程嘯宇, 張炳力, 李傲伽, 方 濤, 王志偉

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院, 合肥 230009； 2.安徽安凱汽車股份有限公司, 合肥 230051)

氫燃料電池是一種無(wú)污染、高效的能源裝置，特別適用于城市客車，受到世界眾多國(guó)家、企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)的關(guān)注，是未來(lái)汽車發(fā)展的重要方向[1-2]。但是如只有燃料電池一個(gè)動(dòng)力源，會(huì)有成本高、動(dòng)態(tài)性能差和無(wú)法進(jìn)行制動(dòng)能量回收等缺點(diǎn)[3]。所以目前的主要技術(shù)路線是將燃料電池作為汽車的主要?jiǎng)恿υ碵4-5]，同時(shí)引入輔助能源(動(dòng)力蓄電池)進(jìn)行改善，構(gòu)建燃料電池混合動(dòng)力客車，實(shí)現(xiàn)多能源的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)[6]。然而兩種或兩種以上的能源共同為車輛提供動(dòng)力，必然會(huì)導(dǎo)致多能源的最優(yōu)匹配問(wèn)題[7]。因此，多能源混合動(dòng)力系統(tǒng)的能量管理策略是燃料電池混合動(dòng)力客車控制策略的核心。

1 燃料電池客車動(dòng)力系統(tǒng)建模

所研究的某款燃料電池混合動(dòng)力客車的動(dòng)力系統(tǒng)主要配置如圖1所示，包括燃料電池系統(tǒng)、動(dòng)力蓄電池組、DC-DC變換器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)和傳動(dòng)系統(tǒng)[8]。

圖1 燃料電池混合動(dòng)力客車動(dòng)力系統(tǒng)基本架構(gòu)

1.1 動(dòng)力系統(tǒng)仿真平臺(tái)

按照車輛基本參數(shù)，選用汽車專業(yè)仿真軟件AVL-Cruise建立燃料電池混合動(dòng)力客車的動(dòng)力系統(tǒng)模型，并應(yīng)用Matlab-Simulink對(duì)其控制策略進(jìn)行聯(lián)合仿真[9]。其仿真平臺(tái)如圖2所示，整車主要參數(shù)如下：電機(jī)額定功率、額定轉(zhuǎn)速、額定轉(zhuǎn)矩分別為60 kW、1 300 r/min、440 Nm；動(dòng)力蓄電池組額定電壓、額定放電容量分別為316.8 V、96 Ah；燃料電池堆峰值功率30.6 kW；整備質(zhì)量8 600 kg；車輛長(zhǎng)、寬、高分別為8 540 mm、2 350 mm、3 400 mm; 迎風(fēng)面積5.9 m2；風(fēng)阻系數(shù)0.6；DC-DC變換器正常輸入、輸出電壓范圍分別為90～180 V、250～420 V。

圖2 氫燃料電池混合動(dòng)力客車動(dòng)力系統(tǒng)仿真平臺(tái)

圖2中的聯(lián)合仿真模塊是整車動(dòng)力系統(tǒng)的核心，它包含了燃料電池電堆、單向DC-DC變換器以及能量管理策略；電氣終端作為燃料電池終端用以連接驅(qū)動(dòng)電機(jī)，并引入DC-DC的電流信號(hào)。

1.2 氫燃料電池堆和DC-DC變換器的建模

本文根據(jù)過(guò)往研究[10-11]在Matlab-Simulink中搭建燃料電池堆和DC-DC模型。其模型示意圖如圖3所示。

(a) 氫燃料電池堆封裝簡(jiǎn)化模型

(b) DC-DC仿真模型

2 基于邏輯控制的能量管理系統(tǒng)

