燃料電池汽車動力系統仿真分析及控制策略研究

梁滿志 囤金軍 范志先 馮海明

摘 要：本次研究以燃料電池客車為原型，提出了燃料電池和動力電池組成混合動力的優化措施，希望能夠滿足特殊工況下能量和動力需求，提升燃料電池客車各項動力性能指標?，F結合仿真結果分析模糊控制策略，對燃料電池的功率需求進行了控制改進，希望可提升燃料電池汽車動力系統仿真分析和控制處理質量，全面降低燃料電池輸出功率波動影響。

關鍵詞：燃料電池汽車;動力系統;仿真分析;控制策略

本文立足于不可再生能源短缺和環境污染問題，結合現代動力汽車生產要求，迫切研究清潔能源代替現有能源的措施建議。隨著現代經濟建設發展，美國，中國，德國，都推出了燃料電池供能計劃，以改善傳統能源供給系統穩態負載不當以及燃料供應不足等問題。為解決這一問題，現分析燃料電動汽車動力系統模型，提出燃料電池+動力電池的處理方式，希望能為創新燃料電池汽車動力系統設計奠定基礎，現將研究分析闡述如下。

1 簡述燃料電池汽車動力系統

1.1 電動汽車動力組成

目前，燃料電動汽車動力系統內設DCDC、驅動電機、燃料電池、輔助能源等系統組成，混合多能源的形式存在，目前可用的方式有“超級電容+燃料電池”、“動力電池+燃料電池”幾種，且超級電容的充電性能快，可以實現最大程度的放電，而儲存能源和空間有限，只能夠提供大約1min的峰值功率。針對其輔助能源特征來看，可采用燃料電池+動力電池的混合動力形式[1]。

燃料客車運行中，其中的DC/DC和動力電池經過并聯處理后為整個整車動力系統提供能量來源，后期可通過調節DCDC調整輸出功率來改變電池的輸入、輸出表現。并保護燃料電池，讓其安全運行。按照該方式對比混合電源體積和質量比，本方案可以穩定動力系統電源電壓，預防電壓波動，也節省操作空間。

1.2 燃料電池和動力電池的特征研究

從理論上來講，燃料電池動力汽車系統其可以達到很高的效率，實現化學能源向電能高效轉換[2]。針對實際效率而言，整個效率可以達到50%到70%，綜合計算效率甚至可以達到傳統熱機的2倍以上。

從理論研究上而言，燃料電池的輸出功率可以適應不停變化的整車驅動系統系統的功率需求，只需要根據功率需求進行空氣和燃料的的供給，也就是控制燃料電池空壓機的轉速和供氫系統比例閥的開度即可[3]。因此在動力電池工作中，要及時預防動力電池的問題，預防其過充、放電，以保證動力電池的安全、穩定。

以溫度為研究分析動力電池放電趨勢來看，經過試驗研究表示，當SOC低于0.2時候，整個輸出電壓接近于截止電壓;當SOC位于0.2-0.8之間時候，整車驅動系統的需求功率要小于動力電池可提供的最大持續脈沖功率，即使在急加速、急減速或者起步階段，驅動功率也有在短時間內小于動力電池的30s脈沖功率;當SOC位于0.8-1之間的時候，要防止動力電池單體電壓過高而造成的過充故障。因此針對模糊控制策略，要保證整車驅動功率需求在動力電池合理的工作區間內進行，所以，最佳設計值應當控制在0.3-0.8之間。

2 以燃料電池汽車動力需求，分析其動力系統的部件參數

2.1 整車動力系統性能參數研究

本文以我公司10.5米燃料電池客車為基礎進行燃料電池仿真分析，整車尺寸和參數如下。

（1）總質量參數為16500/kg;（2）整備質量參數為10800/kg;（3）車輪滾動半徑參數為0.471/m;（4）滾動阻力系數參數為0.013;（5）風阻系數參數為0.65;（6）整車半載參數為13700/kg;（7）迎風面積參數為27.7/m。

為使燃料電池客車滿足公交工況下的運行條件，現結合CCBC工況的運行特點進行研究分析，其中目標車輛的整體經濟性和運動參數目標如下。

（1）最高車速為69-70km/h;（2）0～30km/h加速時間應當低于9s;（3）CCBC工況續駛里程大于300km;（4）若以10 km/h計算，最大爬坡度應當大于15%;（5）百公里氫消耗量應當低于6kg。

2.2 確定橋速比

燃料電池汽車仿真設計驅動橋速比應當滿足以上要求，且根據 MATLAB/Simulink要求校對整個車輛的加速性能。

仿真測試結果表示，當驅動橋速比為6.134時候，加速時間在0-30 km/h時，需加速時間6.63秒;當加速時間為0-50km/h時，加速時間約為20.65秒;當驅動橋速比為7.410時候，加速時間在0-30 km/h時，需加速時間5.25秒;當加速時間為0-50km/h時，加速時間約為26.24秒。

