基于LMS AMESim的车用燃料电池- 锂离子动力电池混合动力系统能量管理仿真

2020-01-14纪常伟汪硕峰牛会鹏史凡锐

北京工业大学学报 2020年1期

纪常伟，李响，梁晨，汪硕峰，牛会鹏，史凡锐

(1.北京工业大学环境与能源工程学院，北京 100124；2.北京电动车辆协同创新中心，北京 100124；3.北京汽车研究总院有限公司，北京 101300； 4.北京新能源汽车股份有限公司，北京 102606)

燃料电池作为一种发电装置，可将蕴含在燃料中的化学能直接转化为电能. 与传统蓄电池不同，其反应物是由外部供应而不是储存在电池内部. 因此，燃料电池无须充电，可长时间输出电能[1]. 相较于其他种类的燃料电池，质子膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell，PEMFC)以其比能量高、工作温度低等优点，被广泛应用于电动汽车等领域[2-3]. 但由于PEMFC动态响应较慢且无法回收制动能量，使其在实际应用中受到限制[4-5]. 锂离子动力电池因具有动态响应快、可快速充放电等优点也被应用在汽车等领域，但由于充电时间较长、续航里程有限等缺点，其应用也受到限制[6]. 因此，将两者并联组成混合动力系统作为汽车的动力源，可有效结合燃料电池与锂离子动力电池的优势，弥补不足.

谢星等[7]基于Cruise和Simulink软件分别搭建燃料电池及整车模型进行联合仿真研究，研究结果表明动力系统可满足动力性需求且锂离子动力电池荷电状态(state of charge，SOC)保持在合理范围内. Mokrani等[8]基于Simulink软件提出电力系统的拓扑结构及其各子系统的识别方法，实现了车辆的无中断供电. 李奇等[9]应用ADVISOR仿真软件建立了燃料电池与蓄电池混合动力系统模型，提出并验证了基于模糊逻辑控制的能量管理策略的可行性. 曹楠等[10]搭建了燃料电池- 锂离子动力电池缩比实验台，验证了动态负荷下系统的响应及跟随情况.

本文利用LMS AMESim软件基于20 kW车用燃料电池和8 A·h锂离子动力电池搭建了燃料电池- 锂离子动力电池混合动力系统仿真模型. 其中，燃料电池的性能曲线和锂离子动力电池输出电压曲线分别通过燃料电池实验平台和锂离子动力电池充放电测试设备获取. 随后，在选定工况下对系统进行联合仿真，确定满足车辆动力需求的动力匹配及控制策略，并为燃料电池- 锂离子动力电池混合动力试验研究及整车测试提供参考和依据.

1 混合动力系统仿真平台建立

1.1 混合动力系统拓扑结构

燃料电池- 锂离子动力电池混合动力系统所选用的拓扑结构如图1所示. 基于燃料电池高电流低电压的特性，在燃料电池与电机及其控制器单元中间增加DC/DC变换器，用以提升燃料电池电压并与母线电压相匹配. 由于DC/DC变换器输出端与输入端功率不变(不考虑损耗)，且电流与电压呈反比关系，因此在DC/DC变换器输出端提升了输出电压并降低输出电流. 由于燃料电池电压得到提升并且维持稳定状态，进而可由DC/DC变换器通过控制输出电流来控制燃料电池的输出功率，实现功率分配. 该混合动力系统采用燃料电池为主，锂离子动力电池为辅的方式运行. 车辆大部分工况由燃料电池单独供电，但当车辆所需功率大于燃料电池最大输出功率时，锂离子动力电池作为补充动力提供额外功率输出；当车辆所需功率小于燃料电池最大输出功率时，燃料电池可根据锂离子动力电池的SOC状态为锂离子动力电池充电；当车辆所需功率小于燃料电池最小输出功率时，为保护燃料电池，此时由锂离子动力电池提供全部输出功率. 此外，锂离子动力电池可回收车辆制动过程中产生的制动能量.

