江 玥，李 濤，張 哲,3，劉雨暉，陳申龍，張志猛

(1.武漢理工大學 現(xiàn)代汽車零部件技術湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430070；2.武漢理工大學 汽車零部件技術湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 武漢 430070；3.東風日產(chǎn)乘用車公司 技術中心，廣東 廣州 510800)

為了解決不可再生資源短缺以及日益嚴重的環(huán)境污染問題，尋找清潔能源替代現(xiàn)有能源是未來發(fā)展的大趨勢[1]。中國、美國、歐盟、德國、日本都出臺了相關政策大力推進新能源汽車的研發(fā)[2-5]。用單一的燃料電池作為汽車動力源有著明顯的缺陷，燃料電池只適用于穩(wěn)態(tài)負載，當負載變化過快時，燃料電池無法及時響應。為了解決這個問題，燃料電池汽車的動力源采用混合動力的形式，如“燃料電池+蓄電池”、“燃料電池+超級電容”等，蓄電池和超級電容能適應車輛需求功率的頻繁變動[6]，響應速度快，能彌補單一燃料電池作為汽車動力源的缺陷。

1 燃料電池汽車動力系統(tǒng)

1.1 燃料電池汽車動力系統(tǒng)組成

燃料電池動力系統(tǒng)主要由驅動電機、DC/DC變換器、輔助能源、變速器、燃料電池及其管理系統(tǒng)等組成?；旌蟿恿υ吹男问街饕小叭剂想姵?蓄電池”、“燃料電池+超級電容”、“燃料電池+蓄電池+超級電容”3種。超級電容充電快，能夠大電流放電，但其存儲的能量有限，只可以提供大約1 min的峰值功率[7]。因此筆者不采用超級電容作為燃料電池客車的輔助能源。而采用“燃料電池+蓄電池”的混合動力形式。

燃料電池側DC/DC變換器結構如圖1所示，燃料電池的輸出經(jīng)單向DC/DC變換器后與蓄電池的輸出并聯(lián)為負載供電。因此可通過控制DC/DC變換器的輸出功率直接調節(jié)燃料電池的輸出，實現(xiàn)能量管理，可對燃料電池進行有效的保護。該方案混合電源的體積和質量比蓄電池側DC/DC變換器小，電壓波動更小。

圖1 燃料電池側DC/DC變換器結構

1.2 燃料電池和蓄電池特性

燃料電池能量轉化時直接將化學能轉化為電能，理論上可以達到很高的效率，實際上效率能達到50%～70%，是傳統(tǒng)熱機的2～3倍[8]。

理論上燃料電池效率為：

(1)

式中：PS為燃料電池輸出功率；Fin為對應PS的理論耗氫量；qH2為理論耗氫量；HV為常數(shù)。

推導得單電池的理論效率為：

η=V/1.229

(2)

式中,V為單體電池電壓。

在實際工作過程中電堆的工作效率為：

(3)

式中:LHV為氫氣低熱值，其值為1.2×105kJ/kg；Hf為耗氫量。

圖2為燃料電池的輸出功率-效率曲線圖，主要分為低效率工作區(qū)、高效工作區(qū)、大功率工作區(qū)、超負荷工作區(qū)。改進的模糊控制策略根據(jù)蓄電池SOC(state of charge)值設置了燃料電池最低輸出功率，以提高整個燃料電池客車行程中燃料電池的功率輸出占比。

圖2 燃料電池效率曲線圖

蓄電池可以適應頻繁變載、快速的充放電，能夠彌補燃料電池作為燃料電池客車單元能量源的不足之處。在蓄電池工作過程中，要避免過充過放，保護蓄電池的安全。

某鋰離子電池在不同溫度下(0℃、10℃、25℃、40℃)C/3倍率的放電曲線如圖3所示。

圖3 C/3倍率下某鋰離子電池放電曲線

從圖3可知，不同溫度下鋰離子電池放電趨勢基本保持一致，當SOC<0.2時,輸出電壓會很快達到截止電壓，當0.2

2 燃料電池汽車動力系統(tǒng)部件參數(shù)匹配

根據(jù)燃料電池客車特定工況下能量和動力性的需求，確定驅動電機、蓄電池、燃料電池、DC/DC變換器的相關參數(shù)和型號。

2.1 整車參數(shù)及動力性能要求

根據(jù)市面上的車型相關數(shù)據(jù)和實驗室前期開發(fā)的燃料電池客車的相關性能指標以及相關國標，選取的整車尺寸與質量參數(shù)如表1所示。