3 模糊控制器仿真設計研究

試驗證明，頻繁的啟動和變載會導致燃料電池的壽命降低[4]，因此，燃料電池作為燃料客車正常行駛的直接動力來源，為了提升燃料電池的耐久性，保持燃料電池的輸出功率穩定性，那么動力電池就要作為一個能量緩沖容器，當需求功率大于燃料電池當前輸出功率時，動力電池提供能量，當需求功率小于燃料電池當前輸出功率時，動力電池存儲能量。這個過程需保證動力電池的安全運行，要有效預防動力電池過充或過放電問題，建議及時控制動力電池，讓其可以回收制動能量，全面提升動力電池、燃料電池的運用質量和工作效率[5]。

3.1 設計模糊控制器

模糊控制器有規則庫、模糊推理和接口處理幾個部分，本次研究采用了頂層模塊燃料電池控制策略中的輸出和輸入策略，且動力電池的SOC的輸入值和總線需求功率Pb進行相應研究。對于輸入量的模糊部分，需要將真實測試的值轉換為模糊數據模式，然后輸入到模糊控制器中。在模糊規則約束轉換和控制之后，然后將模糊集進行數字化為相應的編號?，F代模糊推理的數字化過程。在當前的主流模糊工具中，有Mamdani推理系統和Sugeno系統幾類[6]，且M類型的模糊系統方式簡單最為常見，學難度不大;S類型的模糊推理屬于線性函數類型，使用頻率不高且存在實用性問題，因此工業中常用M模糊類型方式。

3.2 傳統控制策略建模和仿真分析

本次研究采用Simulink傳統建模和控制系統，針對其燃料混合動力汽車系統特征，仿真流程需先將所有的數據輸入到對應的文件中，進而核對、修改、優化對應的文件類型，在基于功率伴隨策略下完成仿真任務，最后將傳統模糊控制策略數據輸入到ADVISOR頂層模塊中，完成對應仿真控制計劃。

對比分析可知，燃料電池客車在基于CCBC道路下，隨著模糊控制參數變化，整個車輛的行駛狀態良好，且在動力汽車運行中，燃料電池在行駛中，動力電池SOC值變化較為明顯，隨著SOC的波動范圍變化，其保證了動力電池放電安全性以及高效性。這對動力電池客車安全行駛奠定了基礎。針對燃料電池實際輸出功率和變化情況可知，其波動范圍多在[6kW，25kW]區間內，其波動幅度較大，且圖形中道路工況變化下，電機的需求功率變化也直接影響了總線需求變化，整體分析可知，這種傳統模糊控制策略大多能夠滿足燃料客車在CCBC道路運行下的動力性和經濟性要求。

3.3 改進的模糊控制器

結合公交客車的動力需求，燃料電池工況客車動力系統處于能量再生循環模式。在制動能量回收模式下，電動機會及時為動力電池充電。當所需功率發生顯著變化時，在[0，100 kW]間隔內，燃料電池和動力電池將處于集中式充電模式。

對于模糊語言中的變量和定量描述類型，隸屬函數具有離散和連續的兩種不同的變化形式，其中連續隸屬函數非常普遍，例如梯形、三角形、高斯型幾大類。而在0-100KW時候隸屬度多屬于高斯分布。-100～0區間范圍內多屬于梯形函數。研究表示，當燃料電池隨著增益系數變化時候，整個區間的值也在發生直接變化，當增益系數增加到0.5時候，整個燃料電池的效率達到最高，且控制增益系數為0.5時候，整個燃料電池效率為0.58，動力電池效率為0.96。

4 仿真結果分析

本次仿真燃料電池客車測試結果如下圖1所示，在 CCBC 工況下，分段模糊控制策略中，燃料電池客車在該路段中運行良好。

圖1（a）表示燃料電池客車運行中的實際行車趨向和工況正常車速接警，且動力供能滿足需求。觀察圖1（b），雖然SOC值變化趨勢在下降，其波動范圍在[0.6，0.8]之間，可保證動力電池充放電安全性。

圖1（c）表示燃料電池客車實際輸出功率隨著時間變化，觀察圖中燃料電池的實際輸出功率變化，其在[14 kW，25 kW]變化幅度之間。

圖1（d）展示了電機功率變化和道路工況之間的變化關系，側面反映了總線需求功率濱化。其變化幅度在[-10 kW，18 kW]之間。

國家重點研發計劃：燃料電池公交車電-電深度混合動力系統平臺及整車開發，項目編號：2018YFB0105500。

參考文獻：

[1]《中國公路學報》編輯部. 中國汽車工程學術研究綜述·2017[J]. 中國公路學報，2017，30（06）：1-197.

[2]王鍵，鄭松林，郝景賢，饒洪宇. 后驅燃料電池客車的控制策略開發[J]. 重慶理工大學學報（自然科學），2018，32（12）：31-37.

[3]王哲，謝怡，孫維，臧鵬飛. 燃料電池客車動力系統建模與能量管理策略研究[J]. 同濟大學學報（自然科學版），2019，47（01）：97-103+123.

[4]贠海濤，林晉召，曾欣.增程式燃料電池物流車動力系統設計與控制[J]. 現代制造工程，2019（03）：56-61.

[5]江玥，李濤，張哲，劉雨暉，陳申龍，張志猛.燃料電池汽車動力系統仿真分析及控制策略研究[J]. 數字制造科學，2019，17（02）：136-141+166.

[6]杜嗣琢，朱有地，楊福生，陳永哲. 純電動汽車動力系統參數匹配及整車控制策略研究分析[J]. 時代汽車，2019（12）：56-57.