燃料电池汽车混合度与能量管理策略研究

宋昱，韩恺，李小龙，王东洋

（北京理工大学，北京100081）

　　摘要：针对目标车辆，以满足车辆动力性为前提，进行燃料电池动力系统静态匹配，并基于GT-Suite平台建立燃料电池动力系统模型及整车模型。以NEDC循环（新欧洲行驶工况）为研究工况开展在不同混合度下，不同能量管理策略对整车经济性的影响规律及影响机理研究，为确定燃料电池轿车最优能源配置提供依据。结果表明，燃料电池动力系统混合度及能量管理策略差异会导致燃料电池、动力电池功率分配以及运行时间不同，进而影响动力系统效率进而影响整车经济性；功率跟随模式在中混合度情况下整车经济性最优，开关控制模式在低混合度情况下整车经济性最优。

　　在世界能源危机日益严重、环境污染恶化的大背景下^[1]，氢燃料电池汽车对稳定能源供给、改善能源结构、提升国际竞争力和科技创新实力具有显著的意义，成为新能源汽车发展的重要技术方向[2]。

　　在燃料电池车辆混合动力系统中，目前主要有纯燃料电池、燃料电池加动力电池、燃料电池加超级电容等6种配置方案，其中燃料电池加动力电池的动力配置方案具有加速性好，可靠性高，经济性好的优点，被广为应用^[3]。在燃料电池加动力电池的动力系统配置中存在两种动力源功率组合以及分配问题^[4]，混合动力汽车不同动力源的功率组合称为混合度^[5]，混合度对燃料电池与动力电池工作效率有较大影响，影响了整车经济性^[6]。而整车能量管理策略基于事件与时间，合理分配主、辅电源输出功率分配，保证整车性能要求以及各部件合理的工作状态^[7]，对经济性有着显著的影响^[8-10]。混合度与能量管理策略对整车经济性与动力性有着复杂关系，因此如何针对不同混合度的混合动力系统科学选取合适的控制策略成为亟待解决的问题之一^[11]。现阶段针对该方面内容，国内的研究主要是基于整车指标和行驶循环，研究不同混合度对燃料电池燃料经济性的影响。张涛研究了在不同循环工况下，混合度对整车动力系统经济性的影响，并考虑到了购置成本随混合度变化情况^[11]。赵治国通过制定自适应能量管理策略，研究了NEDC工况下不同混合度下整车经济性和动力性^[12]。王勇等人研究了不同工况下，混合度对燃油经济性的影响，但未考虑到能量管理策略对经济性的影响^[13]。

　　本文将针对目标车辆进行动力系统匹配，基于GT-Suite平台建立整车动力系统模型，研究不同能量管理策略与混合度，两者对电-电混合燃料汽车燃油经济性的影响规律。

　　1动力系统选取与参数设计

　　1.1整车参数及动力性要求分析

　　原型车基本参数如表1所示。

　　整车动力性指标如表2所示。

　　1.2电机参数

　　1.3燃料电池混合度边界选取原则

　　考虑到DCDC效率以及沿程损耗，取转换效率90%^[5]，取总功率需求为55kW，由于混合度改变，燃料电池与动力电池功率占比不同，燃料电池最小功率选取应当考虑到燃料电池单独工作时，保证车辆以80km/h持续行驶。由式（2）—式（4）可以得到燃料电池最小功率为11kW。动力电池应满足峰值功率需求，以及回收制动能量需求。

　　燃料电池与动力电池两种能量总功率为55kW，当燃料电池功率最小为11kW时，混合度约为0.2。动力电池在工况中起到削峰填谷的作用，并且回收制动能量，动力电池最小峰值功率为20kW，此时混合度约为0.6。混合度为0.1为最小间隔，可以得到表4所示功率混合度配比表。

　　1.4动力电池参数选型

　　本文选用某公司生产的磷酸铁锂电池^[15]，其基本参数如下表5所示。

　　考虑到动力电池需要满足1.3中不同混合度的功率需求，得到不同混合度的动力电池模块，如表6所示。

　　1.5评价指标

　　本文选用等效百公里氢耗量作为经济性指标，百公里氢耗量将动力电池中初末差值电量等效转换为氢气量。

　　等效百公里耗氢量计算式为：

　　2能量管理策略

　　目前，能量管理策略主要分为规则式能量管理策略与基于优化的能量管理策略^[13]。针对燃料电池动力系统，被普遍使用的能量管理策略为开关控制策略与功率跟随控制策略^[4]。本文主要研究这两种策略在不同混合度下对经济性造成的影响。

