dòng)力電池SOC及燃料電池系統(tǒng)功率變化圖

4 結(jié)束語

多擋位滯環(huán)控制技術(shù)在一定程度上能夠提高整車的經(jīng)濟(jì)性,但動(dòng)力電池SOC劃分擋位及功率點(diǎn)的數(shù)量與整車氫耗并沒有直接的正比關(guān)系,擋位越多,氫耗可能會(huì)更高。針對(duì)電-電混合能量管理控制策略,燃料電池整車節(jié)能的關(guān)鍵是找到整車平均需求功率點(diǎn),這既能保證動(dòng)力電池SOC變化區(qū)間極差最小,減少能量轉(zhuǎn)化損耗,又能防止燃料電池系統(tǒng)功率的頻繁變載。動(dòng)力電池SOC高位均衡控制技術(shù)極大地發(fā)揮了其整車平均需求功率預(yù)測(cè)的自適應(yīng)特性,在提高整車經(jīng)濟(jì)性的同時(shí),減少了燃料電池功率變載及動(dòng)力電池吞吐量,提高了動(dòng)力電池及燃料電池的使用壽命。