燃料电池汽车动力系统匹配及能量管理

燃料电池汽车动力系统匹配及能量管理

刘自然

贵州梅岭电源有限公司   贵州省遵义市  563000

摘要：本文分析了重型卡车的动力系统结构，采用由燃料电池和动力电池组成的并联式结构。重型卡车的能量管理策略设计坚持大功率燃料电池保护优先的方法，结合开关/功率跟随式能量管理策略，通过城市UDC工况、六工况及等速40km/h等工况仿真验证经济性能。仿真结果显示，在优化后的能量管理策略下，燃料电池与动力电池的能量分配更为合理，有效提升了整车的经济性。

关键词：燃料电池，动力电池，重型卡车，能量管理策略，经济性

引言

随着能源危机和环境污染问题的日益严重，燃料电池汽车作为一种清洁、高效的交通工具受到了广泛关注。尤其在重型卡车领域，燃料电池系统凭借其高能量密度和环境友好性，被视为解决传统内燃机带来的环境问题和能源消耗的有效途径。本文主要针对大功率燃料电池重型卡车，分析其动力系统结构，设计能量管理策略，并通过仿真验证其经济性能，以期为燃料电池重型卡车的实际应用提供参考。

1动力系统结构分析

重卡的动力系统采用由燃料电池和动力电池组成的并联式结构。其中大功率型燃料电池是重卡的主动力源，能够满足重卡在平坦路面运输过程中的功率需求；动力电池是重卡的辅助动力源，在加速、爬坡等工况下提供辅助动力，以及在怠速、减速和制动工况下吸收燃料电池的功率和进行制动能量回收。

2燃料电池重卡能量管理策略设计原则

燃料电池重卡运行过程中，燃料电池与动力蓄电池之间的能量分配应满足以下原则：（1）为避免动力蓄电池过充过放，控制策略应可以调节动力蓄电池的荷电状态；（2）控制策略要满足燃料电池重卡的动力需求；（3）控制策略可以提高燃料电池重卡的经济性；（4）控制策略应保证燃料电池所处工况质量，以提高燃料电池的工作效率。

3燃料电池重卡动力系统能量管理策略

3.1控制目标分析

本文的研究对象为大功率型燃料电池重卡，其市场定位是大重载、固定线路和远距离的运输领域。此使用场景下的重卡载重量大、载荷波动范围大、路况复杂，使燃料电池易出现连续高负荷低效率运行、频繁快速变载等劣化工况，导致燃料电池的效率偏低，并严重影响其使用寿命。同时由于燃料电池相关技术壁垒较高，产品价格高昂，因此做好实际使用时燃料电池的保护工作会间接降低整车的使用成本，提升经济性。基于以上原因，在进行重卡能量管理策略设计时，应坚持大功率燃料电池保护优先的控制方法。该方法要求从重卡启动到停车，燃料电池在满足整车动力性需求的同时，应一直工作在高效率区间。在整个运行过程中应尽量避开或减少频繁启停、大幅变载等劣化工况的出现，这样可以同时提高动力系统效率和燃料电池使用寿命，使重卡的经济性得到大幅提升。

3.2开关/功率跟随式能量管理策略建立

能量管理策略是混合动力汽车的核心技术.其主要任务是根据车辆的动力需求、动力系统的运行状态以及不同动力源在工作效率、瞬态响应特性、负载能力等方面的差异协调不同动力源之间的动力分配。文中所研究的燃料电池增程式混合动力系统以动力蓄电池为主动力源，燃料电池为辅助动力源.对于这种动力系统的结构，如果单独使用开关式控制策略，可以将燃料电池设定在最大输出功率点或最高效率点工作.如果燃料电池持续工作在最大功率输出点，那么将会大幅度增加氢气消耗量，且会缩短燃料电池的寿命；如果燃料电池持续工作在最高效率点，那么燃料电池所提供的功率无法满足需求车辆在起步、加速和爬坡等需求功率较大的工况，这会使动力电池的放电深度增大，导致动力电池SOC值下降率较快且续驶里程缩短.对于增程式动力系统来说，功率跟随式控制策略适用于增程器的动态响应特性快且输出功率大的情况，而这恰恰是燃料电池系统所不具备的特点.对于燃料电池增程式混合动力系统而言，能量管理策略应该兼顾上述两种策略的特点，将二者的优势相结合，因此，文中提出开关/功率跟随式能量管理策略.该策略以动力电池组的SOC、当前车速和整车需求功率为输入量，根据车辆的运行模式和行驶工况确定燃料电池增程器的开闭状态和输出功率。

