陳 準(zhǔn)，張瑞亮，徐樂(lè)鵬

（太原理工大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院，山西 太原 030024）

1 引言

全球汽車產(chǎn)業(yè)一直在追求創(chuàng)新，積極尋求更加高效與清潔的車用能源技術(shù)，而燃料電池因其高效、零排放、節(jié)能等優(yōu)勢(shì)，無(wú)疑成為非常理想的能量源，然而以燃料電池作為汽車唯一的能量來(lái)源時(shí)，燃料電池堆工況變化劇烈將導(dǎo)致其性能衰退速度較快［1］，而且燃料電池?zé)o法對(duì)制動(dòng)能量進(jìn)行回收。

為解決這些問(wèn)題，一般采用燃料電池+輔助能量源（動(dòng)力電池或超級(jí)電容）的混合驅(qū)動(dòng)構(gòu)型［2］，利用輔助能量源來(lái)解決純?nèi)剂想姵仄嚧嬖诘膯?wèn)題。

由于多種能量源的存在，整車需要合理分配燃料電池和其他動(dòng)力源之間的能量，實(shí)現(xiàn)各能量源之間的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，進(jìn)而提高整車經(jīng)濟(jì)性。

這里以某燃料電池重卡為研究對(duì)象，根據(jù)整車經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性要求，對(duì)整車動(dòng)力系統(tǒng)部件進(jìn)行選型與參數(shù)匹配，制定了一種基于模糊控制方法的能量管理策略，并采用AVL Cruise 與MATLAB/Simulink聯(lián)合仿真的方法，對(duì)所提出的整車動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案以及能量管理策略進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

2 整車動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)型方案

燃料電池汽車整車動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)型方案主要有：燃料電池與動(dòng)力電池組（FC+B）混合驅(qū)動(dòng)、燃料電池與超級(jí)電容（FC+C）混合驅(qū)動(dòng)以及燃料電池與超級(jí)電容、動(dòng)力電池組（FC+B+C）混合驅(qū)動(dòng)［3］。

FC+B混合驅(qū)動(dòng)構(gòu)型是在純?nèi)剂想姵仳?qū)動(dòng)的基礎(chǔ)上，并聯(lián)了動(dòng)力電池，動(dòng)力電池起到了“削峰填谷”的作用，并且能夠回收制動(dòng)能量，該動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)型，如圖1所示。

圖1 燃料電池與動(dòng)力電池（FC+B）混合驅(qū)動(dòng)構(gòu)型Fig.1 Hybrid Driving Configuration of Fuel Cell and Power Battery（FC+B）

FC+C混合驅(qū)動(dòng)構(gòu)型能很好解決燃料電池汽車的動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢及冷啟動(dòng)時(shí)間比較長(zhǎng)的問(wèn)題，但是超級(jí)電容比能量較低，限制了超級(jí)電容的放電時(shí)間，無(wú)法滿足純電模式下的續(xù)駛里程需求［2］。FC+B+C混合驅(qū)動(dòng)構(gòu)型有效結(jié)合了三種動(dòng)力源的優(yōu)點(diǎn)，但其結(jié)構(gòu)形式非常復(fù)雜，給燃料電池汽車的整車控制與參數(shù)匹配帶來(lái)諸多技術(shù)困難，難以在工程實(shí)際中應(yīng)用。根據(jù)上述分析，燃料電池重卡采用燃料電池+動(dòng)力電池（FC+B）混合驅(qū)動(dòng)構(gòu)型。

3 整車動(dòng)力系統(tǒng)部件選型與參數(shù)匹配

FC+B混合驅(qū)動(dòng)構(gòu)型的動(dòng)力系統(tǒng)主要部件包括電機(jī)、動(dòng)力電池以及燃料電池，可根據(jù)整車基本參數(shù)和設(shè)計(jì)指標(biāo)要求對(duì)各個(gè)部件進(jìn)行選型和參數(shù)匹配，所研究的燃料電池重卡為某（4×2）燃料電池半掛牽引車及其牽引的三橋半掛車，整車基本參數(shù)，如表1所示。

表1 燃料電池重卡基本參數(shù)Tab.1 Basic Parameters of Fuel Cell Heavy Truck

3.1 電機(jī)參數(shù)確定

3.1.1 電機(jī)功率確定

（1）整車以最高車速行駛時(shí)，其電機(jī)功率計(jì)算式為：

式中：ηt—電機(jī)輸出軸至車輪之間的機(jī)械傳動(dòng)總效率，ηt=0.96；m—整車滿載總質(zhì)量；g—重力加速度；f—滾動(dòng)阻力系數(shù)；CD—空氣阻力系數(shù)；A—迎風(fēng)面積；umax—最高車速。

