燃料电池公交车动力系统参数匹配及策略研究

张袁伟 欧阳 王鹏 邓波 孙瀚文 樊杰

摘要：本文对燃料电池公交车主要动力系统部件进行了参数匹配，利用Matlab/Simulink软件搭建了整车仿真模型，建立了功率跟随控制、模糊逻辑控制方法，通过仿真对比分析了两种控制策略下车辆的整车性能。结果表明，在模糊逻辑控制策略下燃料电池更多处于最佳功率输出区间内，启动频率降低;整车百公里氢耗较功率跟随控制下降4.7%，提升了整车经济性，为燃料电池公交车控制策略开发提供了理论参考。

关键词：燃料电池公交车;动力系统;功率跟随控制;模糊逻辑控制;仿真

中图分类号：U472.4                                      文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）11-0031-05

0  引言

介于燃料电池动态响应慢、电流单向输出不能实现能量回收等特性[1]。本研究选取了燃料电池与动力蓄电池混合驱动的动力系统结构形式，驱动能量来源于燃料电池与动力蓄电池输出的电能，驱动动力来源于驱动电机将电能转化的机械能。为实现燃料电池工作在最优效率区间，整车能量分配需满足以下几种模式：①当电机需求功率较大时，由燃料电池与动力蓄电池共同提供功率输出，若动力蓄电池SOC过高，由动力蓄电池单独提供;②当电机需求功率与燃料电池高效率区输出功率相近时，由燃料电池提供能量;③当电机SOC较低时，燃料电池提供整车能量所需同时向动力蓄电池补充电量[2-4]。为研究怎样的控制策略能更好实现上述工作模式，本文分析了功率跟随控制与模糊逻辑控制策略下整车性能表现。选用的研究对象为8.5m燃料电池公交车，对其动力系统进行了参数匹配，通过仿真分析验证了模糊逻辑控制的优越性。

1  整车参数及指标要求

燃料电池公交车基本参数如表1所示。需达到的性能技术指标如表2所示。

2  燃料电池公交车主要动力部件匹配

2.1 动力系统形式的选取

本文选用燃料电池和动力蓄电池混合驱动车辆行驶的动力系统，如图1所示。该动力系统相比于燃料电池作为单一能量源，能有效避免应单一能源造成的整车性能不足、无法进行能量回收等问题。并能在不同的工况、不同功率需求下采用不同的能量输出模式。

2.2 驱动电机的参数匹配

驱动电机是燃料电池公交车行驶的动力来源，为满足车辆的正常行驶所需，驱动电机在低速行驶、坡道行驶等工况下需提供较大的扭矩输出，在加速工况中需提供较大的功率输出，同时应具有较大的调速区间。驱动电机参数匹配主要对电机的峰值转速、额定功率、峰值功率、峰值扭矩进行选择。

2.2.1 最高转速

驱动电机最高转速需结合车辆最高行驶车速进行选定，见公式（1）。

根据表2车辆的性能技术指标需求，结合公式（1）计算得到电机最高转速nmax=2426r/min。查询市场上主流电机相关参数，确定电机的最高转速为2500r/min，电机额定转速为1000r/min。

