燃料电池汽车溷合动力系统参数匹配与优化

燃料电池汽车混合动力系统参数匹配与优化燃料电池作为车用动力电源有效率高、污染小、动力传动系统结构简单等诸多优点，但在实际应用中也存在一些问题。（1)燃料电池的输出特性偏软，作为车用电源，无法满足负载频繁剧烈的变化，因此必须在电机控制器和燃料电池之间增加必要的功率部件进行阻抗匹配。（2)车用燃料电池作为单一电源其启动时间长，动态响应速度较慢，无法满足车辆运行过程中负载的快速变化需求；燃料电池功率密度较低、成本高，若仅以燃料电池满足峰值功率需求，势必会造成整备质量和成本的增加；无法吸收回馈能量，不能实现制动能量的回收。在燃料电池发动机(FCE)和电机控制器之间增加峰值功率系统(PPS)，不仅可以吸收回馈能量、降低成本，而且可以弥补FCE启动时间长、动态响应差的缺点。采用这种结构的动力系统称为燃料电池混合动力系统。“燃料电池+动力蓄电池”是目前研发的燃料电池混合动力系统主要构型，主要有如图1所示4种结构。结构(a)、(b)和(c)中，燃料电池和驱动系统都是间接连接，可以在一些特定条件下的场地车上使用，但受目前燃料电池技术水平的限制，这3种动力系统结构难以在功率需求和功率波动都比较大的车型上实现。结构(d)的优点是：蓄电池可回收再生制动的能量和吸收燃料电池富裕的能量；蓄电池组作为燃料电池发动机的输出功率平衡器，调节燃料电池发动机的效率与动态特性，改善整车燃料经济性，提高动态响应速度。图1燃料电池混合动力系统结构对于本文所研究的燃料电池汽车，其车型的整车参数及动力性指标如表1所示。表1整车参数和设计性能要求2燃料电池混合动力系统参数匹配2.1电机参数设计目前，可用作车用驱动电机的有直流电机、交流感应电机、永磁同步电机、直流无刷电机、开关磁阻电机等。交流异步电机由于结构简单、坚固且控制性能好，被欧美国家广泛采用。永磁同步电机和直流无刷电机能量密度和效率较高，在日本得到广泛应用。开关磁阻电机应用较少。电机是燃料电池汽车驱动的唯一动力，需要满足起步、怠速、加速、匀速、减速、爬坡等工况的要求。通常适用于电动车辆使用的电机外特性如图2所示。在额定转速nN以下，以恒转矩模式工作，在额定转速nN以上，以恒功率模式工作。相应电机的参数选择包括：电机额定功率PN、电机最大功率Pmax、电机额定转速nN和电机最高转速nmax。图2电机外特性2.1.1电机最大功率和额定功率的确定燃料电池电动客车电机的最大功率的确定，必须按照性能指标的要求，满足最高车速时的功率要求Pe；并且能为车辆提供加速功率Pa和爬坡功率Pc，因此功率参数的选择要依照车辆具体的行驶工况，对比各工况下的需求功率值，考虑传动系效率，选择其中的最大值作为最大功率值，即：汽车行驶功率平衡方程式如下：（1）若给出最高车速，忽略加速阻力和上坡阻力：(2)若给出最大爬坡度，则满足车辆爬坡性能时忽略空气阻力和加速阻力：式中，ustab为最小稳定车速。基于以上计算，取Pmax=160kW(3)若要满足车辆的加速性能要求，则在水平良好路面上，车辆的行驶加速度计算式为：则车辆由起步加速到车速u的加速时间为：应用计算机编程，电机功率取额定值，计算得加速时间为23.8s，则此电机的功率满足车辆的加速性能要求。电机额定功率的选取要考虑到车辆的实际行驶状况，使车辆的经常行驶功率与电机的经济区对应，即车辆经常使用工况下电机能以经济的负载率运行。通常，电机额定功率可按照巡航车速来选取，巡航车速一般为0.6～0.8umax。以巡航车速u=50km/h行驶时所需的功率为驱动电机的额定功率：2.1.2电机额定转速和最高转速确定电机的最高转速对电机的额定转矩和传动系尺寸都有影响。