　　2.1开关控制策略

　　开关控制策略根据动力电池SOC（State of Charge）荷电状态来启动关闭燃料电池。燃料电池在恒定点工作，其控制效果图如图1所示。开关模式的基本思路为：燃料电池在定点工作，动力电池作为功率平衡装置来满足具体的汽车行驶要求^[3]。

　　当动力电池SOC低于设定值最低限度时，燃料电池以额定功率工作；当动力电池SOC高于设定最高额度时，燃料电池关闭；当动力电池在高低设定值之间，维持上一时刻状态，减少燃料电池开启次数。根据资料，对于电动车PEMFC发动机，一般选定单池电压为0.6~0.65V^[16]，本文中选定单片电压为0.65V，进而根据电池组片数确定总功率。

　　P_req为燃料电池需求功率，P_req按不同混合度依据表4取值，SOC_max，SOC_min分别为动力电池荷电状态最高限值与最低限值。

　　2.2功率跟随控制策略

　　功率跟随管理策略基本思想为依照动力电池SOC与功率需求调整燃料电池输出，使动力电池处于理想电量附近以最佳状态进行浅循环充放电工作。其控制效果图如图2所示，当燃料电池低于SOC_min或者电动机需求功率较高，蓄能器功率不足，燃料电池需要工作给负载提供动力；当动力电池和电量高于SOC_max，且电机需求功率较小，燃料电池处于关闭状态。当燃料电池处于状态跟随状态时，电机需求功率不大，动力电池荷电状态较好，燃料电池跟随上一时刻状态，减少燃料电池开关次数，延长燃料电池寿命^[15]。为了更加直观说明该控制原理，功率跟随控制模式如图2所示。

　　燃料电池工作时的均衡功率，需要同时考虑到电机工作需求与动力电池荷电状态，使动力电池SOC维持在期望值附近。

　　power_charge为动力电池额定功率，SOC_max，SOC_min分别为动力电池SOC高低设定值，SOC为当前SOC值，spdscale为传输系数，Pfc为燃料电池额定功率。

　　3整车动力模型建立

　　本文根据选取动力系统参数，基于实验数据与汽车动力学理论建模，建立基于GT-Suite的前向仿真模型，该模型可以对基于整车模型的动力系统关键元器件进行仿真。建立模型如图3所示。

　　3.1动力电池模型

　　本文使用简单内阻模型对电池进行仿真。由能量守恒可以得到：

　　3.2燃料电池模型

　　燃料电池模型为机理模型，根据电流电压曲线与功率密度曲线可以得到极化曲线图，极化曲线可以由下式描述：

　　3.3电机模型

　　电机模型数据由实验得来，发电状态与做功状态的效率η为电机转速n以及扭矩T的函数，即：

　　3.4整车动力学模型

　　本文仅考虑汽车纵向运动特性，即车辆直线行驶过程中，电机需满足加速要求，爬坡性能，克服空气阻力，高速行驶等要求^[7]。车辆主要受牵引力制动力、滚动阻力、空气阻力、坡道阻力、加速阻力。

　　3.5模型校核

　　在建立基于实验数据以及汽车动力学理论的前向仿真模型后，本文分别就百公里加速以及最高车速进行校核，由于本文以NEDC工况为研究工况，最大爬坡度不做校核。

　　由图4可得车辆百公里加速时间在12.27s，不超过15s，满足车辆加速的设计要求。图5为车辆在NEDC工况下车辆行驶速度图，可以从中看出实际行驶速度很好地跟随了设定值，两条曲线重合，最高速度达到120km/h，满足车辆最高行驶速度的设计要求。

　　4仿真结果分析

　　在进行参数设计以及能量管理策略制定之后，本文基于GT-Suite平台搭建了整车及动力系统模型，在NEDC工况下对混合度与能量管理策略对动力系统经济性进行研究，得到以下结果。

　　4.1不同混合度下燃料电池状态变化

　　图6为开关控制策略下不同混合度条件下燃料电池输出变化情况，由图6可知，在开关控制策略模式下，燃料电池始终工作在额定工作点，随着混合度的增大，燃料电池输出功率增大，充电能力增强，工作时间减小。

　　图7为功率跟随控制策略下不同混合度条件下燃料电池输出功率的变化情况，由图可知，在功率跟随控制策略模式下，随着动力电池荷电状态（SOC）不断改变，需求功率不断发生变化，燃料电池的输出功率随之改变，不再工作于额定状态。图8展示了燃料电池不同混合度下，功率跟随模式燃料电池开关次数与开启时刻变化，可以看出随着动力系统混合度的增大，燃料电池最大输出功率增大，仅在大功率需求阶段工作，所以开关次数随混合度增大而减少，起始工作点后移。