在变式过程中，不论习题怎么变化，总体方向都应该以考试说明为主.不能为了改变而改变，导致最后出来的题目与考试内容无关，这样不仅浪费了学生的时间，还可能会打击学生学习的积极性.

荷里路德宫的前身是荷里路德修道院。1498年，苏格兰国王（苏格兰原为独立国）詹姆斯四世在修道院旧址上兴建了荷里路德宫，詹姆斯五世继位后加建高塔，宫殿就成了现在的样貌。16世纪初，苏格兰王室从爱丁堡城堡迁到了这里，随着历史的变迁，这里现已成为英国女王在苏格兰的官邸。

1.2 仿真软件介绍

LMS AMESim软件为多学科领域复杂系统建模仿真平台. 通过此平台可建立较为复杂的包含多个学科、领域的系统模型，并进行仿真计算分析，同时可研究模型的稳态及瞬态特性. 利用该软件可以完成机电一体复杂系统的分析. 由于该平台具有非常实用的物理模型模块，应用该软件可以避开数值分析与编程等烦琐步骤[11]. 因此，利用该软件，基于试验平台数据，建立混合动力仿真模型，可以更有效地反应车辆真实行驶状况，为日后混合动力实验平台搭建及试验提供理论参考依据.

1.科研成果转化过程解析。通过对油田博士后已经完成和正在开展的科研项目的研究分析来看，从选题到启动研究到成果形成再到转化应用，最后见到效果，整个过程都有不同程度的转化行为，其转化过程大致分解为研究、形成和应用三个阶段，应用阶段包括推广传播、组织实施和效果产出三个环节。如图1所示。

本文所使用的LMS AMESim软件模块主要包括：燃料电池、动力电池、控制单元、电机、整车及驾驶员等模块. DC/DC变换器模型需要单独搭建.

1.3 驾驶员模型建模

驾驶员模型是通过当前车速与下一时刻目标车速进行比对，判断下一时刻输出加速(0：无加速；1：最大加速度)或制动(0：无制动；1：最大制动加速度)信号，将信号输送给整车控制器，从而控制车辆行驶速度.

模型中，对于加速的PID控制见公式

err=Vcont-Vveh

(1)

(2)

dVcontAnt=(VcontAnt-Vcont)/adVAnt

(3)

(4)

式中：err为目标车速与当前车速的误差；Vcont、Vveh、VcontAnt分别为目标车速、当前实际车速以及预期控制车速；acc为加速控制参数，其值范围为0～1；GPacc为加速度控制回路的比例增益；GIacc为加速度控制积分增益；GAacc为加速度控制预期增益；adVAnt为提前控制时间；Iacc为加速过程中的积分部分.

从而使纳米级铂颗粒失去载体，导致铂的流失或团聚，降低催化性能，甚至导致催化层结构坍塌[18-19]. 通过图3可知，当燃料电池输出功率为2.75 kW时，此时燃料电池输出电压为88.26 V，单片平均电压为0.802 V. 此时燃料电池单片电压过高，因此在不影响动力性的条件下，取消燃料电池在2.75 kW以下的工作模式，由锂离子动力电池输出全部需求功率. 同时，由图2可知，燃料电池的最大输出功率为23.09 kW，燃料电池最大输出功率并未达到浓差极化阶段. 因此不会产生较大的电压下降，损害燃料电池[20]. 因此，在模型中选取燃料电池最小输出功率为3 kW，最大输出功率为23.09 kW.

(5)

(6)

式中：brak为制动控制参数，范围为0～1；GPbr制动控制比例增益；GIbr制动控制积分增益；GAbr为制动控制预期增益；Ibr为制动过程中积分部分.

驾驶员模型参数如表1所示.

表1 驾驶员模型参数

1.4 燃料电池模型建模

本文采用燃料电池在大部分工况下作为混合动力系统中动力的主要来源. 所使用的燃料电池为质子交换膜燃料电池，其基本性能参数如表2所示，燃料电池试验平台如图2所示. 为确保燃料电池在运行过程中处于安全、可靠、高效的工作状态，需要对燃料电池进行性能试验. 利用试验获得的燃料电池性能试验最优结果，完成LMS AMESim软件中燃料电池模型的建模.