（2）整車以最大爬坡度行駛時(shí)，其電機(jī)功率計(jì)算式為：

式中：uα—爬坡車速；α—最大爬坡度對(duì)應(yīng)坡度角。

（3）根據(jù)（0～50）km/h最短加速時(shí)間確定電機(jī)功率，其經(jīng)驗(yàn)計(jì)算式［4］為：

式中：δ—旋轉(zhuǎn)質(zhì)量系數(shù)；ua—汽車加速過(guò)程的末速度；t—加速時(shí)間。

將整車參數(shù)代入以上三個(gè)計(jì)算式，求得滿足不同動(dòng)力性能指標(biāo)所需的電機(jī)功率，其結(jié)果，如表2所示。

表2 不同動(dòng)力性指標(biāo)所需電機(jī)功率Tab.2 Motor Power Required for Different Dynamic Performance Indexes

最終所選取的驅(qū)動(dòng)電機(jī)峰值功率Pmax必須同時(shí)保證汽車達(dá)到以上三種動(dòng)力性指標(biāo)，即：

3.1.2 電機(jī)轉(zhuǎn)速確定根據(jù)最高車速計(jì)算電機(jī)額定轉(zhuǎn)速：

式中：ne—電機(jī)額定轉(zhuǎn)速；ig—變速器最高擋位速比；i0—驅(qū)動(dòng)橋速比；r—輪胎滾動(dòng)半徑。

驅(qū)動(dòng)電機(jī)的峰值轉(zhuǎn)速與額定轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系為：

式中：nmax—電機(jī)峰值轉(zhuǎn)速；β—電機(jī)擴(kuò)大恒功率區(qū)系數(shù)，一般取β=（2～4）。

3.1.3 電機(jī)轉(zhuǎn)矩確定

電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩可根據(jù)電機(jī)的額定功率和額定轉(zhuǎn)速求得：

式中：Te—驅(qū)動(dòng)電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩；Pe—電機(jī)額定功率；ne—電機(jī)額定轉(zhuǎn)速。驅(qū)動(dòng)電機(jī)的峰值轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系為：

式中：Tmax—驅(qū)動(dòng)電機(jī)峰值轉(zhuǎn)矩（N·m）；λ—電機(jī)過(guò)載系數(shù)，取λ=2。

綜合以上計(jì)算結(jié)果，結(jié)合當(dāng)前市場(chǎng)上可選的電機(jī)，最終選擇永磁同步電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，基本參數(shù)，如表3所示。

表3 驅(qū)動(dòng)電機(jī)基礎(chǔ)參數(shù)Tab.3 Basic Parameters of Drive Motor

3.2 燃料電池參數(shù)確定

燃料電池應(yīng)在大部分工況下單獨(dú)驅(qū)動(dòng)整車行駛，并且能在整車需求功率較小時(shí)為動(dòng)力電池充電，燃料電池的功率應(yīng)滿足，如式（9）所示。

式中：m—整車滿載質(zhì)量；ηDC—DC/DC工作效率，ηDC=0.95；Pch—輔助設(shè)備功率消耗功率，包括汽車照明與信號(hào)、儀表及指示燈等系統(tǒng)或設(shè)備的消耗，Pch=15kW；u—車輛目標(biāo)行駛工況下的平均車速，u=40km/h；ηmot—電動(dòng)機(jī)及其逆變器效率，ηmot=0.9。計(jì)算可得Pfc=93.82kW，將燃料電池的輸出功率取為Pfc=95kW，選用質(zhì)子交換膜燃料電池。

3.3 動(dòng)力電池組參數(shù)確定

動(dòng)力電池組的參數(shù)匹配主要包括電池電壓和容量等。選取磷酸鐵鋰電池作為該燃料電池重卡的動(dòng)力電池。

選定驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定電壓為560V，考慮其他輔助消耗因素以及目前市場(chǎng)上的動(dòng)力電池組情況，取動(dòng)力電池組額定電壓為576V。

當(dāng)燃料電池重卡在常用車速等速行駛并由動(dòng)力電池組單獨(dú)供電時(shí)，動(dòng)力電池組的負(fù)載功率為：

式中：Pele—?jiǎng)恿﹄姵亟M負(fù)載功率；ηbat—?jiǎng)恿﹄姵亟M放電效率；ηbat=0.95；uele—該重卡常用工況下等速行駛的車速。

