基于Cruise-Simulin-省略-蓄电池混合动力的能量管理策略仿真-谢星

2010年(第32卷)第5期汽　车　工　程2010(.32).52010078基于/的车用燃料电池/蓄电池混合动力的能量管理策略仿真＊＊同济大学中德学院“新型车辆动力”基金教席和上海浦江人才计划(0814094)资助。原稿收到日期为2009年8月11日,修改稿收到日期为2009年10月20日。谢　星1,周　苏1,2,王廷宏2,陈凤祥2(1.同济大学中德学院,上海　200092;　2.同济大学汽车学院,上海　201804)[摘要]　基于-和建立了联合仿真平台,引入了基于规则的功率跟随能量管理控制策略,对车用燃料电池/蓄电池混合动力()进行了初步仿真,在选定的循环工况下的仿真结果表明,该仿真平台能够真实反映燃料电池汽车的工作过程,蓄电池始终保持在合理范围内。关键词:燃料电池;混合动力系统;联合仿真;能量管理//1,1,2,221.-,,　200092;2.,,　201804[]　--,-,-/()..:;;-;前言质子交换膜燃料电池被认为是车用燃料电池的最佳选择[1]。但如果燃料电池汽车只有燃料电池一个动力源,就会有成本高、动态性能差和不能进行制动能量回收等缺点。所以,目前的燃料电池汽车主要采用混合驱动模式,即在具有燃料电池的基础上,增加蓄电池或者超级电容作为辅助动力源[1]。多动力源系统的能量管理策略是整车控制的核心[2]。如何协调燃料电池和其它电源之间的供能是燃料电池汽车开发中必须解决的问题。能量管理的核心问题是多能源动力系统工作模式的选择和功率分配算法。第1个层次是建立随工况而改变工作模式的切换规则,第2个层次是解决每一种工作模式下能量的优化分配问题[1]。近年来,国内外对混合动力能量管理策略的研究主要集中于瞬时优化策略和全局优化策略[3]。瞬时优化策略需要进行等效油耗的计算,计算非常复杂且不准确[4]。全局优化是以车辆在某循环工况下消耗的燃油总量最小为目标而进行的优化方法,但是它只能针对某一特定工况实施离线优化,因而只能作为制定实时控制规则时的参考[5]。近年来,一些智能控制算法(例如模糊控制、自适应控制)也应用于混合动力能量管理策略中[6],但是也由于过于复杂而难以在实际车辆上应用。从工程实际出发,基于规则的能量管理策略清晰简单且工程开发周期短,结合相应的离线优化结·374　　·汽　车　工　程2010年(第32卷)第5期果以及工程经验,可以作为实车的能量管理控制策略。同时借鉴瞬时优化中的等效油耗计算方法可以进行全局燃油经济性分析。文中在基于和的燃料电池混合动力汽车()仿真平台基础上,结合相关工程经验和逻辑控制方法,在//中制定出基于规则的能量管理策略,并进行仿真验证。仿真结果表明该策略能反映的多能源系统工作过程,在满足整车动力性要求的前提下实现燃料电池高效工作和蓄电池充电保持,可为进一步实车研究提供指导和借鉴。1　仿真平台建立1.1　整车动力系统建模文中研究的动力系统结构形式如图1所示。其中,永磁同步电机()经变速器和差速器机构驱动车轮。在燃料电池和电机之间增加/变换器来对系统进行电压匹配,同时控制燃料电池系统的对外能量输出。动力蓄电池作为辅助动力源并联于直流动力母线上,其作用主要是吸收回馈能量、提供峰值功率和快速响应负载功率的变化。图1　动力系统结构-整车仿真软件灵活且图形化的建模方式以及与/良好的接口功能使其在传统汽车和电动汽车的建模和仿真中具有非常大的优势。与等仿真软件相比,可以进行前向仿真模拟且无须嵌套于/中运行。但对于控制算法开发和策略研究,能够非常直观和方便地进行模拟和分析,而且代码生成工具可以直接从模型中生成可定制的或者代码,以便实现后续的快速原型和硬件在环模拟。所以,充分利用这两个软件各自的优势对燃料电池汽车进行联合仿真研究,可以加快实际开发速度,节约开发成本。模型中用到的集成模块主要有驾驶员、整车、蓄电池、主减速器、差速器、制动系统、车轮和电气连接等。而燃料电池系统、主/转换器以及包含能量管理策略的整车控制器模型则是在中建立。