在额定功率一定的前提下，最高转速越低，对应的电机额定转矩越大，一方面对电机的支撑要求越高，另一方面要求更大的电机电流和电力电子设备电流，增加了功率变换器的尺寸和损耗。但车辆起步加速和稳定运行需要电机额定转矩减小，只能通过选用高速电机来解决，这又会增加传动系尺寸，所以必须综合考虑最高车速和传动系尺寸。通过上式计算结果，考虑到电机的负荷率、负载变化范围大、车辆应有一定的加速爬坡能力等因素，电机的功率应比计算值大。电机的最大功率只代表当电机的转速高于基速时的过载能力，电机以最大功率连续运转的时间不能超过30～60s，因此车辆实际行驶过程中要求电机的过载时间不能太长。初步选定电机额定功率100kW，最大功率160kW，额定转速为1860r/min，最高转速为4800r/min，额定转矩为650Nm，最大转矩为850Nm，额定效率94%。2.2燃料电池发动机参数设计研究成果表明能作为车用电源的最佳燃料电池是质子交换膜型燃料电池(PEMFC)。燃料电池作为单一电源的净输出功率PFCE应满足：式中，ηDCF为DC/DC效率；Pmaxr为最大需求功率；ηm为电机及其逆变器效率；PA为辅助设备功率消耗。考虑燃料电池的制造成本和比功率等因素，在满足设计性能要求的基础上，应尽可能降低其功率级别。混合型式下，燃料电池功率满足车辆持续最高车速行驶时的功率需求即可：2.3动力蓄电池参数设计混合动力电动汽车上的动力蓄电池有两种工作模式：辅助动力模式和双动力模式。前者偏重蓄电池的功率特性，后者还要求蓄电池具有一定的能量特性。本动力系统采用辅助动力模式。辅助动力模式下的动力蓄电池，要求电池具有瞬间大电流充放电的能力，虽然充放电电流很大，但由于持续时间都较短，因此电池SOC的波动范围不大。目前可以作为车用辅助动力源的蓄电池有：铅酸电池、镍氢电池、锂离子电池。其中锂离子电池具有较出色的功率能量性能，但存在使用安全的问题。对蓄电池的参数设计主要有3个性能要求：电压等级、功率需求和能量需求。首先，电池电压等级要与电机的电压等级保持一致，其次就是最大充放电功率要满足电机的功率需求和能量需求。理论上，电机的峰值功率越大，电气系统的电压等级越高，对保证电流不超过一定限值是有利的，但是电压等级也不能超过电气系统的最高电压限值。研究统计表明，串并联结构的混合动力客车及其纯电动汽车，电压等级为300～650V。作为混合动力系统的PPS，蓄电池最大放电功率必须满足：同时蓄电池还必须具备一定的充电功率，以吸收制动时的回馈能量。考虑到电池的特性和电机的回馈功率，充电功率应大于70kW。辅助动力模式情况下，对蓄电池的能量要求不像功率要求那么严格，一般可以满足需要。通过以上匹配计算确定混合动力系统主要部件参数，如表2所示。表2燃料电池混合动力系统主要部件参数3燃料电池混合动力系统优化3.1优化模型优化设计以满足动力性指标为前提，以给定的循环工况作为输入，以燃料消耗量最小为优化目标，即：有以下5个约束条件：(1)由能量守恒得：(2)维持蓄电池SOC值运行前后不变：(3)燃料电池发动机的功率约束：(4)动力蓄电池的工作边界：(5)电动机的工作边界：式中，Pbat为蓄电池功率，ηFCE为燃料电池发动机效率，ibat为充放电电流，Ubat_dis_min为放电截止电压，Ubat为充放电电压，ibat_cha_max为最大充电电流，Ubat_cha_max为充电截止电压，ibat_dis_max为最大放电电流，PFCE_out为输出功率，ωm_m为电动转速，ωm_g为发电转速，Tm_m为电动转矩，Tm_g为发电转矩，ωg_max为发电最大转速，Tg_max为发电最大转矩，PFCE_min为最小输出功率，PFCE_max为最大输出功率，△PFCE为最大输出功率变化率。