設(shè)定燃料電池重卡在動(dòng)力電池單獨(dú)供電時(shí)以u(píng)ele=40km/h的等速條件行駛S=50km所需的能量為：

式中：W—?jiǎng)恿﹄姵亟M消耗的能量；ζsoc—?jiǎng)恿﹄姵亟M有效放電容量（15～95）%，ζsoc=0.8；C—?jiǎng)恿﹄姵亟M容量；U0—?jiǎng)恿﹄姵亟M額定電壓。

聯(lián)立式（10）、式（11），滿足燃料電池重卡動(dòng)力性能要求和設(shè)計(jì)目標(biāo)續(xù)駛里程的動(dòng)力電池組容量為：

在動(dòng)力電池放電深度一定時(shí)，經(jīng)計(jì)算動(dòng)力電池組容量C=200.7A·h?？紤]動(dòng)力電池存在內(nèi)阻、整車附件耗電及單體電池一致性等問(wèn)題，最終確定動(dòng)力電池組容量C為228A·h。

4 能量管理策略研究

4.1 能量管理策略制定原則

能量管理策略的目的是：當(dāng)整車需求功率和動(dòng)力電池荷電狀態(tài)SOC處于不同的狀態(tài)時(shí)，合理分配動(dòng)力電池與燃料電池的功率輸出，盡可能保證燃料電池工作在高效率區(qū)域，保持動(dòng)力電池的SOC在設(shè)定范圍內(nèi)，從而提高整車燃料經(jīng)濟(jì)性并提升燃料電池和動(dòng)力電池的耐久性。

4.1.1 燃料電池系統(tǒng)的工作區(qū)間確定

燃料電池系統(tǒng)工作區(qū)間確定方法與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)相似，主要是為了提高整車的燃料經(jīng)濟(jì)性，因此燃料電池工作區(qū)間的確定需要考慮燃料電池的工作效率，該款燃料電池系統(tǒng)的功率-效率曲線，如圖2所示。

圖2 燃料電池功率-效率曲線Fig.2 Power-Efficiency Curve of Fuel Cell

當(dāng)燃料電池功率過(guò)高或過(guò)低時(shí)，燃料電池工作效率急劇下降，為保證燃料電池工作時(shí)的系統(tǒng)效率，設(shè)定燃料電池的最小工作功率Pfcmin=10kW，燃料電池最大工作功率Pfcmax=90kW。

4.1.2 動(dòng)力電池組值SOC上限和下限的確定

當(dāng)SOC 較大或較小時(shí)，動(dòng)力電池開(kāi)路電壓值隨SOC 值變化較快，動(dòng)力電池放電過(guò)程中開(kāi)路電壓OCV隨SOC值變化情況，如圖3所示。

圖3 動(dòng)力電池放電曲線Fig.3 Discharge Curve of Power Battery

為了保證動(dòng)力電池開(kāi)路電壓值變化在變化較平緩區(qū)域，需設(shè)置動(dòng)力電池剩余電量SOC 的上下限值［5］，設(shè)定動(dòng)力電池SOClow=0.2，SOChigh=0.8。

4.2 基于模糊控制的能量管理策略

模糊控制是輸入輸出變量與語(yǔ)言控制規(guī)則的定量關(guān)系算法結(jié)構(gòu)，基于模糊控制的能量管理策略，其算法不局限于單一、固定的數(shù)值，也不依賴精準(zhǔn)數(shù)學(xué)模型［7］，其控制過(guò)程分為模糊化、模糊規(guī)則，模糊推理決策、解模糊化四個(gè)主要部分［8］。

4.2.1 模糊控制器設(shè)計(jì)

燃料電池重卡模糊控制能量管理策略以動(dòng)力電池剩余電量SOC、整車行駛需求功率Preq為輸入變量，以燃料電池的需求輸出功率Pfc為輸出變量［9］，模糊控制器設(shè)計(jì)，如圖4所示。

圖4 整車模糊控制器Fig.4 Vehicle Fuzzy Controller

4.2.2 輸入量與輸出量的隸屬度函數(shù)

制定模糊控制能量管理策略需要確定動(dòng)力電池剩余電量SOC、行駛需求功率Preq、輸出功率Pfc的基本論域，劃分各變量的模糊子集并確定各自的隸屬度函數(shù)。

根據(jù)該車型的常用車況，設(shè)置模糊控制整車峰值需求功率值在130kW，整車需求功率Preq的論域?yàn)椋?，130］，整車需求功率隸屬函數(shù)，如圖5所示。

