燃料电池汽车动力系统仿真分析及控制策略研究

2020-07-23梁满志囤金军范志先冯海明

时代汽车 2020年7期

梁满志囤金军范志先冯海明

摘要：本次研究以燃料电池客车为原型，提出了燃料电池和动力电池组成混合动力的优化措施，希望能够满足特殊工况下能量和动力需求，提升燃料电池客车各项动力性能指标。现结合仿真结果分析模糊控制策略，对燃料电池的功率需求进行了控制改进，希望可提升燃料电池汽车动力系统仿真分析和控制处理质量，全面降低燃料电池输出功率波动影响。

关键词：燃料电池汽车;动力系统;仿真分析;控制策略

本文立足于不可再生能源短缺和环境污染问题，结合现代动力汽车生产要求，迫切研究清洁能源代替现有能源的措施建议。随着现代经济建设发展，美国，中国，德国，都推出了燃料电池供能计划，以改善传统能源供给系统稳态负载不当以及燃料供应不足等问题。为解决这一问题，现分析燃料电动汽车动力系统模型，提出燃料电池+动力电池的处理方式，希望能为创新燃料电池汽车动力系统设计奠定基础，现将研究分析阐述如下。

1 简述燃料电池汽车动力系统

1.1 电动汽车动力组成

目前，燃料电动汽车动力系统内设DCDC、驱动电机、燃料电池、辅助能源等系统组成，混合多能源的形式存在，目前可用的方式有“超级电容+燃料电池”、“动力电池+燃料电池”几种，且超级电容的充电性能快，可以实现最大程度的放电，而储存能源和空间有限，只能够提供大约1min的峰值功率。针对其辅助能源特征来看，可采用燃料电池+动力电池的混合动力形式[1]。

燃料客车运行中，其中的DC/DC和动力电池经过并联处理后为整个整车动力系统提供能量来源，后期可通过调节DCDC调整输出功率来改变电池的输入、输出表现。并保护燃料电池，让其安全运行。按照该方式对比混合电源体积和质量比，本方案可以稳定动力系统电源电压，预防电压波动，也节省操作空间。

1.2 燃料電池和动力电池的特征研究

从理论上来讲，燃料电池动力汽车系统其可以达到很高的效率，实现化学能源向电能高效转换[2]。针对实际效率而言，整个效率可以达到50%到70%，综合计算效率甚至可以达到传统热机的2倍以上。

从理论研究上而言，燃料电池的输出功率可以适应不停变化的整车驱动系统系统的功率需求，只需要根据功率需求进行空气和燃料的的供给，也就是控制燃料电池空压机的转速和供氢系统比例阀的开度即可[3]。因此在动力电池工作中，要及时预防动力电池的问题，预防其过充、放电，以保证动力电池的安全、稳定。

以温度为研究分析动力电池放电趋势来看，经过试验研究表示，当SOC低于0.2时候，整个输出电压接近于截止电压;当SOC位于0.2-0.8之间时候，整车驱动系统的需求功率要小于动力电池可提供的最大持续脉冲功率，即使在急加速、急减速或者起步阶段，驱动功率也有在短时间内小于动力电池的30s脉冲功率;当SOC位于0.8-1之间的时候，要防止动力电池单体电压过高而造成的过充故障。因此针对模糊控制策略，要保证整车驱动功率需求在动力电池合理的工作区间内进行，所以，最佳设计值应当控制在0.3-0.8之间。

2 以燃料电池汽车动力需求，分析其动力系统的部件参数

2.1 整车动力系统性能参数研究

本文以我公司10.5米燃料电池客车为基础进行燃料电池仿真分析，整车尺寸和参数如下。

（1）总质量参数为16500/kg;（2）整备质量参数为10800/kg;（3）车轮滚动半径参数为0.471/m;（4）滚动阻力系数参数为0.013;（5）风阻系数参数为0.65;（6）整车半载参数为13700/kg;（7）迎风面积参数为27.7/m。

为使燃料电池客车满足公交工况下的运行条件，现结合CCBC工况的运行特点进行研究分析，其中目标车辆的整体经济性和运动参数目标如下。

（1）最高车速为69-70km/h;（2）0～30km/h加速时间应当低于9s;（3）CCBC工况续驶里程大于300km;（4）若以10 km/h计算，最大爬坡度应当大于15%;（5）百公里氢消耗量应当低于6kg。

2.2 确定桥速比

燃料电池汽车仿真设计驱动桥速比应当满足以上要求，且根据 MATLAB/Simulink要求校对整个车辆的加速性能。

仿真测试结果表示，当驱动桥速比为6.134时候，加速时间在0-30 km/h时，需加速时间6.63秒;当加速时间为0-50km/h时，加速时间约为20.65秒;当驱动桥速比为7.410时候，加速时间在0-30 km/h时，需加速时间5.25秒;当加速时间为0-50km/h时，加速时间约为26.24秒。