2.1 能量管理策略

該燃料電池混合動(dòng)力客車主要有4種工作模式[12]：

1) 啟動(dòng)/加速/爬坡模式。動(dòng)力蓄電池組為主能量流，燃料電池工作在恒功率狀態(tài)。

2) 巡航模式。燃料電池為主能量流，動(dòng)力蓄電池組為輔助能量流。

3) 輕載運(yùn)行模式。燃料電池在向電機(jī)提供所需能量的同時(shí)向動(dòng)力蓄電池組充電。

4) 減速/制動(dòng)模式。動(dòng)力蓄電池組回收制動(dòng)能量。

按照工作模式的不同，燃料電池和動(dòng)力蓄電池組承擔(dān)負(fù)載的具體份額不同，其配比總原則：燃料電池處于最佳工作狀態(tài)，同時(shí)動(dòng)力蓄電池組的SOC在SOCmin以上；以分配給燃料電池的功率份額為約束條件，調(diào)節(jié)動(dòng)力蓄電池組的輸出功率；對(duì)動(dòng)力蓄電池組，當(dāng)其SOC≤SOCmin(30%)時(shí)，蓄電池必須充電；電池SOC在30%～80%時(shí)，視整車需求功率情況，可以充電也可以放電；當(dāng)電池SOC大于80%時(shí)不用充電。

當(dāng)整車需求功率大于氫燃料電池高效工作區(qū)域上限值，則氫燃料電池工作在高效區(qū)域上限值時(shí)，與蓄電池組(SOC>SOCmin)共同為整車供電；當(dāng)整車需求功率處于氫燃料電池高效工作區(qū)域內(nèi)時(shí)，動(dòng)力蓄電池組停止工作；當(dāng)整車需求功率小于氫燃料電池高效區(qū)域的下限值，則氫燃料電池工作在高效區(qū)域的下限值時(shí)，氫燃料電池輸出功率與整車需求功率的差值為動(dòng)力蓄電池組充電。本文設(shè)定氫燃料電池的高效工作區(qū)間功率為7～24 kW。

2.2 模糊控制算法

出于建模方便和實(shí)用性的考慮，使用模糊控制策略控制燃料電池工作在高效區(qū)域內(nèi)，允許燃料電池輸出功率在較小范圍內(nèi)波動(dòng)，避免頻繁啟動(dòng)，同時(shí)使動(dòng)力蓄電池組SOC盡量處于最佳狀態(tài)。

模糊邏輯推理系統(tǒng)示意圖如圖4所示，其輸入變量是電機(jī)需求功率與當(dāng)前氫燃料電池所能提供最優(yōu)功率的差值△P和動(dòng)力蓄電池組SOC。輸出變量是一個(gè)比例系數(shù)K，與設(shè)定的氫燃料電池最優(yōu)功率區(qū)間相乘的結(jié)果即是氫燃料電池輸出功率。蓄電池組的輸出功率為整車需求功率與氫燃料電池輸出功率的差值。

圖4 模糊邏輯推理系統(tǒng)示意圖

比例系數(shù)K的模糊規(guī)則見(jiàn)表1。ΔP模糊子集是{F, PH, BDX, BDD, BGX, BGD}，其中F表示正大；PH表示正大很??；BDX表示正較??；BDD表示正偏小；BGX表示正較大；BGD表示正很大。SOC模糊子集是{S, MS, MB, B}，其中S表示很??；MS表示較?。籑B表示較大；B表示很大。K模糊子集是{HX, X, ZX, ZD, D, HD}，其中HX表示很??；X表示較小；ZX表示中等偏小；ZD表示中等偏大；D表示較大；HD表示很大。隸屬度函數(shù)均采用梯形隸屬度函數(shù)。

表1 K模糊控制規(guī)則

2.3 EMS的Simulink模型與Cruise的通信

圖5 Cruise與Simulink的數(shù)據(jù)交換示意圖

Cruise中各模塊之間的信號(hào)傳遞通過(guò)Cruise中的數(shù)據(jù)總線Data-Bus實(shí)現(xiàn)。在Cruise環(huán)境下可以真實(shí)模擬實(shí)車車載網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)傳遞，仿真時(shí)不考慮信號(hào)傳遞中的干擾和損失。而Cruise和Simulink之間的信號(hào)傳遞則通過(guò)Cruise中的DLL動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)模塊實(shí)現(xiàn)。DLL模塊發(fā)揮兩個(gè)仿真環(huán)境之間的數(shù)據(jù)總線的作用，建立Cruise和Matlab-Simulink之間的信號(hào)通信，如圖5所示。

3 仿真結(jié)果及分析

本研究基于合肥市公交運(yùn)行狀況建立了特定的城市工況，其車速與時(shí)間的關(guān)系如圖6所示。為了驗(yàn)證模糊邏輯控制策略的能量控制管理，整車在此工況下運(yùn)行。