圖5 整車需求功率隸屬函數(shù)Fig.5 Membership Function of Vehicle Power Demand

動(dòng)力電池SOC基本論域在［0，1］之間，但當(dāng)電池SOC值過(guò)大或過(guò)小時(shí)，動(dòng)力電池的內(nèi)阻及輸出電壓變化很大，增加電能損耗，影響電池的充放電效率，因此需要對(duì)SOC的范圍做一些調(diào)整，將其論域調(diào)整為［0.2，0.8］，動(dòng)力電池SOC隸屬函數(shù)，如圖6所示。

圖6 SOC隸屬函數(shù)Fig.6 Membership Function of SOC

燃料電池系統(tǒng)最大放電功率為95kW，可定義燃料電池需求功率Pfc隸屬度函數(shù)的論域?yàn)椋?，95］，基于燃料電池的效率曲線，燃料電池在（10～90）kW 的時(shí)候效率相對(duì)較高，定義實(shí)際論域?yàn)椋?0，90］，燃料電池輸出功率隸屬函數(shù)，如圖7所示。

圖7 燃料電池輸出功率隸屬函數(shù)Fig.7 Membership Function of Fuel Cell Output Power

在模糊控制器中，將動(dòng)力電池剩余電量SOC、行駛需求功率Preq、燃料電池需求輸出功率Pfc分別劃分為VS、S、M、B、VB，各有5個(gè)模糊子集。

4.2.3 模糊規(guī)則庫(kù)制定

根據(jù)車輛當(dāng)前需求功率Preq和SOC值的不同，模糊控制規(guī)則按以下要求進(jìn)行設(shè)計(jì)：

（1）當(dāng)Preq較大時(shí)，若SOC較高，則動(dòng)力電池和燃料電池共同輸出能量，燃料電池需要提供的功率較?。?/p>

（2）當(dāng)Preq較大時(shí)，若SOC較低，動(dòng)力電池和燃料電池共同輸出能量，燃料電池需要提供的功率較大；

（3）當(dāng)Preq較小時(shí)，若SOC較低，這種情況下動(dòng)力電池放電電流較小，燃料電池既要滿足整車功率需求，同時(shí)還需給動(dòng)力電池充電，因此燃料電池需要提供較大的功率。

（4）當(dāng)Preq較小時(shí)且SOC較高時(shí)，則燃料電池僅需提供較小功率。根據(jù)以上要求，制定模糊控制規(guī)則庫(kù)，如表4所示。其中包含25條控制規(guī)則。

表4 模糊控制規(guī)則Tab.4 Fuzzy Control Rule

根據(jù)以上的模糊控制規(guī)則，得到模糊控制能量管理策略的模糊控制曲面，如圖8所示。

圖8 模糊控制曲面Fig.8 Fuzzy Control Surface

5 基于CRUISE的燃料電池重卡仿真

5.1 仿真建模

燃料電池重卡采用后輪驅(qū)動(dòng)型式，其驅(qū)動(dòng)力從驅(qū)動(dòng)電機(jī)發(fā)出，經(jīng)過(guò)離合器、變速箱、主減速器、差速器和半軸傳到驅(qū)動(dòng)輪，燃料電池和動(dòng)力電池并聯(lián)為驅(qū)動(dòng)電機(jī)以及車載用電附件提供能量，利用AVL Cruise仿真軟件中的元件庫(kù)建立燃料電池重卡整車物理模型。

在Simulink中建立基于模糊控制的能量管理策略，并將通過(guò)Matlab/DLL接口模塊與整車物理模型，對(duì)整車動(dòng)力性指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)進(jìn)行仿真驗(yàn)證。在Simulink中建立的能量管理策略模型，如圖9所示。燃料電池重卡聯(lián)合仿真模型，如圖10所示。

圖9 能量管理策略Simulink模型Fig.9 Simulink Model of Energy Management Strategy

圖10 燃料電池重卡聯(lián)合仿真模型Fig.10 Co-Simulation Model of Fuel Cell Heavy Truck

5.2 動(dòng)力性能仿真計(jì)算

5.2.1 最高車速計(jì)算

在AVL Cruise軟件中設(shè)定求解計(jì)算任務(wù)，采用簡(jiǎn)單計(jì)算模式對(duì)最高車速進(jìn)行仿真計(jì)算。由仿真結(jié)果可知，燃料電池重卡的最高車速達(dá)到了94 km/h，各常用擋位對(duì)應(yīng)的最高車速，如表5所示。