3.2控制策略不同的控制策略对整车相应的零部件的性能和要求不同，串联式混合动力汽车采用的典型的两种能量管理策略有开关式控制策略和功率跟随式控制策略。(1)开关式控制策略。发动机开关由电池SOC的上下限决定，发动机工作时，其工作在最佳燃料经济性点上，该控制策略主要由蓄电池来跟随和响应整车的功率需求。(2)功率跟随式控制策略。由功率需求和电池SOC决定发动机启停，发动机工作时处在最佳燃料经济性曲线上，且尽量维持蓄电池SOC在设定的值，以保证续驶里程。通过对比分析不同的控制策略以及控制参数的优化结果，综合考虑和分析得到适合不同设计需求的零部件选型和优化方案。3.3优化结果分析针对上面的优化问题及控制策略，对其建立整车、零部件以及控制策略的模型；并基于Advisor库中NYCC、ECE和NewYorkBUS3种具有代表性的城市循环工况相加进行优化仿真，采用MAT-LAB优化工具箱中的序列二次规划(SQP)算法作为优化问题的求解器，设计变量主要包括燃料电池发动机功率PFCE、动力蓄电池单体数量nbat以及SOC值域，对两种控制策略进行比较分析其优化结果如表3所示。表3不同控制策略的优化结果开关式控制策略一般应用于燃料电池发动机动态响应差、以蓄电池为主要动力源的能量混合型车型，因此一般采用比较大的蓄电池。对于这种控制策略，当电池SOC在0.3～0.7之间时，意味着蓄电池需要在很大范围内提供动力，该控制方式下，燃料电池很少参与工作，大部分工况由蓄电池提供动力；而当电池SOC在0.4～0.6之间时，由于SOC控制范围小，即蓄电池的工作范围比较小，最终优化得到的蓄电池模块数相对于电池SOC在0.3～0.7的控制策略少。电池SOC在0.3～0.7之间时，主要由蓄电池提供动力，电池容量大，充放电电流小，效率高，且电量的消耗均在燃料电池最高效率点补充，所以经济性好；而电池SOC在0.4～0.6之间时，蓄电池容量小，充放电电流大，效率低，且发动机启动和停止时，由于有功率变化率的限制，消耗的燃料也多，所以经济性比电池SOC在0.3～0.7之间差，见图3。图3开关控制策略结果功率跟随式控制策略适用于燃料电池发动机有较好的动态响应，以燃料电池发动机为主要动力源，且为中度或轻度混合的车型。该控制策略要求燃料电池能提供大部分的驱动能量，由图4可以看到，燃料电池提供了大部分的能量，蓄电池用来弥补燃料电池不足的功率需求，其功率输出基本在20kW以下，且电池SOC基本维持在0.5附近。由于燃料电池发动机动态变化，其工况点不是经济性最佳点，但由于燃料电池在很大的范围内有很高的效率，所以功率跟随式控制策略得到的燃料经济性比开关式控制策略电池SOC在0.4～0.6之间得到的经济性好，但比电池SOC在0.3～0.7之间的经济性差。由于工况的平均功率需求为50kW左右，为了满足动力性指标要求，需要的功率为200kW左右，虽然两种不同的控制策略导致基于工况的主要功率输出部件不同，但由于动力性指标的限制，最终的结果零部件的功率等级都较高。图4功率跟随式控制策略结果4结论(1)结合具体车型，在满足动力性要求的前提下，给出了燃料电池汽车混合动力系统进行参数匹配与优化的一般方法。(2)对于不同的能量管理策略，对应着不同的对动力部件的选型要求，选型时需要充分考虑能量管理策略对零部件及整车性能的影响。(3)燃料电池汽车混合动力系统参数的变化对其整车性能有着直接的影响，采用二次规划优化算法(SQP)对混合动力系统参数进行匹配优化，能够为混合动力车的零部件选型和匹配提供一定的参考依据。