3.3燃料经济性

基于燃料电池重卡主要用于中低速工况行驶，结合实际，最终采用城市UDC工况、六工况、等速40km/h等速工况进行仿真计算该车型的经济性能。

根据氢耗量与电耗量之间的等效算法，氢燃料电池启动发电的过程中，通过化学反应将化学能转换成电能，通过所消耗氢气的质量与氢气的热值（1.4*108J/kg）乘积，可以计算得到燃料电池生产出的能量（kJ）。再由如下公式：

1kWh=1000W*3600s=3600000J=3.6*103kJ

可以计算出氢气反应能够产生的理论电能，根据测试该氢燃料电池的能量转化效率是60%，可以计算得出实际能够给汽车提供的电能。通过换算可以将实际的电耗值转换成为实际的氢耗值，各工况等效氢耗转换数据：

通过最终仿真结果数据对比可知，UDC工况下等效百公里氢耗量最大，基于燃料电池效率的模糊控制能量管理策略相较于传统功率跟随式能量控制策略的燃料经济性等效提升比达到8%。40km/h等速工况下，等效百公里氢耗量5.15kg氢气，等效氢耗量最小，主要由于该工况下需求功率变化平稳，与传统功率跟随能量管理策略相比，基于燃料电池效率的模糊控制能量管理策略对燃料经济性提升较小。在六工况下，该工况功率需求变化较为平缓，相较于传统能量管理控制策略，基于燃料电池效率的模糊控制策略的百公里氢耗提升较为明显，等效提升比达到了11%。通过对不同工况下的整车百公里氢耗分析，经优化后的基于燃料电池效率的模糊控制策略相比传统功率跟随策略，在不同工况下，整车的经济性均得到了有效提升，燃料电池与动力电池能量分配更为合理，使得燃料电池在高效区工作。具体对比如表1:

表1燃料经济性对比

3.4能量管理策略算法及流程

文中设置SOC值的下限为40%，当动力电池的SOC值低于40%时，燃料电池将工作在最大功率输出点；SOC值的上限设置为80%，当动力电池的SOC值大于80%且需求功率较低时，燃料电池以较低输出功率工作；如果在车辆运行过程中，动力电池的SOC值长时间高于80%且需求功率较低，则燃料电池增程器停止工作。假设重卡时速为50km/h，通过计算可得其最高需求功率不超过54kW。考虑驱动电机长时间所处的转速范围，在满足转矩需求的情况下，取需求功率的最小值为20kW和最大值为36kW作为需求功率的临界点，该临界功率点均处于驱动电机的高效区。定义燃料电池增程器的开闭状态为S，当车辆开始运行时，动力电池组SOC值较高，此时如果整车需求功率低于20kW，则燃料电池增程器不开启，即S=0.其余工况燃料电池增程器均为开启状态，即S=1。当燃料电池的工作状态确定后，再由车辆运行模式和行驶工况确定燃料电池系统的输出功率.燃料电池增程器经常需要在为车辆提供动力的同时为动力电池组充电，因此，使燃料电池长时间以高效率工作，减小功率波动成为能量管理策略的重点。

4结语

本文针对大功率燃料电池重型卡车，提出了一种基于开关/功率跟随式的能量管理策略。通过仿真分析表明，该策略在不同工况下均能有效提升整车经济性，使燃料电池和动力电池的能量分配更为合理，确保燃料电池在高效区工作，从而延长其使用寿命，降低整车的使用成本。未来的研究将进一步优化能量管理策略，以更好地适应复杂的实际工况，提升燃料电池重型卡车的整体性能。

参考文献

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