1.2　主要部件建模驾驶员模型根据踏板输入和当前车速,预测电机目标转矩,计算电机的需求功率。电机模型根据驾驶员给出的目标转矩、电机当前转速以及当前动力总线电压下的外特性转矩计算电机的输出转矩。根据需求功率和当前电机效率,得到电机需求电流,见式(1)～式(4)。=(,)(1)=(,)(2)η=(,,)(3)=(/9550)/(η/1000)(4)式中:、、分别为电机外特性转矩、需求转矩和实际输出转矩,·;为动力总线电压,;为电机转速,/;η为电机效率;为电机的需求电流,。动力蓄电池作为动力总线上唯一的电压源,决定了总线的瞬时电压。中的蓄电池模型采用等效电路模型,蓄电池模块根据充放电流和当前开路电压来计算端电压,其中开路电压随而变化,内阻随和温度而变化。=-(5)=(,)(6)=()(7)蓄电池的最大充放电电流是能量管理中重要的计算数据,对于单体蓄电池,有=(-)/(8)=(-)/(9)=/1000(10)=/1000(11)式中:、分别为单体蓄电池充电截止电压和放电终止电压;、分别为单体蓄电池最大充电和放电电流;、分别为蓄电池最大充电和放电功率;为蓄电池片数。主/转换器是整车控制器实时能量管理的执行部件,通常采用电压和电流两种控制方式[7]。文中采用基于电流控制的能量管理策略,它能有效保护燃料电池,同时兼顾蓄电池组性能,整车燃油经济性和系统安全性都能提高[8]。通过控制/转换器的输出电流控制燃料电池工作状态,从而实现稳态时能量的分配。=-/(12)2010(.32).5　　谢星,等:基于/的车用燃料电池/蓄电池混合动力的能量管理策略仿真·375　　·式中:、和/分别为动力总线上蓄电池、电机和/转换器输出端的实际功率。研究采用的燃料电池为质子交换膜燃料电池。燃料电池电堆的需求输出电流作为模型的输入,空气端流量取决于电堆工作电流大小,氢气进气压力约为0.3。该模型通过单体燃料电池的输出电压来拟合得到整个电堆的输出电压[9]。燃料电池电堆模型如图2所示。图2　燃料电池电堆模型1.3　与之间的信号通信中各模块之间的信号传递通过中的数据总线-实现。在环境下可以真实模拟实车车载网络的信号传递,仿真时不考虑信号传递中的干扰和损失。而和之间的信号传递则通过中的动态链接库模块实现。模块发挥两个仿真环境之间的数据总线的作用,建立和/之间的信号通信,如图3所示。图3　-和/信号通信2　电-电混合能量管理策略能量管理模块是整车控制器模型的核心部分。它的主要功能是根据车速、蓄电池、氢气储量以及驾驶员意图判断出车辆所处的状态,然后对电机的需求功率在两个能量源(蓄电池和燃料电池)之间进行分配。基于//对的能量管理策略进行建模与仿真,具体逻辑见图4。其中:为动力总线上的总需求功率,为蓄电池功率,为蓄电池最大充电功率,为蓄电池下限,为蓄电池上限,为蓄电池制动能量回收效率,为燃料电池输出功率,和分别为燃料电池最大和最小输出功率,为燃料电池高效点处输出功率。该策略是基于规则的功率跟随策略,同时结合恒功率策略,燃料电池作为主动力源提供车辆动力。在策略的制定中,燃料电池始终工作在合理功率范围内(),在满足动力性要求的前提下,尽可能以其高效点处的功率对外做功,由蓄电池来实现系统功率平衡,这样可以提高系统效率。当需求功率在这种工作模式下无法得到满足时,燃料电池输出功率才跟随需求功率的变化而变化。这一能量管理策略综合考虑了系统效率和蓄电池的最大功率限制。在车辆的动态过程中,由于燃料电池和蓄电池各自的动态响应特性存在差异,蓄电池组输出功率变化的时间常数一般来说远小于燃料电池组的动态变化时间常数[10],因而由蓄电池组短时间内响应电·376　　·汽　车　工　程2010年(第32卷)第5期图4　基于规则的能量管理流程图动机需求功率的变化。该策略使得蓄电池荷电状态始终控制在一定范围内,既不过充又给再生制动预留充电空间,在车辆蓄电池组的使用寿命期内,整车动力性不会出现严重的下降。