教师先提供众多数学信息，让学生借助日常生活经验去阅读整理，同时进行多层次、多维度的思考，发现并提炼出有价值的数学问题。在众多的信息中，对这些数学问题进行重组，这个过程的实质就是渗透初步的数学建模思想，从而训练学生抽象、概括的学习能力，有效培养学生的观察力。

表2 燃料电池基本性能参数

当需求功率小于燃料电池最小输出功率且锂离子动力电池需要充电时，燃料电池将工作在最佳效率点，所输出的功率提供需求功率，其余部分为锂离子动力电池充电.

(7)

(8)

(9)

式中：ENernst为热力学电动势；Tfc为燃料电池温度；Tref为参考温度；PH2为氢气分压值；PO2为空气分压值；FO2，reacted为氧气消耗质量流量；MO2氧气摩尔质量；N为电堆中单体个数；Ist为燃料电池电堆电流；F为法拉第常数；λ1为过量空气系数；FH2，reacted为氢气质量流量；MH2为氢气摩尔质量；λ2为过量氢气系数.

中国乡土社会的一个特点是“这个社会里的人是在熟人里长大的。在社会学里，我们称之为Face to Face Group，直译是‘面对面的社群’。”[5]基于中国人情社会的本土特征，通过在中小城市当地招募代理商负责APP的地推，使中小城市实体手机门店注册成为APP新门店，并通过当地实体门店对四五线中小市县居民进行淘宝、支付宝等APP安装，完成APP推广渠道落地下沉的主要使命。这类APP以平台功能性、价值激励性、人情地推性为特征的延伸触角方式为县级连接提供了另一种角度的启示。

综上所述，针对公路进行养护时，不仅需要及时掌握翻浆现象出现的主要成因，同时也需要根据具体情况对导致翻浆现象出现的主要因素和条件加以分析，通过加大排水力度、提升施工管理、及时换填土以及提升养护效率等方式加大对翻浆现象的预防及养护效果，保证公路的正常运行，提升交通安全效率，加速实现我国走可持续发展路线的基本目标。

气体压力值根据文献[14]及燃料电池本身特性进行确定. 根据电堆使用说明书，氢气与空气压差不宜过大且气体压力小于0.2 MPa. 因此，氢气与空气采取相同压力0.18 MPa，防止质子交换膜发生形变而造成损坏.

过量空气系数的确定根据文献[15]，并经过试验测定，系数为2.5. 但在电流密度较低时，空气需及时带走阴极产生的水，防止水淹，因此需加倍.

1.5 锂离子动力电池模型建模

1) 当车辆处于制动状态时，燃料电池与锂离子动力电池输出功率均为0，但锂离子动力电池SOC小于100%时，此时锂离子动力电池将对制动能量进行回收；反之，则不进行制动能量回收.

表3 锂离子动力电池参数

锂离子动力电池单体输出电压由其开路电压、内阻及电流决定，而电池组的输出电压由单体输出电压及单体个数决定. 锂离子动力电池SOC状态由其额定容量、电荷量及时间决定，详见

Vcell=V0cell-RcellIcell

(10)

Vbank=VcellNcell

(11)

(12)

式中：Vcell为单体输出电压；V0cell为单体开路电压；Rcell为单体内阻；Icell为单体电流；Vbank为电池包输出电压；Ncell为电池包单体个数；Cnom为额定容量.

利用充放电系统(如图5所示)将锂离子动力电池充满电后进行放电，测定锂离子动力电池输出电压随SOC的变化曲线，如图6所示；而高低温箱设备则提供锂离子动力电池的工作环境，本研究中锂离子动力电池工作环境为25 ℃，湿度为60%. 由图6可知，锂离子动力电池输出电压随SOC的增加而上升，且增幅逐渐减小，SOC在70%～90%时，电压最为平稳.

