燃料电池混合动力车能量管理策略研究

陈 龙，王晓亮，盘朝奉，赵水平

(江苏大学 汽车与交通工程学院，镇江 江苏 212013)

燃料电池汽车以其燃料利用率高、质量能量大、使用寿命长、无污染、低噪音等特性成为了未来汽车发展的方向[1]，但是由于燃料电池放电特性偏软，输出功率频繁变化和高功率大电流放电对燃料电池的效率和使用寿命有很大的损害，故一般都需加入辅助能源及DC/DC转换器的混合驱动方案[2]，其动力系统是一个多能源混合动力系统，一般采取燃料电池加蓄电池(简称FC+B)或者燃料电池加超级电容(简称FC+C)和燃料电池加超级电容加蓄电池(简称FC+C+B)的方案[3-4]。笔者采用燃料电池加动力蓄电池的方案，希望设计出合理的能量管理策略，对功率进行合理的功率分配，充分发挥燃料电池的稳定性与辅助能源的动态适应性，以保证燃料的高利用率和燃料电池的使用寿命。

1 FCEV动力系统结构

燃料电池电动汽车动力系统主要由燃料电池系统、蓄电池、DC/DC变换器和电机及其控制系统组成。燃料电池输出的电能经过DC/DC变换器的转换，与并联的蓄电池共同为传动系提供能量。燃料电池的燃料是储存于车载储氢系统中的氢气。动力系统结构如图1。

图1 整车动力系统结构Fig.1 Vehicle power system

2 FCEV能量管理策略

2.1 燃料电池负载均衡策略

考虑到双能源汽车的动力性与经济性，燃料电池电动车采用转矩、SOC双闭环控制策略，内环为电机转矩控制环，使车辆按照驾驶员意图进行行驶。DC/DC变换器采用恒功率控制，所以蓄电池组输出功率为电机所需功率和燃料电池经过DC/DC变换器输出的功率之差。电机输出功率基本上是随驾驶员的操作信号变化而变化的，所以通过调节DC/DC变换器输出的功率来实现对燃料电池负载的均衡。外环为蓄电池SOC控制环，在保证燃料电池及蓄电池在正常工况下运行下，根据既定SOC控制目标，调节燃料电池系统输出功率。燃料电池负责提供电机的驱动功率并且适时的给蓄电池进行充电，控制蓄电池的SOC值保持在最佳工作状态。SOC的调节是通过对其电流充放电的控制来实现。

2.2 能量分配策略

能量分配策略是整车能量控制策略中最核心的部分，即使蓄电池处于合理的工作状态的情况下，满足汽车动力性要求。根据驾驶员需求信号和子系统的限制条件来确定车轮转矩命令，确保燃料电池系统正常运行从而获得最大的燃料经济性。能量分配的原则：负载跟随特性，燃料电池作为整车的主动力源，输出功率跟随整车负载变化而进行变化；蓄电池作为辅助动力源，提供瞬时助力，使燃料电池输出功率变化平缓；蓄电池SOC功率补偿，使蓄电池SOC值保持在最佳状态值附近。燃料电池电动车FCEV能量管理原理及策略如图2，其控制规则如下：

1)检测电机输入功率和辅助功率消耗，计算整车负载功率。

2)由SOC的偏差，确定蓄电池的目标充电功率。当整车负载处于稳态时，对由SOC决定充电的目标电流进行PI控制，修正FCS输出功率以实现对蓄电池SOC的稳态补偿。

3)根据燃料电池输出功率的变化特点对目标输出功率进行平滑控制，对燃料电池系统动态行为进行优化。

4)根据得到的FCS需求功率，及电机功率的变化对下一时刻FCS功率需求进行预测，并且要满足FCS系统动态响应，得到FCS目标需求功率[5]。

电机输出功率：

(1)

式中：PMC-out为电机输出功率，kW；T，T′为电机需求转矩，N·m；n为电机转速，r/min。

电机功率需求计算：

(2)

蓄电池功率补偿PI控制[6]：

u(k)=PSOC(k)+Kp×e(k)+KI×∑e(k)

(3)

e(k)=ISOC(k)+Ibat(k)

(4)