3 模糊控制器仿真设计研究

试验证明，频繁的启动和变载会导致燃料电池的寿命降低[4]，因此，燃料电池作为燃料客车正常行驶的直接动力来源，为了提升燃料电池的耐久性，保持燃料电池的输出功率稳定性，那么动力电池就要作为一个能量缓冲容器，当需求功率大于燃料电池当前输出功率时，动力电池提供能量，当需求功率小于燃料电池当前输出功率时，动力电池存储能量。这个过程需保证动力电池的安全运行，要有效预防动力电池过充或过放电问题，建议及时控制动力电池，让其可以回收制动能量，全面提升动力电池、燃料电池的运用质量和工作效率[5]。

3.1 设计模糊控制器

模糊控制器有规则库、模糊推理和接口处理几个部分，本次研究采用了顶层模块燃料电池控制策略中的输出和输入策略，且动力电池的SOC的输入值和总线需求功率Pb进行相应研究。对于输入量的模糊部分，需要将真实测试的值转换为模糊数据模式，然后输入到模糊控制器中。在模糊规则约束转换和控制之后，然后将模糊集进行数字化为相应的编号。现代模糊推理的数字化过程。在当前的主流模糊工具中，有Mamdani推理系统和Sugeno系统几类[6]，且M类型的模糊系统方式简单最为常见，学难度不大;S类型的模糊推理属于线性函数类型，使用频率不高且存在实用性问题，因此工业中常用M模糊类型方式。

3.2 传统控制策略建模和仿真分析

本次研究采用Simulink传统建模和控制系统，针对其燃料混合动力汽车系统特征，仿真流程需先将所有的数据输入到对应的文件中，进而核对、修改、优化对应的文件类型，在基于功率伴随策略下完成仿真任务，最后将传统模糊控制策略数据输入到ADVISOR顶层模块中，完成对应仿真控制计划。

对比分析可知，燃料电池客车在基于CCBC道路下，随着模糊控制参数变化，整个车辆的行驶状态良好，且在动力汽车运行中，燃料电池在行驶中，动力电池SOC值变化较为明显，随着SOC的波动范围变化，其保证了动力电池放电安全性以及高效性。这对动力电池客车安全行驶奠定了基础。针对燃料电池实际输出功率和变化情况可知，其波动范围多在[6kW，25kW]区间内，其波动幅度较大，且图形中道路工况变化下，电机的需求功率变化也直接影响了总线需求变化，整体分析可知，这种传统模糊控制策略大多能够满足燃料客车在CCBC道路运行下的动力性和经济性要求。

3.3 改进的模糊控制器

结合公交客车的动力需求，燃料电池工况客车动力系统处于能量再生循环模式。在制动能量回收模式下，電动机会及时为动力电池充电。当所需功率发生显著变化时，在[0，100 kW]间隔内，燃料电池和动力电池将处于集中式充电模式。

对于模糊语言中的变量和定量描述类型，隶属函数具有离散和连续的两种不同的变化形式，其中连续隶属函数非常普遍，例如梯形、三角形、高斯型几大类。而在0-100KW时候隶属度多属于高斯分布。-100～0区间范围内多属于梯形函数。研究表示，当燃料电池随着增益系数变化时候，整个区间的值也在发生直接变化，当增益系数增加到0.5时候，整个燃料电池的效率达到最高，且控制增益系数为0.5时候，整个燃料电池效率为0.58，动力电池效率为0.96。

4 仿真结果分析

本次仿真燃料电池客车测试结果如下图1所示，在 CCBC 工况下，分段模糊控制策略中，燃料电池客车在该路段中运行良好。

图1（a）表示燃料电池客车运行中的实际行车趋向和工况正常车速接警，且动力供能满足需求。观察图1（b），虽然SOC值变化趋势在下降，其波动范围在[0.6，0.8]之间，可保证动力电池充放电安全性。

图1（c）表示燃料电池客车实际输出功率随着时间变化，观察图中燃料电池的实际输出功率变化，其在[14 kW，25 kW]变化幅度之间。

图1（d）展示了电机功率变化和道路工况之间的变化关系，侧面反映了总线需求功率滨化。其变化幅度在[-10 kW，18 kW]之间。

国家重点研发计划：燃料电池公交车电-电深度混合动力系统平台及整车开发，项目编号：2018YFB0105500。

参考文献：

[1]《中国公路学报》编辑部. 中国汽车工程学术研究综述·2017[J]. 中国公路学报，2017，30（06）：1-197.

[2]王键，郑松林，郝景贤，饶洪宇. 后驱燃料电池客车的控制策略开发[J]. 重庆理工大学学报（自然科学），2018，32（12）：31-37.

[3]王哲，谢怡，孙维，臧鹏飞. 燃料电池客车动力系统建模与能量管理策略研究[J]. 同济大学学报（自然科学版），2019，47（01）：97-103+123.

[4]贠海涛，林晋召，曾欣.增程式燃料电池物流车动力系统设计与控制[J]. 现代制造工程，2019（03）：56-61.

[5]江玥，李涛，张哲，刘雨晖，陈申龙，张志猛.燃料电池汽车动力系统仿真分析及控制策略研究[J]. 数字制造科学，2019，17（02）：136-141+166.