表5 常用擋位下的最高車速Tab.5 Maximum Speed in Common Gear

5.2.2 加速性能仿真計(jì)算

根據(jù)汽車運(yùn)動(dòng)學(xué)理論，牽引汽車車速由u1加速至車速u(mài)2，所需時(shí)間為：

根據(jù)整車動(dòng)力性指標(biāo)要求，對(duì)燃料電池重卡（0～50）km/h原地起步加速時(shí)間進(jìn)行仿真驗(yàn)證，設(shè)置換擋方式為根據(jù)最大加速度方式換擋。仿真得到的全負(fù)荷加速時(shí)間與速度曲線，如圖11所示。從仿真數(shù)據(jù)查表可得（0～50）km/h的原地起步加速時(shí)間為37s。

圖11 燃料電池重卡原地起步加速時(shí)間曲線Fig.11 Acceleration Time Curve of Fuel Cell Heavy Truck Starting in Situ

5.2.3 最大爬坡度仿真計(jì)算

對(duì)燃料電池重卡進(jìn)行最大爬坡性能的仿真計(jì)算，其各擋位對(duì)應(yīng)的最大爬坡度仿真結(jié)果，如表6所示。燃料電池重卡在1擋時(shí)可達(dá)到32.23%的最大爬坡度，滿足爬坡度不低于20%的設(shè)計(jì)目標(biāo)要求。

表6 各擋位最大爬坡度Tab.6 Maximum Gradient of Each Gear

5.3 經(jīng)濟(jì)性仿真計(jì)算

該款燃料電池重卡主要用于中低速工況行駛，結(jié)合實(shí)際運(yùn)行情況，最終采用城市UDC循環(huán)工況、六工況和40km/h等速工況進(jìn)行仿真計(jì)算。

在氫燃料電池發(fā)電的過(guò)程中，通過(guò)化學(xué)反應(yīng)將化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能，根據(jù)氫燃料消耗量與電耗量之間的等效算法［10］，將儲(chǔ)能元件提供給驅(qū)動(dòng)電機(jī)的能量帶入進(jìn)行換算，可將燃料電池重卡在循環(huán)工況下行駛的電耗值轉(zhuǎn)換成為等效氫耗值：

式中：qH—?dú)錃獾臒嶂?，qH=1.4×108J/kg；ηfc—該氫燃料電池的平均輸出效率，ηfc=60%。

各工況等效氫耗轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，如表7～表9所示。

表7 UDC工況下，經(jīng)濟(jì)性仿真結(jié)果對(duì)比Tab.7 Comparison of Economic Simulation Results Under UDC Condition

表8 六工況下，經(jīng)濟(jì)性仿真結(jié)果對(duì)比Tab.8 Comparison of Economic Simulation Results Under Six Working Condition

表9 40km/h等速工況下，經(jīng)濟(jì)性仿真結(jié)果對(duì)比Tab.9 Comparison of Economic Simulation Results Under 40 km/h Constant Speed Condition

通過(guò)最終仿真結(jié)果數(shù)據(jù)對(duì)比可知，UDC 工況下等效百公里氫耗量最大，基于燃料電池效率的模糊控制能量管理策略相較于傳統(tǒng)功率跟隨式能量控制策略的燃料經(jīng)濟(jì)性等效提升比達(dá)到3%。40km/h等速工況下，等效百公里氫耗量5.15kg氫氣，等效氫耗量最小，這主要是由于該工況下需求功率比較平穩(wěn)，與傳統(tǒng)功率跟隨能量管理策略相比，基于燃料電池效率的模糊控制能量管理策略對(duì)燃料經(jīng)濟(jì)性提升較小。在六工況下，該工況功率需求變化較大，相較于傳統(tǒng)能量管理策略，基于燃料電池效率的模糊控制策略的百公里氫耗提升較為明顯，等效提升比達(dá)到了11%。

6 結(jié)論

針對(duì)某燃料電池重卡，根據(jù)整車參數(shù)和設(shè)計(jì)指標(biāo)對(duì)其動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行了選型和參數(shù)匹配計(jì)算，并制定了一種基于模糊控制方法的能量管理策略，利用AVL Cruise 與MATLAB/Simulink 進(jìn)行聯(lián)合仿真，結(jié)果表明整車動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案能夠保證整車動(dòng)力性，提出的能量管理策略有效的提高了整車燃料經(jīng)濟(jì)性，在UDC工況、六工況、40km/h等速工況下，燃料經(jīng)濟(jì)性等效提升比分別達(dá)到了3%、11%、1%。