1.6 DC/DC变换器建模

从燃料电池特性曲线(见图3)中可以看出，随着电流的升高，电压呈下降趋势. 而负载一般都需要稳定的高电压输出，并且燃料电池无法回收制动能量，因此，需要单向DC/DC变换器与燃料电池相连[16]. 作为混合动力系统中能量分配的主要部件，DC/DC变换器主要分为电流型和电压型2种[17]. 混合动力系统中母线电压由锂离子动力电池决定，由于燃料电池输出电压通过DC/DC变换器计算变比后跟随母线电压，能量的输出由输出电流决定，因此本研究采用电流型DC/DC变换器. 当需求功率发生突变时，锂离子动力电池可以快速响应，使燃料电池电流平稳过度，保护燃料电池.

锂离子动力电池输出功率、电机需求功率及DC/DC变换器输出功率关系为

Pbat=Pmotor-PDC/DC

(13)

式中Pbat、Pmotor和PDC/DC分别为锂离子动力电池、电机和DC/DC转换器输出功率.

国家艺术基金项目“纳西族东巴画艺术百年展”共分为三个篇章。“传统篇：致敬经典”，表现传统东巴绘画的民间之美和朴素之美；“现代篇：传承匠心”，展示东巴画传承人和纳西族文人画家对东巴绘画艺术表现和美学的探索发现；“未来篇：守望家园”，展现当代青年及学生对东巴艺术的学习、理解和尝试。

配电网覆盖面积广、网架结构复杂、设备众多、运行方式灵活多变，为日常运维管理带来巨大的挑战，对比新时代下客户供电服务需求，我们目前的配网运维管理模式还存在较大差距，主要体现在：

DC/DC变换器模型如图7所示.

1.7 整车及电机模型建模

整车及电机模型基本参数如表5所示.

在构建了模型所需的模块后，将模块组合为燃料电池- 锂离子动力电池混合动力系统仿真平台，如图8所示.

表4 DC/DC变换器参数

表5 整车及电机模型基本参数

2 燃料电池- 锂离子动力电池混合动力系统能量管理策略

能量管理模块根据车辆的功率需求、锂离子动力电池SOC状态、燃料电池状态及驾驶员的驾驶意图，实现燃料电池与锂离子动力电池之间功率的合理分配.

2月25日，江西省教育厅制定了江西省学校（幼儿园）食堂经营管理“十必须”和食品采购管理“十不准”，以规范学校（含幼儿园）食品经营行为，把好食品入口关，防控群体性食源性疾患。其中“十必须”规定，食堂管理必须实行校长（园长）负责制；农村义务教育学校食堂必须自办，严禁外包；学校必须建立食物中毒或其他食源性疾患等突发事件应急处理方案等。“十不准”规定，不准向无许可资质的食品生产经营者采购食品原料、半成品和成品，不准向企业以外的食品生产经营者订购食品；不准向中小学生、幼儿制售生食类、冷食类（不含水果）食品和裱花蛋糕等。

能量管理策略如图9所示. 其中，PFC为燃料电池输出功率，Pbat为锂离子动力电池输出功率，PFC-eff为燃料电池效率最高点输出功率，PFCmin为燃料电池最小输出功率，PFCmax为燃料电池最大输出功率，SOCmin为动力电池SOC下限，SOCmax为动力电池SOC上限.

在策略的制定中，始终保持以燃料电池工作在合理范围内为原则，在可满足工况动力性的条件下，使其尽可能工作在效率最佳点. 当需求功率较大时，燃料电池的输出功率将根据需求功率的变化而变化，而锂离子动力电池则起到快速响应及功率补充的作用.

驾驶员根据当前车速及下一时刻车速进行油门踏板及制动踏板的控制，踏板的控制将提供车辆的需求功率值，控制单元接收到需求功率，根据锂离子动力电池SOC状态及燃料电池的输出功率情况，判断功率在2种动力源间的合理分配.