圖6 合肥市城市客車運(yùn)行工況路譜

目前燃料電池系統(tǒng)中較常規(guī)的控制策略為功率追隨策略[10]，旨在使用最小電量的前提下，使燃料電池的輸出功率盡可能跟隨負(fù)載的需求功率。本文對(duì)這種策略和本研究所提出的模糊控制策略進(jìn)行比較。

3.1 SOC初始為60%的仿真結(jié)果及分析

1) 由圖7(a)可以看出，模糊控制策略下燃料電池的輸出功率能夠滿足大部分比較平緩的功率需求，但無(wú)法跟隨某些瞬時(shí)大功率需求。此時(shí)動(dòng)力蓄電池快速響應(yīng)，與燃料電池系統(tǒng)共同配合，滿足負(fù)載需求功率。當(dāng)負(fù)載需求功率小于燃料電池的最小輸出功率時(shí)，如132～134 s、191～197 s等時(shí)段，為避免燃料電池工作在低效率區(qū)，燃料電池以高效工作區(qū)下限值運(yùn)行，讓動(dòng)力蓄電池回收剩余能量。在34～41 s、137～145 s等時(shí)段，負(fù)載需求功率較大，使燃料電池工作在高效工作區(qū)上限值，動(dòng)力蓄電池提供充分的輔助動(dòng)力，較好地滿足整車動(dòng)力性。在354～360 s、458～462 s等時(shí)段，整車需求功率在燃料電池高效工作區(qū)內(nèi)，此時(shí)動(dòng)力蓄電池不工作，燃料電池獨(dú)自工作。

2) 由圖7(a)和圖7(b)比較可以看出，本文提出的模糊控制策略可使燃料電池輸出功率持續(xù)穩(wěn)定在一個(gè)高效工作區(qū)間內(nèi)，進(jìn)行小范圍的波動(dòng)。同時(shí)避免燃料電池時(shí)常進(jìn)行峰值輸出和大量啟停，而讓動(dòng)力蓄電池承擔(dān)大部分的波動(dòng)，從而使燃料電池有良好的輸出特性，并提高燃料電池的使用壽命。

3) 從圖7(c)可以看出，本文提出的模糊控制策略可以很好地讓動(dòng)力蓄電池組回收制動(dòng)能量，使蓄電池組SOC維持在一個(gè)合理的狀態(tài)。

(a) 模糊控制策略下功率曲線

(b) 功率跟隨策略下功率曲線

(c) 兩種策略下SOC變化曲線

3.2 SOC初始為90%的仿真結(jié)果及分析

1) 當(dāng)SOC初始值為90%時(shí)，SOC大于一般上限80%。由圖8(a)可以看出，模糊控制策略下燃料電池先不工作，由動(dòng)力蓄電池組單獨(dú)提供整車需求功率，使其能量快速消耗。當(dāng)SOC低于80%時(shí)，若整車需求功率較小，則燃料電池工作在所對(duì)應(yīng)的最優(yōu)功率值，由燃料電池提供整車需求功率，同時(shí)為動(dòng)力蓄電池組充電；若整車需求功率較大，則由燃料電池和動(dòng)力蓄電池組共同為整車提供能量。

2) 從圖8(b)可以看出，當(dāng)SOC值大于80%時(shí)，模糊控制下的SOC值在初始階段有上下波動(dòng)，但總體變化逐步接近SOC的目標(biāo)區(qū)域。也就是說(shuō)，當(dāng)電池的初始SOC較大時(shí)，所提出的模糊邏輯控制策略可以提高蓄電池的功率比重，使電池的SOC降低幅度明顯高于功率跟隨。

(a) 模糊控制策略下功率曲線

(b) 兩種策略的SOC變化曲線

4 結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合AVL-Cruise和Matlab-Simulink的各自功能，利用Cruise軟件和Simulink軟件之間的接口，實(shí)現(xiàn)了某氫燃料電池混合動(dòng)力客車的模糊控制能量管理策略的聯(lián)合仿真分析。仿真分析表明，本文設(shè)計(jì)的模糊控制能量管理策略實(shí)現(xiàn)了對(duì)燃料電池和蓄電池的良好管理控制，是可行的。