2.2.2 额定功率

电机的额定功率需满足车辆在满载最高车速下行驶所需功率。如公式（2）。

即：P额定=58kW

2.2.3 峰值功率

电机的峰值功率需满足车辆能在爬坡、加速等工况下正常行驶。

①最大爬坡度所需功率。依据表2车辆的性能技术指标需求，车辆在15%坡度半载状态下能够以20km/h车速正常行驶，此时车辆的需求功率，如公式（3）。

计算得到此时车辆的需求功率P1=103kW。

②满足加速性能所需功率。依据汽车行驶阻力平衡方程，得到车辆加速度的推导式，如公式（4）。车辆加速行驶时间按公式（5）积分得到。

根据表2车辆的性能技术指标需求，（0～50）km/h的加速时间为15s，结合公式（4）、公式（5）计算得到整车的需求功率P2=114.6kW。

通过上述计算得到车辆在爬坡、加速工况下所需功率，驱动电机峰值功率需满足上述设计要求，即：

2.2.4 峰值轉矩

驱动电机最大输出扭矩需满足整车在最大爬坡度情况下的扭矩所需，即满足车辆在半载、车速为20km/h、爬坡度为15%的扭矩需求，如公式（6）。

即：Tmax？叟1418N·m

为保证车辆安全行驶，驱动力需小于地面附着力，如公式（7）所示。

式中μ取0.5，即：Tmax？燮4350N·m

最终得到：

2.2.5 电机参数

结合上述计算，驱动电机需满足以下参数要求，如表3所示。

最后确定市场上某款永磁同步电机作为驱动电机，其电机基本参数如表4所示。

2.3 动力蓄电池的参数匹配

车辆在剧烈工况下行驶时对电池的需求功率最大，本文以车辆在15%坡道行驶下所需的功率来确定动力蓄电池最高输出功率。如公式（8）、公式（9）所示：

式中：α=0.1489（15%），v=20（km/h），L=4km。

通过计算得到Pbattery=105kW，Ebattery=21kWh

考虑到动力蓄电池的使用寿命，按85%可使用电量进行控制，可得电池的额定电量，如公式（10）：

即E额>24.7kWh

根据上述计算，选用某款镍氢电池作为燃料电池客车的动力蓄电池，基本参数如表5所示。

2.4 燃料电池的参数匹配

本文研究的对象为8.5m燃料电池公交，基于公交车多数情况以低速行驶。故以车辆在平整路面满载40m/h正常行驶工况下所需的功率值作为燃料电池额定功率值。如公式（11）所示。

即：PFC=25.7kW

通过上述计算，选用某款额定功率为30kW的燃料电池进行车辆匹配。

3  整车模型建立及仿真分析

3.1 整车模型建立

本文采用Matlab/Simulink软件完成燃料电池公交车模型的建立，如图2所示。目标工况采用中國典型城市公交工况[5]，如图3所示。其中，工况模型导入工况数据为整车仿真模型提供目标车速输入。驾驶员模型模拟实际驾驶员操作，根据目标车速控制车辆实际车速。同时搭建了控制器模型、整车动态模型、驱动电机模型、燃料电池模型、动力蓄电池模型。

3.2 控制模型建立

3.2.1 功率跟随控制

以车辆需求功率为输入，结合燃料电池、动力蓄电池运行状态，进行功率分配，建立整车功率跟随控制逻辑，如图4所示。

3.2.2 模糊逻辑控制

建立模糊逻辑控制模型，以电机需求功率P、动力蓄电池SOC为输入，以燃料电池的请求功率和电机功率比值K为输出。

①变量模糊化。根据上述计算可得，驱动电机需求功率P的范围为P∈[0，1.5×102]kW，动力蓄电池输入变量SOC∈[0，1]。电机需求功率P模糊分布设定为7个，即零、正很小、正小、正中、正较大、正大，用ZO、SS、PS、PM、B、PB对应表示;动力蓄电池SOC模糊分布设定为4个，即低、较低、中、高，用L、LS、M、H对应表示;输出变量K，其模糊集为{0，0.2，0.3，0.4，0.5，0.7，1，1.3，1.4，1.5，1.6}，数据选取是经查阅文献和利用经验法所得[6-10]。②隶属度函数。为使控制更为准确，本文采用非均匀分布的隶属度函数，构建的电池SOC和电机需求功率P如图5所示。③模糊控制规则。搭建模糊逻辑控制规则库，如表6所示。

在MATLAB/Simulink中将设计好的模糊控制策略搭建成模糊控制仿真模型，如图6所示。

3.3 仿真结果

两种控制策略下整车主要性能指标仿真结果如图7～图12所示。

仿真发现，两种控制策略下车辆均能跟随工况行驶，各项指标均满足设计要求。在模糊逻辑控制下车辆的动力性能略有下降，经济性较功率跟随控制有较大的提升。整车动力性、经济性仿真结果如表7所示。

4  结论

本文主要对8.5m燃料电池公交车的动力系统进行了参数匹配的设计与部件选型，利用Matlab/Simulink进行了整车仿真模型搭建，完成了模糊逻辑控制策略的设计。进行了功率跟随控制策略和模糊逻辑控制策略下整车的动力性、经济性仿真分析。结果表明，模糊逻辑控制策略下燃料电池工作点更多处在高效率区间内，较功率跟随控制策略百公里氢耗降低了4.7%，为燃料电池公交车控制策略的开发、建模、优化提供参考。

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