（西華大學汽車與交通學院汽車測控與安全四川省重點實驗室，四川 成都 610039）

隨著環(huán)境和能源問題的日益突出，新能源汽車成為了世界各大汽車廠商及研發(fā)機構的研究熱點，而燃料電池電動汽車具備高效率和近零排放的優(yōu)點，被普遍認為具有廣闊的發(fā)展前景[1－2]。本文主要針對國內(nèi)外燃料電池汽車動力系統(tǒng)應用現(xiàn)狀、結(jié)構特性、能量管理策略等方面進行分析，以全面了解當前燃料電池汽車的動力系統(tǒng)能量管理策略。

1 燃料電池汽車動力系統(tǒng)應用

近年來，中國的燃料電池電動汽車技術研發(fā)取得重大進展，初步掌握了整車、動力系統(tǒng)與核心部件的核心技術，基本建立了具有自主知識產(chǎn)權的燃料電池乘用車、燃料電池客車及燃料電池物流車動力系統(tǒng)技術平臺。

1.1 燃料電池乘用車

當前國內(nèi)外主要汽車廠商如豐田、本田、現(xiàn)代、上汽等都已經(jīng)開發(fā)出燃料電池乘用車并已上路運行，普遍狀況良好。其中國內(nèi)外主要燃料電池乘用車參數(shù)和性能如表1 所示。就燃料電池乘用車而言，燃料電池系統(tǒng)功率密度與早期相比有很大程度的提升，整車性能成熟度基本達到產(chǎn)業(yè)化水平，已經(jīng)可以與傳統(tǒng)的內(nèi)燃機相媲美。目前國外主要采用70 MPa 的儲氫系統(tǒng)，而國內(nèi)基本上采用的是35 MPa 的儲氫系統(tǒng)，所以一次性加注的續(xù)航里程比國外要短。從動力系統(tǒng)的基本配置來看，最大的差別在于燃料電池系統(tǒng)的功率輸出大小，國外乘用車燃料電池系統(tǒng)的輸出功率在100 kW～120 kW，韓國現(xiàn)代NEXO 的燃料電池系統(tǒng)功率可達120 kW，國內(nèi)乘用車的燃料電池系統(tǒng)功率僅為35 kW～50 kW[3－4]。整體來說，我國已經(jīng)初步掌握了燃料電池電堆及其關鍵材料、動力系統(tǒng)、整車集成和氫能基礎設施的核心技術，但是燃料電池系統(tǒng)功率范圍、冷啟動性能、耐久性等關鍵技術與國外還有較大差距，目前我國燃料電池乘用車主要應用于汽車租賃行業(yè)。

1.2 燃料電池客車

國外燃料電池客車在動力性和穩(wěn)定性上已經(jīng)滿足示范運行要求，同時可靠性也得到了驗證。美國、歐盟、日本、韓國示范運行的燃料電池公交車動力系統(tǒng)參數(shù)如表2 所示。美國在2006 年就啟動了國家燃料電池公共汽車計劃，截至2019 年5 月，美國道路上共有6547 輛燃料電池汽車，而加州運營中的燃料電池公交車有30 輛[9]。2011 年底歐盟正式啟動歐洲城市清潔氫能項目，該項目在歐洲許多城市以及加拿大一個地區(qū)設立了燃料電池公交車車隊及加氫站，共示范54 輛燃料電池公交車，證明了燃料電池公交車可為促進城市交通低碳化、提高城市空氣質(zhì)量，提供切實可行的解決方案[10]。日本豐田在2017 年宣布推出燃料電池概念巴士，預計將于2020 年東京奧運會和殘奧會前投入100 余輛示范運營[11]。韓國現(xiàn)代汽車也助力政府生產(chǎn)燃料電池大巴車，2019 年向韓國六個主要城市投放30 輛氫燃料電池公共汽車[12]。

表1 國內(nèi)外燃料電池乘用車主要參數(shù)和性能[5－8]

表2 國外燃料電池公交車動力系統(tǒng)分析[13－16]