该滑坡的滑体为第四系全新统堆积层(Qdel 4)，岩性主要为碎、块石夹粉质黏土，呈棕红色，碎石粒径一般2 cm～18 cm，呈棱角状、碎块状，在滑坡体表部可见块石最大粒径为450 cm，呈散体结构。碎、块石间的充填物为粉质黏土，含量约占30%。滑带位于第四系滑坡堆积层与基岩接触面，呈折线形，主要为粉质黏土夹碎石、角砾，碎石角砾粒径为0.5 cm～3.0 cm，黏粒含量较高，土石比约4∶1。滑床为三叠系中统巴东组(T2b)泥质粉砂岩，岩层产状348°∠36°。

锂离子动力电池作为混合动力系统的辅助动力源，其电压的变化决定了系统母线的瞬时电压. 本研究中采用磷酸铁锂动力电池，其主要性能参数如表3所示.

2) 当车辆处于需求功率状态时，此时需判断需求功率是否小于燃料电池最小输出功率，如小于且锂离子动力电池无须充电时，为降低燃料电池单电池电压，减少高电压对碳载体的腐蚀，以保护燃料电池电堆，提高燃料电池使用寿命，使燃料电池输出功率为0，需求功率全部由锂离子动力电池提供. 由于燃料电池碳载体在65 ℃以上、电势0.8 V以上的条件下，碳表面开始被氧化，发生如下化学反应：

DC/DC变换器参数如表4所示.

C+H2O→CO+2H++2e-

(14)

对于制动的控制见公式(1)及式

通过控制能斯特方程及燃料电池阴阳极气体消耗量与电堆电流关系式[12-13]中所涉及的变量，式(7)～(9)给出了能斯特方程及PEMFC中阴阳板气体消耗量与电堆电流的关系式，改变相关变量对PEMFC进行测试. 最优性能曲线如图3所示. 图4为氢气消耗量随电流的变化曲线.

当需求功率大于燃料电池最大输出功率时，燃料电池输出最大功率，此时无论锂离子动力电池是否需要充电，都输出需求功率与燃料电池最大输出功率的差值，由于锂离子动力电池后备SOC较高，且此时工况持续时间较短，因此锂离子动力电池不会产生过放.

当需求功率介于燃料电池最大输出功率和最小效率点功率之间时，锂离子动力电池如需充电，且需求功率小于最佳效率点功率时，燃料电池将输出最佳效率电功率.

当需求功率介于燃料电池最大输出功率和最小效率点功率之间时，锂离子动力电池如需充电，且需求功率大于最佳效率点功率时，燃料电池将输出需求功率与充电功率之和.

当需求功率介于燃料电池最大输出功率和最小效率点功率之间时，锂离子动力电池无须充电，燃料电池将输出全部需求功率.

3) 当车辆处于怠速状态时，此时锂离子动力电池输出功率为0，但需要根据其SOC状态判断是否需要充电. 当锂离子动力电池SOC状态大于设定的SOC最小值时，燃料电池不需要对外输出功率为锂离子动力电池充电，输出功率为0；当锂离子动力电池SOC状态小于设定的SOC最小值时，此时燃料电池工作在最佳效率点，对锂离子动力电池进行充电.

卷积层的主要作用是提取特征，分为3种卷积方式：宽卷积、窄卷积和不变卷积(此处的宽窄和不变指的是输入矩阵经过卷积操作后长度的变化)。示意图如图4所示。

冬季季节性的积雪覆盖是北半球中高纬度地区常有的现象。积雪是影响该区土壤温度的重要因素。冬季积雪对CO2、CH4和N2O的通量变化有强烈影响[42]。积雪对土壤温度的影响与积雪厚度有关。普遍认为积雪要高于30cm才能对土壤有较好的保温作用[28，34，41]。冬季随着雪深度的增加，北极冻原灌丛和草甸土壤呼吸分别有不同程度的增加，对年呼吸总量的贡献也随之增加[43]；而冬季积雪减少会加大土壤温度的波动，使土壤养分损失加重[44]，较少的积雪条件下冬季土壤呼吸往往呈现脉冲式的释放[34，45]。

