基于ADVISOR平台的燃料电池电电混合客车建模与仿真

王心宏， 冯秀将， 黄接银

(中国恒天江西凯马百路佳客车有限公司， 南昌 330013)

燃料电池汽车以其高效率、零污染、零排放的优势被世界汽车业看作未来新能源汽车发展的重要方向。本文在MATLAB/ADVISOR的环境下，搭建燃料电池电电混合客车仿真模型，并基于接近实际使用路况的循环工况进行仿真。

1 燃料电池电电混合客车建模

ADVISOR为美国国家可再生能源实验室NREL在MATLAB软件环境下开发的高级车辆仿真器。可对车辆的多种性能快速仿真，具有良好的准确性及实用性。

1.1 燃料电池客车动力架构

我司应客户的要求定制化开发燃料电池电电混合客车。将燃料电池(FC)与动力电池(B)组合，可发挥燃料电池能量密度大和动力电池功率密度大的优点，采用电机直驱方式，电电混合的动力架构如图1所示。

图1 FC+B电电混合架构

1.2 驱动电机ADVISOR建模

1.2.1 电机选型

要在ADVISOR建立电机模型，首先要进行电机选型。

1) 最大净功率的计算。驱动电机输出功率为不小于最高车速所需功率与最大爬坡度所需功率中的最大值：≥max(,)

① 根据整车最高车速确定需求功率：

(1)

代入相关数据：总质量=18 000 kg、迎风面积=8.75 m、最高车速=100 km/h、滚动阻力系数= 0.01、风阻系数= 0.5、传动系统效率= 0.9，得= 118 kW。

② 根据最大爬坡度确定需求功率：

(2)

代入相关数据(以25 km/h匀速通过18%的最大值坡度)得= 255 kW。

2) 峰值转矩的计算。电机的峰值扭矩应满足最大爬坡度的要求：

≥(cos+sin)()

代入相关数据(轮胎滚动半径=0511 m，传动系统最大传动比=563)得≥3 323 N·m(tg= 18)。

考虑车辆实际运行路况为连续长坡所需的功率、扭矩裕量，最终选择驱动电机的最大净功率为350 kW/(900～3 400)r/min，最大转矩为3 500 N·m/(500～900)r/min，额定电压600 V。

1.2.2 驱动电机ADVISOR模型

根据上述所选的特性，在ADVISOR中搭建下述驱动电机模型：

=(;),=()
=min(;)·(+)

式中：为驱动电机效率；为电机转速；为电机效率函数；为电机外特性转矩；为电机外特性输出转矩MAP函数；为电机实际输出转矩；为目标需求扭矩；为同步电机尺寸系数，本文∈[3,4]；为电机转差率，同步电机转差率为0；(+)为一阶惯性传递函数，本文取值为1。

1.3 燃料电池模型

本文采用ADVISOR平台中基于功率—效率的燃料电池理论模型，燃料电池的实际输出功率：

=min(,)

式中：为理论计算出的车辆实际需求功率；为燃料电池可提供的额定功率。

当车辆在恒定的最高车速=100 km/h长距离行驶时，燃料电池单独驱动所需的最小功率在式(1)的基础上计入驱动电机效率，根据电机MAP图取0.9。

==131 kW

根据现有产品规格，选用额定输出功率为100 kW(记为)的燃料电池。由于所选燃料电池规格单独工作不能满足整车最高车速功率需求(<)，需动力电池参与联合驱动。故本文选用系统内功率跟随模式控制策略，实现燃料电池与动力电池组联合驱动。在ADVISOR中搭建燃料电池模型。

1.4 动力电池模型

为简化计算，将动力电池简化为开路电源串联等效内阻模型。

SOC值是动力电池剩余电量的估算值，控制系统根据其数值确定动力或功率分配，计算公式为

式中：为动力电池最大电量；为给定时间[0,]动力电池充放电后的总电量；为SOC初始值;为动力电池初始电量；()为动力电池组电流随时间的变化函数，充电为负值，放电为正值。

动力电池的峰值需求功率在式(2)基础上计算：

=-=1867 kW

根据能量守恒原则，动力电池的最小容量为

≥[(1-)]
(∈[03,1],=03)

式中:电池组允许持续放电倍率≥2，取最小值=2。

代入相关数据得≥133.4 kW·h。

根据整车布置、电机额定电压及电池模组特性确定动力电池成组参数：电压618 V,容量141 kW·h。在ADVISOR中搭建动力电池组模型。

1.5 燃料电池电电混合客车仿真模型

在ADVISOR仿真平台的GUI中导入所建立的燃料电池模型、动力电池模型、驱动电机模型、 功率跟随能量控制策略模块，得到燃料电池电电混合客车仿真模型如图2所示。

图2 电电混合客车模型

2 燃料电池电电混合客车仿真

为使仿真更接近实际使用路况，建立基于城市拥堵+城市畅通+高速+城市畅通+城市拥堵的循环工况(具体如图3所示)，并将其导入ADVISOR中加载。同时，将整车相关参数导入仿真系统进行仿真。

图3 循环工况

2.1 车速跟随仿真结果

图4为车速跟随仿真结果，整个循环工况内，实际仿真车速与需求车速吻合，车辆动力性能理论上满足使用需求。

图4 车速跟随仿真结果

2.2 动力电池工作状态仿真结果

图5为动力电池组输出功率仿真结果，其充、放电功率处于[-40 kW，40 kW]区间，动力电池处于浅充浅放的工作状态，有利于延长其使用寿命；图6为动力电池组SOC仿真结果,SOC值在[0.5,0.7]范围波动，在允许范围之内。

图5 动力电池组输出功率仿真结果

图6 动力电池组SOC值仿真结果

2.3 燃料电池输出功率仿真结果

图7为燃料电池输出功率仿真结果，燃料电池在[0 s,2 265 s]与[3 030 s,5 295 s]仿真区间输出最大功率为60 kW；在[2 266 s,3 029 s]仿真区间输出最大功率达到100 kW。

图7 燃料电池输出功率仿真结果

3 结束语

本文利用ADVISOR 平台对客户定制的燃料电池电电混合客车进行了整车建模及仿真。考虑到车辆功率需求较大，采用功率跟随策略对整车性能进行仿真。结果表明：整车性能满足使用工况；动力电池组SOC值在设定范围内波动，其处于浅充浅放工作状态；最高车速工况燃料电池以最大功率驱动车辆。