氢燃料电池电电混合汽车能量管理控制策略研究

张利新， 李双龙， 杨杰君

(长沙中车智驭新能源科技有限公司， 长沙 410000)

目前燃料电池客车采用的是电电混合的动力方案，燃料电池为主要动力源，动力电池为辅助动力源，动力电池用来补充整车在大负荷、大功率运行情况下消耗的电能，在车辆进行制动能量回收与低功率运行时，回收燃料电池剩余电量。合理的能量管理系统控制策略是提高整车动力性和燃料经济性的关键。因此，制定合理的能量控制策略具有重要意义。

1 能量管理系统控制策略

1.1 燃料电池客车动力系统结构

本文研究的燃料电池客车混合动力系统结构如图1所示。

图1 混合动力系统结构图

1.2 能量管理功率分配原则

大量研究数据及实车道路试验表明，车辆的运行工况、燃料电池频繁启停和变载，对燃料电池系统的可靠性与耐久性有重要影响。在能量管理控制策略的设计过程中，要尽量减少燃料电池系统频繁变载、过载、启停工况的时间或次数。

1) 根据动力电池SOC和整车实际需求功率，通过目标功率与SOC滞环控制策略，计算出当前SOC下燃料电池输出功率的初值，避免停车补电。

2) 通过动力电池SOC的变化幅度来修正燃料电池的目标功率值。

3) 始终限制燃料电池最大目标功率值，不允许超过动力电池当前允许的最大充电功率和燃料电池允许的最大输出功率两者中的最小值。

4) 当燃料电池处于峰值功率点工作状态时，为避免车辆在长下坡、紧急制动等极端工况下，制动能量回收的电流过大而导致动力电池输入过流问题，需限制电机的部分制动能量回收，使燃料电池系统的输出电流加上电机能量回收电流的总和不超过动力电池最大的允许输入电流，以降低安全风险，延长使用寿命。

1.3 能量管理滞环控制策略

当前氢燃料电池客车搭载的动力电池电量一般在50 kW·h左右，车辆在实际道路运行工况下，驱动电机、转向油泵、打气泵、空调等大功率用电设备的启停以及电机进行再生制动，都会导致动力电池实时放电量与制动能量回收电量的变化幅度较大，进而导致动力电池SOC频繁地波动。为了避免燃料电池的目标功率跟随动力电池SOC波动，而导致频繁进行功率变载降低燃料电池的发电效率与使用寿命，需要在动力电池进行放电和充电时，将设定燃料电池目标功率的动力电池SOC信号进行滞环处理：SOC上升与下降的滞环区间均设定为3%，如图2所示。由于动力电池SOC存在3%滞环区间，即使动力电池SOC值在短时间内上下波动，也不会造成燃料电池目标功率的波动。

图2 电池SOC滞环图

当动力电池SOC低于60%时，允许燃料电池启动，启动过程及待机所需功率由燃料电池自行设定，整车不进行干预。只有当燃料电池反馈处于完全启动并可自由调节功率状态时，才响应整车设定的目标功率，如图3所示。该图所示的目标功率值相差较大，燃料电池工作效率低。为了让燃料电池更多地工作在其高效区间内，按照图4所示，细分目标功率区间。当SOC低于45%时，目标功率达到燃料电池最大输出功率；当动力电池SOC值每上升或下降5%时，目标功率相应减小或增加5 kW；当SOC高于85%时，目标功率设定为0 kW，燃料电池开始关机。

图3 燃料电池目标功率设定图

图4 燃料电池细分目标功率图

1.4 MATLAB/Simulink 控制策略模型搭建

使用MATLAB/Simulink完成上述燃料电池系统能量管理控制策略中的动力电池SOC滞环区间与燃料电池目标功率区间设定的模型搭建，其架构如图5所示。

图5 控制策略模型架构图

2 实车道路测试分析

2.1 道路测试工况分析

将上述控制策略应用到公司某10 m燃料电池城市客车上，进行市区实际道路测试。燃料电池最大输出功率50 kW，额定发电功率30～45 kW；动力电池电量50 kW·h。图6为该车市区道路运营路线上的车速曲线图，主要车速区间为20～40 km/h，该过程包含了车辆匀速、加速、滑行、制动、停车等工况，属于中低速典型城市公交工况。

图6 运行车速曲线图

2.2 能量管理滞环控制数据分析

如图7所示，动力电池SOC在60%～85%区间内规律波动，该区间正好是燃料电池的启停工作区间。

图7 动力电池SOC变化图

1) 当SOC低于60%时，燃料电池开始启动发电，在实时满足整车运营所需功率消耗的同时，将剩余能量给动力电池充电，动力电池SOC缓慢上升。

2) 根据整车能量管理滞环控制策略，随着动力电池SOC的增大，燃料电池目标功率依次递减，直到SOC大于85%时，燃料电池目标功率变为零，进入关机流程。

3) 燃料电池系统关机后，整车运营所需能量全部由动力电池提供，动力电池SOC开始缓慢下降。直到电池SOC低于60%，燃料电池才再一次启动发电。根据动力电池SOC以及整车需求功率，燃料电池以此循环启停。

4) 在此中低速典型城市公交工况下，车辆无需进行充电，仅靠燃料电池发电即可满足整车运营能量需求。

2.3 动力电池充放电电流分析

图8为城市客车市区道路运营路线工况下的动力电池充放电电流曲线图。图中正电流为放电，负电流为充电，①、③区域为燃料电池系统停机时，动力电池小电流放电、瞬间大电流放电以及制动能量回收充电的过程，②区域为燃料电池系统工作时动力电池小电流稳定充电的过程。

图8 动力电池充放电电流

燃料电池工作时，其输出的电流已完全满足整车实际道路运营所需，并且将剩余电流(0～50 A)稳定地回充进动力电池，并维持动力电池 SOC 在合理的荷电状态区间内，避免过度放电和充电。

2.4 燃料电池系统功率区间

如图9所示，在典型城市公交工况下，燃料电池系统在各功率点可稳定工作，未出现异常功率波动；燃料电池在30～45 kW功率区间内可稳定变载工作。在各功率点的工作时间与当前工况下整车功率消耗有关。

图9 燃料电池输出功率

整车需求功率大时，燃料电池输出能量大部分被实时消耗掉，小部分能量被充进动力电池，使得动力电池SOC变化很小，导致目标功率未作调整，燃料电池在此功率点长时间稳定工作。

相反，整车需求功率小时，燃料电池输出的大部分能量被充进动力电池，使得动力电池SOC变化较大，而导致燃料电池目标功率较快向下调整，燃料电池在此功率点稳定工作时间较短。

2.5 燃料电池效率分析

如图10所示，燃料电池效率在40%～53%范围内，其中系统输出功率小于10 kW或者大于45 kW，系统效率较低。在典型城市公交工况下，燃料电池功率区间为30～45 kW，正处于燃料电池工作的高效区。

图10 燃料电池系统功率-效率图

3 结束语

本文研究的燃料电池能量管理系统控制策略，保障了城市客车在市区道路运营路线工况下的正常运营，避免了因电量低临时停车充电所造成的交通拥堵以及车辆刮擦、碰撞等交通事故，有利于氢燃料电池客车在城市道路交通领域更大规模的应用推广。