对于需求功率的快速响应，锂离子动力电池在功率响应方面优于燃料电池，功率变化迅速，燃料电池无法及时跟随，此时锂离子动力电池则会补充需求功率与燃料电池输出功率之间的差值[21]. 而当需求功率超过燃料电池需求的最大功率时，二者的差值则由锂离子动力电池进行补充. 而由图6可知，锂离子动力电池输出电压随SOC的变化，且当SOC为70%～90%时较为稳定. 但为预留制动能量回收的SOC空间，设置SOCmin为70%，SOCmax为80%，保证锂离子动力电池SOC 波动范围较小，从而提高其循环寿命.

PEMFC燃料电池的运行温度为60～80 ℃. 本研究中，通过控制循环水温度来控制PEMFC电堆温度，循环水温度控制为60 ℃，且进出口温差小于等于10 ℃，因此PEMFC电堆温度控制在65～70 ℃.

3 模拟仿真计算及结果分析

在LMS AMESim模拟仿真软件中构建燃料电池- 锂离子动力电池混合动力系统模型并进行仿真，对上文提出的控制策略进行验证及评价，验证其可否满足车辆动力需求，同时，监测二者的工作状态.

本研究采用新欧洲驾驶循环(new European driving cycle，NEDC)为测试工况. NEDC包含4个市区工况(urban driving cycle，UDC)以及1个市郊工况(extra urban priving cycle，EUDC)，包括加速、减速、怠速和匀速4种状态，能够真实反映车辆在实际道路中的运行情况，因此采用NEDC工况作为本研究中的测试工况[22-23]. 图10为车速与时间关系图，通过观察图10可以看出，依托于PID控制的驾驶员模型以及能量匹配及控制，本研究中的混合动力系统可以满足NEDC循环工况中速度及加速度的要求.

设定锂离子动力电池初始SOC为75%，燃料电池初始电压为107.77 V.

图11为车辆需求功率随时间的变化图，图12为燃料电池与锂离子动力电池的输出功率随时间变化图. 通过观察图11、12可以看出，整车在运行过程中，市区工况需求最大功率为9.15 kW，市郊工况最大需求功率为32.30 kW. 燃料电池最大输出功率为23.08 kW，小于其最大输出功率23.09 kW，同时，取消了其输出功率在2.75 kW以下的工况，保证燃料电池输出功率式中大于2.75 kW. 锂离子动力电池最大输出功率为9.30 kW，放电倍率为3.3 C，小于锂离子动力电池最大放电倍率，在工作过程中，锂离子动力电池承担的输出功率波动较大并且回收制动能量.

通过观察图13、14可以看出，燃料电池输出电压在74.1～85.6 V，电压波动范围较大，无法满足电机及母线电压的需求，且不利于能量的分配. 在经过DC/DC转换器转换后，电压稳定在359.4 V左右. 同时，DC/DC变换器输出电压可以跟随母线电压在允许范围之内变化.

(1) 实验结果表明，由于岩层倾角的存在，巷道底板两脚部出现应力集中现象。随外界载荷的增大，巷道围岩应力变化主要表现为三个阶段，当应力增大到超千米深井应力时，巷道拱部及底板发生变形破坏，围岩失去承载能力，且巷道拱部左上角与底板右下角首先发生破坏，随后向围岩深部扩展，巷道围岩出现大范围变形破坏，而巷道左帮和右帮应力集中现象加剧。

对比图12、15可以看出，燃料电池与锂离子动力电池的输出电流均与各自输出功率变化趋势一致，实现通过DC/DC变换器稳定燃料电池输出电压并通过控制燃料电池输出电流实现功率分配.

通过观察图16可以看出，锂离子动力电池SOC状态在市区工况由75%降至73%，NEDC完整工况SOC波动范围为75.0%～73.6%，波动范围不大，有助于保护锂离子动力电池，延长使用寿命.