燃料電池汽車溷合動力系統(tǒng)參數(shù)匹配與優(yōu)化

1、 燃料電池汽車混合動力系統(tǒng)參數(shù)匹配與優(yōu)化燃料電池作為車用動力電源有效率高、污染小、動力傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單等諸多優(yōu)點，但在實際應(yīng)用中也存在一些問題。（1)燃料電池的輸出特性偏軟，作為車用電源，無法滿足負(fù)載頻繁劇烈的變化，因此必須在電機(jī)控制器和燃料電池之間增加必要的功率部件進(jìn)行阻抗匹配。（2)車用燃料電池作為單一電源其啟動時間長，動態(tài)響應(yīng)速度較慢，無法滿足車輛運行過程中負(fù)載的快速變化需求；燃料電池功率密度較低、成本高，若僅以燃料電池滿足峰值功率需求，勢必會造成整備質(zhì)量和成本的增加；無法吸收回饋能量，不能實現(xiàn)制動能量的回收。在燃料電池發(fā)動機(jī)(FCE)和電機(jī)控制器之間增加峰值功率系統(tǒng)(PPS)，不僅可以

2、吸收回饋能量、降低成本，而且可以彌補FCE啟動時間長、動態(tài)響應(yīng)差的缺點。采用這種結(jié)構(gòu)的動力系統(tǒng)稱為燃料電池混合動力系統(tǒng)?！叭剂想姵?動力蓄電池”是目前研發(fā)的燃料電池混合動力系統(tǒng)主要構(gòu)型，主要有如圖1所示4種結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)(a)、(b)和(c)中，燃料電池和驅(qū)動系統(tǒng)都是間接連接，可以在一些特定條件下的場地車上使用，但受目前燃料電池技術(shù)水平的限制，這3種動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)難以在功率需求和功率波動都比較大的車型上實現(xiàn)。結(jié)構(gòu)(d)的優(yōu)點是：蓄電池可回收再生制動的能量和吸收燃料電池富裕的能量；蓄電池組作為燃料電池發(fā)動機(jī)的輸出功率平衡器，調(diào)節(jié)燃料電池發(fā)動機(jī)的效率與動態(tài)特性，改善整車燃料經(jīng)濟(jì)性，提高動態(tài)響應(yīng)速度。圖1

3、 燃料電池混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對于本文所研究的燃料電池汽車，其車型的整車參數(shù)及動力性指標(biāo)如表1所示。表1 整車參數(shù)和設(shè)計性能要求2 燃料電池混合動力系統(tǒng)參數(shù)匹配2.1 電機(jī)參數(shù)設(shè)計目前，可用作車用驅(qū)動電機(jī)的有直流電機(jī)、交流感應(yīng)電機(jī)、永磁同步電機(jī)、直流無刷電機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)等。交流異步電機(jī)由于結(jié)構(gòu)簡單、堅固且控制性能好，被歐美國家廣泛采用。永磁同步電機(jī)和直流無刷電機(jī)能量密度和效率較高，在日本得到廣泛應(yīng)用。開關(guān)磁阻電機(jī)應(yīng)用較少。電機(jī)是燃料電池汽車驅(qū)動的唯一動力，需要滿足起步、怠速、加速、勻速、減速、爬坡等工況的要求。通常適用于電動車輛使用的電機(jī)外特性如圖2所示。在額定轉(zhuǎn)速nN以下，以恒轉(zhuǎn)矩模式工作，在

4、額定轉(zhuǎn)速nN以上，以恒功率模式工作。相應(yīng)電機(jī)的參數(shù)選擇包括：電機(jī)額定功率PN、電機(jī)最大功率Pmax、電機(jī)額定轉(zhuǎn)速nN和電機(jī)最高轉(zhuǎn)速nmax。圖2 電機(jī)外特性2.1.1 電機(jī)最大功率和額定功率的確定燃料電池電動客車電機(jī)的最大功率的確定，必須按照性能指標(biāo)的要求，滿足最高車速時的功率要求Pe；并且能為車輛提供加速功率Pa和爬坡功率Pc，因此功率參數(shù)的選擇要依照車輛具體的行駛工況，對比各工況下的需求功率值，考慮傳動系效率，選擇其中的最大值作為最大功率值，即： 汽車行駛功率平衡方程式如下： （1）若給出最高車速，忽略加速阻力和上坡阻力： (2)若給出最大爬坡度，則滿足車輛爬坡性能時忽略空氣阻力和加速阻力

5、： 式中，ustab為最小穩(wěn)定車速?；谝陨嫌嬎悖max=160 kW(3)若要滿足車輛的加速性能要求，則在水平良好路面上，車輛的行駛加速度計算式為： 則車輛由起步加速到車速u的加速時間為： 應(yīng)用計算機(jī)編程，電機(jī)功率取額定值，計算得加速時間為23.8 s，則此電機(jī)的功率滿足車輛的加速性能要求。電機(jī)額定功率的選取要考慮到車輛的實際行駛狀況，使車輛的經(jīng)常行駛功率與電機(jī)的經(jīng)濟(jì)區(qū)對應(yīng)，即車輛經(jīng)常使用工況下電機(jī)能以經(jīng)濟(jì)的負(fù)載率運行。通常，電機(jī)額定功率可按照巡航車速來選取，巡航車速一般為0.60.8umax。以巡航車速u=50km/h行駛時所需的功率為驅(qū)動電機(jī)的額定功率： 2.1.2 電機(jī)額定轉(zhuǎn)速和最

