燃料电池汽车能量管理测评研究分析

吴诗雨 郭婷 王国卓 聂振宇 王志军

（1.中国汽车技术研究中心有限公司，天津 300300；2.中汽研汽车检验中心（天津）有限公司，天津 300300）

主题词：燃料电池汽车 能量管理 测试评价

缩略语

SOC Stateof Charge

FC Fuel Cell

B Battery

C Capacitance

FCV Fuel Cell Vehicle

NEDC New European Driving Cycle

CLTC China Light-duty vehicle Test Cycle

1 前言

随着“碳达峰、碳中和”目标的提出，新能源汽车的研发与应用凸显了越来越重要的角色。燃料电池技术由于其自身的清洁、高效和能量密度大的特点，受到了世界各国政府和汽车行业的关注。在日本，丰田和本田两大汽车制造商分别研发出Mirai和Clarity两款燃料电池汽车，其中丰田Mirai已经实现上市量产[1]；在韩国，现代公司研发生产的NEXO燃料电池汽车也具备了全球的领先技术水平；美国也于2006年启动了国家燃料电池公共汽车计划，加强对燃料电池技术的研发与应用；我国政府高度重视燃料电池技术的发展，制定了“中国至2050年能源科技发展路线图”等一系列政策[2]，潍柴、上汽、广汽、长城等国内企业都在燃料电池汽车技术的研发方面进行了大量的投入。

本文对现有燃料电池汽车的能量管理策略和典型车辆能量流测试进行了综述分析，对燃料电池汽车能量流的测试工况和测评指标进行解析，研究内容有利于促进燃料电池汽车产业的研发与应用。

2 FCV动力系统方案

燃料电池汽车的动力源主要有燃料电池、动力电池和超级电容。现有的燃料电池汽车动力方案主要有以下4种[3]：

（1）燃料电池发动机作为整车的动力来源；

（2）燃料电池和动力电池共同作为整车的动力来源，即“FC+B”模式[4]；

（3）燃料电池和超级电容共同为整车提供动力，即“FC+C”模式[5]；

（4）燃料电池、动力电池和超级电容一同作为整车的动力来源，即“FC+B+C”模式[6-7]。

上述4种驱动模式的结构图如1所示。

图1 燃料电池汽车驱动模式结构[8]：

考虑到现有技术的发展情况，单纯的燃料电池驱动模式受限于燃料电池的工作特性、外部环境的影响，不能很好的满足整车行驶过程中的动力需求，而超级电容技术与燃料电池和动力电池相结合的弊端尚未得到很好的解决。因此，当前燃料电池汽车的主流动力模式为“燃料电池+动力电池”模式。

表1 4种驱动模式的特点

3 FCV能量管理控制策略

目前，燃料电池汽车的控制策略主要分为两大类[8]：基于规则的能量管理策略和基于优化的能量管理策略。基于规则的能量管理策略是指通过判断动力电池的SOC状态，并结合车辆行驶过程中的功率需求以确定燃料电池系统的工作状态。基于优化的能量管理策略是指以整车的等效氢气消耗量或其它指标为优化目标，通过能量管理策略的优化，以实现氢气消耗量最小，这种管理策略包括瞬时优化管理策略、全局优化管理策略和基于工况的实时优化管理策略。

在能量管理策略方面，研究学者进行了大量的研究工作。孔岩[9]对4种燃料电池基本控制策略进行了原理分析，并分析了4种策略的改进方法。田建国[10]等通过匹配燃料电池客车动力电池的电量和燃料电池发动机功率跟随特性，为其公司的某燃料电池客车建立了运动模式和经济模式两种能量管理策略，即大负荷工况时增大燃料电池发动机的功率，而中低负荷下使燃料电池的氢气消耗量最低，这样既满足了中低负荷下的整车经济性能，又为大负荷行驶过程提供了足够的动力，延长了大负荷行驶时间。杨琨[11]等利用Simulink软件，对某10.5 m燃料电池客车的动力系统进行了仿真分析，建立了整车氢气消耗量为优化指标的能量管理方案。吕沁阳[12]等建立了基于改进动态规划算法的能量管理策略，兼顾了整车的经济性与耐久性，在略微提高整车能耗的条件下，极大地改善了整车的性能的衰退程度。