式中：PSOC为目标充电功率，kW;Kp为PI控制P增益；KI为PI控制I增益；ISOC为目标充电电流，A;Ibat为蓄电池充电电流，A。

图2 FCEV能量管理策略及原理Fig.2 Energy management strategy and diagram of the FCEV

2.3 制动能量回馈策略

当驾驶员踩下制动踏板，电动汽车电机控制器接受制动信号，从而给电机施加倒拖力矩，此时电机工作在发电状态。根据踏板开度来判断驾驶员的制动意图，确定总制动力矩的大小，根据蓄电池电压、电流、SOC值以及电机的转速等参数进行具体分析计算，并将制动力矩的信息传递给制动力分配模块，合理分配再生制动力矩和机械力矩，在保证发电机的发电功率不高于电池允许的最大充电功率与电路消耗功率之和前提下，在驱动轮所允许的制动力矩范围内最大限度的使用再生制动力矩制动，如果最大再生制动力矩不能提供驱动轮所需全部制动力矩，则由机械制动力矩提供驱动轮制动所需的剩余力矩，然后再由电机控制器向能量管理系统发送能量回馈指令。针对再生制动力矩随电机转速和蓄电池电压不断变化的特性，可借助线控系统提供动态变化的机械制动力矩，保证良好的制动效果[7]。逻辑关系如图3。

图3 制动能量回收逻辑Fig.3 Logic diagram of braking energy recovery

3 能量管理策略的试验验证

3.1 试验台架的搭建

系统主要由dSPACE硬件在环仿真系统和上位机组成，通过CAN网络对系统进行控制，系统可以作为整车控制器。在dSPACE上位机中基于MATLAB/Simulink建立整车控制器模型，模拟整车控制器，通过CAN总线接口与电机及控制系统、DC/DC变换器、燃料电池、蓄电池等部件进行通信，在得到各部件的相关参数和工作状态后，经过dSPACE控制器模型处理，再将控制指令通过I/O发送到各部件，实现对各部件的控制。同时各部件之间也能够有效地进行状态信息和控制指令的传送和交流[8]。

3.2 基本试验参数

额定功率为42 kW，最大功率为88 kW，最大转矩为210 N·m。选用30 kW的质子交换膜燃料电池，燃料电池输出的电压约350 V，氢气利用率大于90%。选用的蓄电池组由88个单体锂离子电池组成，容量为22 Ah，工作电压范围在245 ～361 V之间，工作温度不高于55℃。电机转矩特性如图4。

图4 电机转矩特性Fig.4 Motor torque characteristics

3.3 试验结果分析

图5、图6显示了燃料电池系统、蓄电池和电机的输出功率的变化。从图5(a)中可以看出经DC/DC变换后的燃料电池输出功率变化平缓，同时限制了燃料电池的最大输出功率在18 kW左右。从图5(b)中可以看出，蓄电池功率变化符合电机输出功率变化，频繁的瞬时变化所需功率由蓄电池提供，这样就实现了管理策略中的合理分配功率，同时也保障燃料电池的安全运行。图6(a)中电机电流为负值代表了回馈制动，电机以发动机模式工作，向蓄电池充电。图6 (b)表明了蓄电池SOC值的变化，随着车辆进入制动过程，电机处于发电状态，蓄电池的SOC也相应的提高。蓄电池充放电效率很高，也相对平缓，在加速阶段，蓄电池进行放电，较好的满足了行驶工况的加速要求，对燃料电池主动力源起到了很好的补充作用。

图5 燃料电池系统和蓄电池与电机输出功率对比Fig.5 Comparison of the fuel cell system, battery and MC output power

图6 能量回馈中的电机电流和蓄电池SOC值变化Fig.6 Change of motor current and SOC values of battery in energy recovery

4 结 语

从燃料电池电动车系统结构着手，设计了能量管理策略，基于dSPACE进行了硬件在环仿真实验验证。结果表明，燃料电池负载均衡策略和基于PI控制的蓄电池SOC及功率补偿策略不仅能很好的满足循环工况的输出功率需求，还能按照功率需求的变化率对燃料电池和蓄电池进行功率分配，使得燃料电池功率输出平稳，避免了频繁的功率变化和高功率对燃料电池的冲击，燃料电池得到了很好的保护，延长了使用寿命。蓄电池的能量回收提高了能量利用率。说明提出的能量管理策略是可行的。

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