表1 整車尺寸與質量參數(shù)

判斷燃料電池客車是否能達到CCBC工況要求的重要指標為汽車能否達到工況要求最高車速及能否完成工況要求的加速過程。目標車輛的整車動力經(jīng)濟性目標參數(shù)如表2所示。

表2 整車動力性經(jīng)濟性目標參數(shù)

2.2 驅動橋速比確定

驅動橋的設計需滿足：選擇合適的驅動橋速比，保證最大爬坡度達到18%以上以及0～30 km/h的加速時間小于9 s。根據(jù)提出的要求，現(xiàn)有速比為6.143和7.400兩種速比驅動橋可供選擇。

根據(jù)已選電機參數(shù)，通過MATLAB/Simulink對整車加速性能進行校核。

整車滿載(16 500 kg)、驅動橋速比分別為6.143和7.4時，0～30 km/h和0～50 km/h加速性能仿真結果如表3所示。

表3 整車滿載加速性能仿真結果

燃料電池客車滿載時驅動橋速比分別為6.143和7.400時從0加速到50 km/h的速度-時間曲線分別如圖4和圖5所示。

圖4 驅動橋速比為6.143時的加速曲線圖

圖5 驅動橋速比為7.400時的加速曲線圖

從圖4和圖5可知，傳動比為6.143、7.400時，都能滿足0～30 km/h加速時間小于9 s的要求。在ADVISOR仿真中將給出爬坡度仿真結果。

現(xiàn)對最高車速進行校核，最高車速與電機轉速之間滿足式(4)。

(4)

式中：n為驅動電機轉速；i0為驅動橋速比，取6.143和7.400；umax為最高車速，取69 km/h；r為車輪滾動半徑，取0.467 m。

當驅動橋速比為6.143，最高車速對應電機轉速為2 407.53 r/min；驅動橋速比為7.400，最高車速對應電機轉速為2 900.16 r/min。根據(jù)設計要求，驅動電機最高轉速應該達到2 600 r/min。因此驅動橋速比7.400不能滿足最高車速要求。經(jīng)對采用驅動橋速比6.143時的整車最大爬坡度和加速性能校核，驅動橋速比6.143能夠滿足動力性要求。

3 模糊控制器設計與仿真

燃料電池客車在正常行駛過程中，燃料電池為主要動力來源，蓄電池起到輔助供能的作用。因此燃料電池模糊控制策略的制定主要從以下三方面考慮：①減小燃料電池輸出功率的波動幅度和燃料電池發(fā)動機的啟停次數(shù)，以延緩燃料電池壽命的衰減；②為保證鋰離子電池的安全工作，防止其過充過放，且制動時鋰離子電池能夠回收制動能量，保證電池SOC值在一個合適的區(qū)間內(nèi)；③盡可能提高燃料電池和鋰電池的工作效率。

3.1 模糊控制器的設計

模糊控制器一共由4部分組成，分別是輸入量模糊化、規(guī)則庫的制定、模糊推理及接口清晰化。筆者基于ADVISOR進行二次開發(fā)，采用了ASVISOR頂層模塊中燃料電池控制策略中的輸入及輸出。其中輸入為鋰離子電池的SOC值及總線需求功率Pb，輸出為燃料電池輸出功率Pf。模糊控制器機理如圖6所示。

圖6 模糊控制器機理圖

(1)輸入量的模糊化。將真實世界中的數(shù)值轉化為模糊集的形式輸入模糊控制器，然后經(jīng)模糊規(guī)則的約束轉化為所需要的模糊集，再將這個模糊集清晰化，變成真實世界的數(shù)。這就是整個模糊推理的過程[9]。