6、高轉(zhuǎn)速確定電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速對電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩和傳動系尺寸都有影響。在額定功率一定的前提下，最高轉(zhuǎn)速越低，對應(yīng)的電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩越大，一方面對電機(jī)的支撐要求越高，另一方面要求更大的電機(jī)電流和電力電子設(shè)備電流，增加了功率變換器的尺寸和損耗。但車輛起步加速和穩(wěn)定運行需要電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩減小，只能通過選用高速電機(jī)來解決，這又會增加傳動系尺寸，所以必須綜合考慮最高車速和傳動系尺寸。通過上式計算結(jié)果，考慮到電機(jī)的負(fù)荷率、負(fù)載變化范圍大、車輛應(yīng)有一定的加速爬坡能力等因素，電機(jī)的功率應(yīng)比計算值大。電機(jī)的最大功率只代表當(dāng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速高于基速時的過載能力，電機(jī)以最大功率連續(xù)運轉(zhuǎn)的時間不能超過3060s，因此車輛實際行駛過程中要

7、求電機(jī)的過載時間不能太長。初步選定電機(jī)額定功率100 kW，最大功率160kW，額定轉(zhuǎn)速為1 860 r/min，最高轉(zhuǎn)速為4 800r/min，額定轉(zhuǎn)矩為650 Nm，最大轉(zhuǎn)矩為850 Nm，額定效率94%。2.2 燃料電池發(fā)動機(jī)參數(shù)設(shè)計研究成果表明能作為車用電源的最佳燃料電池是質(zhì)子交換膜型燃料電池(PEMFC)。燃料電池作為單一電源的凈輸出功率PFCE應(yīng)滿足： 式中，DCF為DC/DC效率；Pmax r為最大需求功率；m為電機(jī)及其逆變器效率；PA為輔助設(shè)備功率消耗?？紤]燃料電池的制造成本和比功率等因素，在滿足設(shè)計性能要求的基礎(chǔ)上，應(yīng)盡可能降低其功率級別?；旌闲褪较?，燃料電池功率滿足車輛持續(xù)

8、最高車速行駛時的功率需求即可： 2.3 動力蓄電池參數(shù)設(shè)計混合動力電動汽車上的動力蓄電池有兩種工作模式：輔助動力模式和雙動力模式。前者偏重蓄電池的功率特性，后者還要求蓄電池具有一定的能量特性。本動力系統(tǒng)采用輔助動力模式。輔助動力模式下的動力蓄電池，要求電池具有瞬間大電流充放電的能力，雖然充放電電流很大，但由于持續(xù)時間都較短，因此電池SOC的波動范圍不大。目前可以作為車用輔助動力源的蓄電池有：鉛酸電池、鎳氫電池、鋰離子電池。其中鋰離子電池具有較出色的功率能量性能，但存在使用安全的問題。對蓄電池的參數(shù)設(shè)計主要有3個性能要求：電壓等級、功率需求和能量需求。首先，電池電壓等級要與電機(jī)的電壓等級保持一致

9、，其次就是最大充放電功率要滿足電機(jī)的 功率需求和能量需求。理論上，電機(jī)的峰值功率越大，電氣系統(tǒng)的電壓等級越高，對保證電流不超過一定限值是有利的，但是電壓等級也不能超過電氣系統(tǒng)的最高電壓限值。研究統(tǒng)計表明，串并聯(lián)結(jié)構(gòu)的混合動力客車及其純電動汽車，電壓等級為300650 V。作為混合動力系統(tǒng)的PPS，蓄電池最大放電功率必須滿足： 同時蓄電池還必須具備一定的充電功率，以吸收制動時的回饋能量。考慮到電池的特性和電機(jī)的回饋功率，充電功率應(yīng)大于70kW。輔助動力模式情況下，對蓄電池的能量要求不像功率要求那么嚴(yán)格，一般可以滿足需要。通過以上匹配計算確定混合動力系統(tǒng)主要部件參數(shù)，如表2所示。表2 燃料電池混合

10、動力系統(tǒng)主要部件參數(shù)3 燃料電池混合動力系統(tǒng)優(yōu)化3.1 優(yōu)化模型優(yōu)化設(shè)計以滿足動力性指標(biāo)為前提，以給定的循環(huán)工況作為輸入，以燃料消耗量最小為優(yōu)化目標(biāo)，即： 有以下5個約束條件：(1)由能量守恒得： (2)維持蓄電池SOC值運行前后不變： (3)燃料電池發(fā)動機(jī)的功率約束： (4)動力蓄電池的工作邊界： (5)電動機(jī)的工作邊界： 式中，Pbat為蓄電池功率，F(xiàn)CE為燃料電池發(fā)動機(jī)效率，ibat為充放電電流，Ubat_dis_min為放電截止電壓，Ubat為充放電電壓，ibat_cha_max為最大充電電流，Ubat_cha_max為充電截止電壓，ibat_dis_max為最大放電電流，PFCE_o