4 测试工况及数据分析

4.1 测试工况

我国现有燃料电池汽车以商用客车类型为主，轿车的研发款式和类型相对较少，燃料电池整车的测试项目尚处于研发测试阶段。结合目前整车厂的研发测试需求，能量管理的测试工况主要包括NEDC工况和CLTC工况。每种工况中包括启停工况、怠速工况、加速工况、减速工况以及高低速工况，不同的工况下，燃料电池整车的能量管理分配策略不同，进而实现对整车性能的优化控制。图2为NEDC和CLTC速度时间曲线。

图2 NEDC和CLTC工况速度-时间曲线

4.2 典型FCEV能量管理分析

如图3所示，Tomohiro Ogawa[13]等研究了丰田巴士功率分配的设计大纲曲线。他们指出，该车辆功率分配的设计思路分为3个阶段：

图3 丰田巴士电力性能设计大纲[13]

（1）随着整车功率需求的增大，燃料电池系统的功率逐渐提高，以满足车辆动力需求，此时燃料电池电压逐渐降低，动力电池不对外输出，SOC状态保持不变。随着燃料电池系统的电压下降到限定电压值时，燃料电池功率保持不变。此时，整车的额外需求功率由动力电池提供，动力电池功率输出逐渐增加。

（2）整车功率需求保持不变，保持最大需求，此时燃料电池系统的输出功率和动力电池系统的输出功率保持不变，动力电池SOC逐渐降低。

（3）整车功率需求保持不变，动力电池SOC过低，小于其最低值。此时，燃料电池电压暂时降低以提高燃料电池功率，进而满足整车需求。

美国阿贡实验室[14]对2017款丰田Mirai燃料电池汽车进行了实车试验。研究了在长时间怠速运行工况下车辆速度、燃料电池功率、燃料电池电压、氢气泵功率、空压机功率随时间的变化。通过试验发现，当动力电池SOC下降至45.5%时，该车辆燃料电池开始启动，维持6～10 kW的功率输出，直至电池SOC充电至50%。之后，随着氢气流量的脉冲变化，电堆维持1～2 kW的功率输出。

此外，国内整车企业也对其所研发的燃料电池乘用车的能量分配进行了测评。郭温文[15]等对一款全功率燃料电池汽车在不同工况下的试验数据进行了分析，研究了该车辆的能量分配策略。测试结果表明，该款燃料电池汽车的电堆输出功率与加速踏板的开度整体呈线性关系，当动力电池SOC在54%～60%的范围时，电堆输出功率变小。相关的数据分析可以为燃料电池整车研发提供一定的依据。

5 测评指标

结合当前燃料电池整车厂商的测试需求以及现行标准的要求，本文对基于工况法下燃料电池汽车能量流的测试评价指标进行了提炼与分析。

（1）燃料电池电堆的电流与电压：这一指标直接反映了车辆燃料电池的技术水平，二者乘积即为燃料电池的功率，与时间积分可以得到测试过程中燃料电池的能量输出量；

（2）动力电池的电流和电压：考虑到现有燃料电池汽车的技术发展水平，整车的动力装置大部分为动力电池与燃料电池相结合的模式。因此，测试动力电池的电流电压，进而去分析动力电池的功率大小以及能量输出是十分必要的。此外，结合对燃料电池电堆的电流电压测试，分析两者功率的占比，可以很好地反映车辆在行驶过程中两种动力装置的功率分配情况，如图4所示，为某燃料电池汽车NEDC工况测试期间动力电池功率与燃料电池功率之比的变化情况；

图4 某燃料电池汽车NEDC工况测试期间动力电池功率与燃料电池功率之比曲线

（3）燃料电池汽车主要辅件（包括空压机、氢气循环泵、空调系统）以及电驱的电流电压：通过对这一部分电流电压的测试，可以对车辆的能量流分配进行更好地分析，得到车辆辅助部件的能量消耗情况，进而对车辆的能量利用率进行评价。

6 总结

本文对燃料电池汽车的驱动模式、能量管理策略、整车测试数据进行了分析研究，对燃料电池汽车能量流的测评指标进行解析，得到结论如下：

（1）结合燃料电池电动汽车的技术水平发展情况，现行车辆的驱动模式以“燃料电池+动力电池”为主要驱动模式；

（2）燃料电池汽车的能量管理策略主要分为基于规则的能量管理策略和基于优化的能量管理策略，两类策略在车辆控制策略中均进行了实际应用；

（3）在燃料电池汽车中，动力电池应该更多作为动力辅助的作用，以促进燃料电池技术的发展；

（4）基于工况法对燃料电池汽车能量流进行测评的主要指标有：燃料电池的电流电压、动力电池的电流电压、整车主要辅件以及电驱的电流电压。