在模糊工具箱中，有Mamdani型模糊推理系統(tǒng)和Sugeno型模糊推理系統(tǒng)，Mamdani型模糊推理方法是最見的，運用學習比較簡單，Sugeno型模糊推理的隸屬度函數(shù)只能是線性的或者是常量，故采用Mamdani型模糊推理的方式。如圖7所示，整個模糊控制器采用的雙輸入，單輸出的模式。兩個輸入分別是鋰電池的SOC值，總線需求功率Pb，輸出是燃料電池輸出功率Pf。

圖7 模糊推理方法

筆者研究的燃料電池客車采用鋰電池高效工作區(qū)間的SOC在[0.3，0.9]，在工況一定的情況下，總線需求功率的曲線是不變的。

(2)模糊規(guī)則確定。模糊規(guī)則就是if-then規(guī)則又稱模糊隱含或模糊條件語句。If-then規(guī)則語句模式如下：

IfxisAthenyisB.

其中，A是模糊規(guī)則輸入，可以是一個或者是多個。B是模糊規(guī)則的輸出，也可以是一個或多個[10]。根據(jù)以往的仿真實驗可知：

①鋰電池SOC值低時，總線需求功率Pb高時，燃料電池輸出功率Pf高。

②鋰電池SOC值高時，總線需求功率Pb低時，燃料電池輸出功率Pf低。

給定蓄電池SOC值，總線需求功率Pb，則能觸發(fā)對應的規(guī)則，得到的功率分配如圖8所示。

圖8 模糊控制下燃料電池輸出功率圖

3.2 傳統(tǒng)模糊控制策略Simulink建模與仿真

燃料電池混合動力城市客車的整車動力系統(tǒng)參數(shù)如表4所示。將相關的部件數(shù)據(jù)輸入到對應部件的M文件中，接著將修改后的M文件導出，然后在功率跟隨策略下進行仿真。再將傳統(tǒng)模糊控制策略導入到ADVISOR頂層模塊中進行仿真。

表4 整車動力系統(tǒng)關鍵部件參數(shù)

燃料電池客車在CCBC道路工況下傳統(tǒng)模糊控制策略的仿真結果如圖9所示。其中圖9(a)為燃料電池客車在CCBC道路工況下的速度跟隨情況，可以看出在模糊控制策略下燃料電池客車在CCBC道路工況下行駛狀況良好，動力性能夠達到CCBC道路工況的要求；圖9(b)為在燃料電池客車在整個行駛過程中鋰離子電池SOC值變化情況，其變化趨勢慢慢下降，但SOC波動范圍在[0.6，0.8]之間，保證了鋰離子充放電安全性及高效性；圖9(c)為燃料電池客車在整個行駛過程中燃料電池實際輸出功率變化情況，波動范圍大致在[5 kW，28 kW]區(qū)間內(nèi)，波動幅度偏大；圖9(d)為整個CCBC道路工況中電機需求功率的變化，即總線需求功率的變化?？傮w上該傳統(tǒng)模糊控制策略基本能夠滿足燃料電池客車在CCBC工況下的動力性和經(jīng)濟性要求。

圖9 傳統(tǒng)模糊控制策略下的仿真結果

3.3 傳統(tǒng)模糊控制器改進

總線需求功率在[-100 kW，0]范圍內(nèi)時，燃料電池客車處于制動能量再生的模式，此時電機制動的能量用于向鋰電池充電。當需求功率在[0，120 kW]范圍內(nèi)時，燃料電池處于單獨供電或者與鋰離子電池一起供電的模式。

模糊語言變量的定量描述是由它的隸屬度函數(shù)確定，隸屬度函數(shù)有離散的也有連續(xù)的，其中連續(xù)隸屬度函數(shù)較為常用，連續(xù)隸屬度函數(shù)有三角形、梯形和高斯型等?？偩€需求功率Pb在[0，120 kW]范圍內(nèi)的隸屬度函數(shù)采用高斯型隸屬度分布函數(shù)，如圖10所示；總線需求功率Pb在[-100 kW，0]范圍內(nèi)的隸屬度函數(shù)采用梯形函數(shù)隸屬度分布函數(shù)，如圖11所示。