11、ut為輸出功率，m_m為電動轉(zhuǎn)速，m_g為發(fā)電轉(zhuǎn)速，Tm_m為電動轉(zhuǎn)矩，Tm_g為發(fā)電轉(zhuǎn)矩，g_max為發(fā)電最大轉(zhuǎn)速，Tg_max為發(fā)電最大轉(zhuǎn)矩，PFCE_min為最小輸出功率，PFCE_max為最大輸出功率，PFCE為最大輸出功率變化率。3.2 控制策略不同的控制策略對整車相應(yīng)的零部件的性能和要求不同，串聯(lián)式混合動力汽車采用的典型的兩種能量管理策略有開關(guān)式控制策略和功率跟隨式控制策略。(1)開關(guān)式控制策略。發(fā)動機(jī)開關(guān)由電池SOC的上下限決定，發(fā)動機(jī)工作時，其工作在最佳燃料經(jīng)濟(jì)性點上，該控制策略主要由蓄電池來跟隨和響應(yīng)整車的功率需求。(2)功率跟隨式控制策略。由功率需求和電池SOC決定發(fā)動機(jī)啟

12、停，發(fā)動機(jī)工作時處在最佳燃料經(jīng)濟(jì)性曲線上，且盡量維持蓄電池SOC在設(shè)定的值，以保證續(xù)駛里程。通過對比分析不同的控制策略以及控制參數(shù)的優(yōu)化結(jié)果，綜合考慮和分析得到適合不同設(shè)計需求的零部件選型和優(yōu)化方案。3.3 優(yōu)化結(jié)果分析針對上面的優(yōu)化問題及控制策略，對其建立整車、零部件以及控制策略的模型；并基于Advisor庫中NYCC、ECE和New YorkBUS 3種具有代表性的城市循環(huán)工況相加進(jìn)行優(yōu)化仿真，采用MAT-LAB優(yōu)化工具箱中的序列二次規(guī)劃(SQP)算法作為優(yōu)化問題的求解器，設(shè)計變量主要包括燃料電池發(fā)動機(jī)功率PFCE、動力蓄電池單體數(shù)量nbat以及SOC值域，對兩種控制策略進(jìn)行比較分析其優(yōu)化

13、結(jié)果如表3所示。表3 不同控制策略的優(yōu)化結(jié)果開關(guān)式控制策略一般應(yīng)用于燃料電池發(fā)動機(jī)動態(tài)響應(yīng)差、以蓄電池為主要動力源的能量混合型車型，因此一般采用比較大的蓄電池。對于這種控制策略，當(dāng)電池SOC在0.30.7之間時，意味著蓄電池需要在很大范圍內(nèi)提供動力，該控制方式下，燃料電池很少參與工作，大部分工況由蓄電池提供動力；而當(dāng)電池SOC在0.40.6之間時，由于SOC控制范圍小，即蓄電池的工作范圍比較小，最終優(yōu)化得到的蓄電池模塊數(shù)相對于電池SOC在0.30.7的控制策略少。電池SOC在0.30.7之間時，主要由蓄電池提供動力，電池容量大，充放電電流小，效率高，且電量的消耗均在燃料電池最高效率點補充，所以

14、經(jīng)濟(jì)性好；而電池SOC在0.40.6之間時，蓄電池容量小，充放電電流大，效率低，且發(fā)動機(jī)啟動和停止時，由于有功率變化率的限制，消耗的燃料也多，所以經(jīng)濟(jì)性比電池SOC在0.30.7之間差，見圖3。圖3 開關(guān)控制策略結(jié)果功率跟隨式控制策略適用于燃料電池發(fā)動機(jī)有較好的動態(tài)響應(yīng)，以燃料電池發(fā)動機(jī)為主要動力源，且為中度或輕度混合的車型。該控制策略要求燃料電池能提供大部分的驅(qū)動能量，由圖4可以看到，燃料電池提供了大部分的能量，蓄電池用來彌補燃料電池不足的功率需求，其功率輸出基本在20kW以下，且電池SOC基本維持在0.5附近。由于燃料電池發(fā)動機(jī)動態(tài)變化，其工況點不是經(jīng)濟(jì)性最佳點，但由于燃料電池在很大的范圍內(nèi)有很高的效率，所以功率跟隨式控制策略得到的燃料經(jīng)濟(jì)性比開關(guān)式控制策略電池SOC在0.40.6之間得到的經(jīng)濟(jì)性好，但比電池SOC在0.30.7之間的經(jīng)濟(jì)性差。由于工況的平均功率需求為50 kW左右，為了滿足動力性指標(biāo)要求，需要的功率為200 kW左右，雖然兩種不同的控制策略導(dǎo)致基于工況的主要功率輸出部件不同，但由于動力性指標(biāo)的限制，最終的結(jié)果零部件的功