在策略中没有考虑蓄电池充放电次数对蓄电池寿命的影响,但考虑了尽量减小燃料电池开关次数和负载波动来延长燃料电池使用寿命和保证燃料电池电堆运行安全。具体工作状态有如下4种工况。(1)轻载工况　若蓄电池低于0.3,则燃料电池必须启动,驱动电机同时给蓄电池充电。此时燃料电池的输出功率等于负载功率和蓄电池充电功率之和,燃料电池工作于高效点(轻载情况下的功率需求一般低于燃料电池高效工作点处的功率输出)。若蓄电池在正常范围(0.3～0.7),则尽量让燃料电池工作在高效点,不足和多余部分由蓄电池补充或吸收。(2)重载工况　燃料电池高效工作点的输出功率无法满足整车动力性要求,这时必须控制/增大燃料电池的功率输出来跟随功率变化。只要蓄电池没有达到上限,燃料电池除了满足需求功率,还要给蓄电池充电。当蓄电池低于下限0.3时,燃料电池工作在最大功率点附近,给蓄电池供电,以保护蓄电池。蓄电池在正常范围时,燃料电池则在提供需求功率的同时以恒定功率(10左右)给它充电。如果燃料电池峰值功率无法满足功率需求,则让蓄电池补充燃料电池峰值功率的不足。这时,蓄电池起到了覆盖功率波动,提高峰值功率和改善瞬态输出特性的作用。(3)汽车起步　由于燃料电池从启动到对外做功,需要一些必要的准备,这时由蓄电池给燃料电池系统提供启动电源;功率变化较为剧烈时,蓄电池随时补充不足的能量和吸收多余的能量。(4)汽车制动　要求蓄电池尽量吸收全部的再生回馈电能,不考虑再生制动对制动性能及车辆稳定性的影响。只有当再生制动已达到最大制动能力但还不能满足制动要求时,机械制动才起作用[11]。根据制动踏板位置可以计算出需求制动力矩;根据电机转速和电机外特性图,可得到电机作为发电机时最大再生制动功率和最大再生制动转矩;根据蓄电池实时和内阻得到蓄电池的最大可充电功率。汽车允许的再生制动功率为=(/η,)(13)式中η为发电模式时的电机效率。实际电机再生制动力矩为=(/,/0η)(14)式中:为电机当前转速;η为传动系统效率;、0分别为变速比和主减速比。需要机械制动时,机械制动力矩为=/0η-/(15)车辆的100耗氢量可以作为燃油经济性的参考指标。如果蓄电池系统在的行驶周期中充、放电总能量的代数和不为零,则称为其电能平衡值不为零。此时需要对蓄电池组的电能平衡值进行等效折算,将其转换为电能平衡值为零时的等效耗氢量[1]。文中采用的是美国汽车工程师协会()的折算方法:2=2(1+∫0∫0)(16)式中:为燃料电池系统的输出电流;、分别为2010(.32).5　　谢星,等:基于/的车用燃料电池/蓄电池混合动力的能量管理策略仿真·377　　·动力蓄电池端电压和燃料电池输出电压;2为整车等效耗氢量;2为燃料电池系统实际耗氢量。3　仿真计算和结果分析在中建立能量管理控制模块后,在联合仿真平台上进行仿真计算,并对策略进行验证和评价。整车主要参数见表1(参考3000的相关参数)。表1　仿真车辆参数参数数值整车质量/1350传动系效率η0.92滚动阻力系数0.015风阻系数0.284迎风面积/21.97在动力系统部件选型中,动力性要求是主要考虑的因素。根据在典型工况下的功率需求,选定的主要部件参数如表2所示。采用1015工况作为仿真的测试工况,主要考虑该工况能涵盖城市工况中可能出现的各种情况;同时车速变化较快,需求功率动态变化相对频繁,可以反映出在功率动态变化过程中动力系统的工作状况。蓄电池初始取0.7,初始氢气储量设定为3。图5为所选工况下车速、总线电压、蓄电池、蓄电池功率以及电流随时间的变化情况。表2　动力系统各部件主要参数动力系统部件参数燃料电池系统(包括辅助设备)额定功率:25最大功率:30蓄电池组15·/312锂电池最大充电电流:80最大放电电流:160/变换器单向,降压额定功率:60正常输入电压范围:300～360电机逆变器额定输入电压:312±10输入电压范围:300～360最大输入电压:400电机额定功率:30最大功率:60最高转速:11500/从图5可以看出,该能量管理策略能使车辆满足1015工况下的速度和加速度要求,