該分段模糊控制策略主要分為兩個模塊。第一個模塊包含驅動工況Pb信號分離模塊，將Pb信號分為[-100 kW，0]、[0，120 kW]兩段，然后將制動工況、驅動工況下分別進行了模糊控制，最后將驅動和制動工況下的燃料電池輸出功率合理匹配，如圖12所示。

圖10 非制動工況總線需求功率隸屬度函數(shù)

圖11 制動工況總線需求功率隸屬度函數(shù)

圖12 分段模糊控制策略Simulink模型圖

燃料電池效率隨著增益系數(shù)K1的減小呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。當K1增大到0.5時，燃料電池效率達到最大，因此選定增益系數(shù)K1和K2都為0.5，此時燃料電池效率為0.59(最大效率為0.6)，鋰離子電池效率為0.95。

3.4 仿真結果對比

燃料電池客車在CCBC工況下分段模糊控制策略的仿真結果如圖13所示。其中從圖13(a)可以看出在模糊控制策略下，燃料電池客車在CCBC工況下行駛狀況良好，實際行駛車速曲線與工況車速曲線基本一致，動力性能夠達到CCBC工況的要求；圖13(b)為在燃料電池客車鋰離子電池SOC值變化趨勢慢慢下降，但SOC波動范圍還在[0.6，0.8]之間，保證了鋰離子充放電安全性及高效性；圖13(c)為燃料電池客車燃料電池實際輸出功率變化情況，波動幅度在[14 kW，25 kW]之間；圖13(d)為整個CCBC道路工況中電機需求功率的變化，即是總線需求功率的變化。

圖13 分段模糊控制策略下燃料電池客車仿真結果

(1)傳統(tǒng)模糊控制策略和分段模糊控制策略下鋰離子電池SOC值比較。傳統(tǒng)模糊控制策略和分段模糊控制策略下鋰離子電池SOC值變化對比如圖14所示。

圖14 電池SOC值變化對比圖

從燃料電池提供給整車的功率占整車消耗功率比考慮，分段模糊控制策略更符合燃料電池客車控制策略設計要求。

(2)燃料電池效率和鋰離子電池效率比較。分段模糊控制策略下燃料電池效率為0.59，鋰離子電池效率為0.95，鋰離子電池釋放了17 767 kJ能量。

分段模糊控制策略對比傳統(tǒng)模糊控制策略，燃料電池輸出功率占比提高了20.7%，燃料電池效率提高了4%。

(3)燃料電池輸出功率波動幅度。從圖15知分段模糊控制策略下燃料電池輸出功率波動幅度明顯小于傳統(tǒng)模糊控制下燃料電池輸出功率波動幅度。

圖15 不同控制策略下燃料電池輸出功率比較圖

分段模糊控制策略與傳統(tǒng)模糊控制策略的仿真結果如表5所示，其分段模糊控制策略優(yōu)勢如下：①燃料電池效率從55%提高到59%；②燃料電池輸出功率占燃料電池客車總線需求功率比值提高了20.7%；③分段模糊控制策略下燃料電池輸出功率波動幅度小，有效減緩了燃料電池壽命的衰減。

表5 分段模糊控制策略和傳統(tǒng)模糊控制策略仿真結果對比

4 結論

根據(jù)燃料電池動力性和經(jīng)濟性要求，對燃料電池客車的關鍵動力部件燃料電池、鋰離子電池、驅動電機進行了參數(shù)匹配，確定了驅動橋的傳動比。使用ADVISOR對燃料電池客車在傳統(tǒng)模糊控制策略和分段模糊控制策略下進行仿真。仿真結果表明分段模糊控制策略將燃料電池效率提高了4%，同時降低了燃料電池輸出功率波動幅度。