　　突然变载、启停次数增加会导致电池性能衰减与寿命缩短[17]。在相同混合度下，相对于开关控制模式，功率跟随模式燃料电池工作状态不断变化，启停次数增加，导致燃料电池的使用寿命受到影响，开关模式燃料电池在不同混合度情况下寿命长于工作在功率跟随模式下。随着混合度的增大，开关控制模式下燃料电池工作时间减少，电池工作寿命增长。功率跟随模式下，随混合度增加，燃料电池只在大功率需求阶段工作，开关次数减少，工作频率降低，燃料电池寿命增加。

　　4.2经济性随混合度变化趋势分析

　　在NEDC工况下，不同混合度下开关、功率跟随控制策略其百公里耗氢量变化趋势如图9所示。

　　图9不同混合度下开关、功率跟随模式经济性对比由图9可知，在NEDC工况下，功率跟随能量管理策略经济性在不同混合度下优于开关控制模式。开关控制策略百公里耗氢量呈现单调上升趋势，功率跟随控制模式百公里耗氢量呈现先下降再上升的趋势，在混合度0.4~0.5之间达到经济性最优。

　　由图9—图11可以分析出两种能量管理策略在混合度不同情况下经济性变化趋势不同的原因。

　　开关控制模式下，燃料电池动力系统经济性随混合度增加而变差。由图1所示开关控制模式原理可知，在开关工作模式下，当动力电池低于一定SOC，燃料电池启动以额定功率启动工作，当动力电池高于设定SOC时，燃料电池关闭，如图6所示。

　　开关工作模式下，燃料电池输出功率随着混合度增大而增大，工作时间随混合度增加而减少。当燃料电池额定功率超出动力电池最大充电功率时，动力电池以最大功率进行充电，造成充电效率下降，经济性降低。

　　功率跟随模式下，动力系统耗氢量随混合度增长呈先降低后升高的趋势，在中混合度0.5左右达到最优。

　　从图7中可以发现在功率跟随模式下，随着混合度的增大，燃料电池输出功率逐渐增大，工作时间逐渐减少且只工作在高功率需求阶段。由式（8）功率跟随模式燃料电池功率需求功率以及图2所示功率跟随控制模式可知，在混合度较低情况下，由于燃料电池需要维持动力电池SOC保持在一定水平，动力电池需求充电功率较大，燃料电池位于打开状态，无法满足动力电池高功率需求，以最大功率工作在低效率区（如图10所示），耗氢量增加，整车经济性变差。随着混合度的增大，燃料电池逐渐工作在高效率区。

　　图11为燃料电池系统平均效率以及动力电池热损图，从图11中可以得到燃料电池在中混合度下平均效率较高，在混合度为0.6的条件下，由于功率跟随策略造成燃料电池动态特性较差，加剧了燃料消耗。燃料电池随着混合度的增大充电能力增强，动力电池充放电深度增大，热损增大，经济性降低。这造成了在功率跟随控制策略下，整车动力系统氢耗量增加，经济性变差。

　　在进行燃料电池动力系统功率跟随控制策略制定时，首先应考虑到在混合度选择上使燃料电池额定功率与动力电池额定充电功率相匹配，使燃料电池与动力电池工作在高效率区间，以获得较好的整车经济性。

　　5结论

　　本文基于GT-Suite平台，建立燃料电池整车动力系统模型，以NEDC循环为研究工况开展了在不同混合度情况下，依据不同能量管理策略对整车经济性的影响规律及影响机理研究，得到以下结论：

　　1）整车动力系统匹配中，混合度与能量管理策略相关联，不同混合度限制了燃料电池与动力电池的工作区间，不同能量管理策略决定了燃料电池与动力电池的功率分配。不同能量管理策略适用混合度区间不同，混合度与能量管理策略的匹配对整车经济性有着重要影响。

　　2）不同混合度下，开关模式由于燃料电池输出只与动力电池SOC有关，在大混合度下，造成充电效率降低，经济性下降。开关能量管理策略制定应综合考虑在不同混合度下，燃料电池额定功率是否与动力电池充电能力相匹配。在现有混合动力系统，燃料电池模块功率较小，混合度较低的情况下，应优先考虑开关能量管理策略。

　　3）不同混合度下，基于功率跟随模式的能量管理策略，整车经济性随混合度先减小后上升，在中等混合度下，经济性最优，其原因是因为在中等混合度下，燃料电池工作在高效率区，在小功率需求时，燃料电池处于关闭模式，动力电池充放电效率较高。当燃料电池功率不断突破现有功率成本限制时，混合度不断增大，可根据经济性考虑功率跟随能量管理策略获得更好的经济性。