當前國內(nèi)自主研發(fā)的燃料電池客車已陸續(xù)進入示范運行當中，宇通客車、中通客車、福田汽車等40 多家企業(yè)均在推進燃料電池客車的商業(yè)化運行。截止目前我國已有鄭州、張家口、大同、上海、武漢、佛山、云浮、北京、如皋、鹽城、張家港、撫順、成都、聊城等城市開通了氫燃料公交線路，未來將有更多城市開通。中國燃料電池公交車開通城市及動力系統(tǒng)主要參數(shù)如表3 所示。根據(jù)新能源汽車國家監(jiān)管平臺數(shù)據(jù)統(tǒng)計，截至2019 年12 月31，全國共有1 462 輛燃料電池客車示范運行，占全國氫燃料電池汽車的39.4%[1]。

表3 中國燃料電池公交車動力系統(tǒng)分析[1]

隨著燃料電池客車動力系統(tǒng)和整車集成技術的突破，氫燃料電池客車在系統(tǒng)使用壽命、環(huán)境適應性、續(xù)駛里程等方面均得到進一步提升。如宇通燃料電池客車置于零下30 ℃高寒環(huán)境艙20 小時后，可實現(xiàn)15 分鐘內(nèi)成功啟動，多次啟動后燃料電池系統(tǒng)性能無衰減，車載氫系統(tǒng)安全無泄漏[16]。中通燃料電池客車可實現(xiàn)零下30 ℃環(huán)境下的正常運行，車輛加氫時間小于15 分鐘，續(xù)駛里程達500 km 以上[17]。

1.3 燃料電池物流車

經(jīng)濟發(fā)展和城市化進程加快，對貨物運輸車輛的節(jié)能減排性能提出了更高的要求：一是從高污染、高排放車輛向低污染、低排放清潔運輸車輛發(fā)展；二是從高燃耗、低效率車輛向低燃耗、高效率運輸車輛發(fā)展。在近年的國際商用車展上，豐田、戴姆勒、現(xiàn)代、康明斯等都展出了自己的燃料電池卡車，其中以中重型卡車為主[18－19]。國內(nèi)外車企推出的燃料電池物流車性能和動力系統(tǒng)主要參數(shù)如表4 所示。

從上述國內(nèi)外燃料電池汽車發(fā)展現(xiàn)狀來看，我國對燃料電池電動汽車的研究主要集中在客車和物流等商用車，對乘用車的研究以及產(chǎn)業(yè)化的推進相對較少；而日韓主要是先發(fā)展燃料電池乘用車，并且目前技術已經(jīng)比較成熟，對商用車涉及較少。當前各國政府和企業(yè)都在積極推進燃料電池電動汽車的發(fā)展，未來也將會有更多的燃料電池電動汽車出現(xiàn)。

表4 國內(nèi)外主要燃料電池物流車參數(shù)[18－22]

2 燃料電池汽車動力系統(tǒng)結(jié)構

燃料電池系統(tǒng)技術的提高對于改善燃料電池汽車的經(jīng)濟性和穩(wěn)定性有很大作用。從美國、歐洲和日本等發(fā)達國家和地區(qū)的燃料電池汽車發(fā)展現(xiàn)狀看，全球主要汽車公司都已經(jīng)完成了燃料電池電動汽車的基本性能研發(fā)，解決了電堆技術、整車性能等核心技術問題[23]。隨著這些發(fā)達國家的燃料電池汽車技術趨于成熟，大多數(shù)企業(yè)的燃料電池系統(tǒng)功率已超過100 kW。如康明斯配套韓國現(xiàn)代公司的燃料電池重卡的燃料電池功率已達到180 kW[19]。國內(nèi)的燃料電池功率也在不斷提高，2019 年億華通研發(fā)的大功率氫燃料電池系統(tǒng)額定功率已超過100 kW，主要應用于公路客車、重卡等大功率作業(yè)車型[24]。根據(jù)《新能源汽車推廣應用推薦車型目錄（2019 年第11 批）》，燃料電池系統(tǒng)的額定功率平均值已達到52 kW[25]。近年來，國內(nèi)的許多企業(yè)在燃料電池系統(tǒng)技術方面已經(jīng)有了極大的提高。

然而，單一的燃料電池系統(tǒng)還不能滿足車輛功率需求的急劇變化，功率波動可能損壞燃料電池堆并縮短燃料電池的循環(huán)壽命。因此，燃料電池系統(tǒng)總是與其他儲能設備（如動力電池和超級電容）結(jié)合使用，以提高燃料電池汽車動力系統(tǒng)的功率密度并滿足負載功率需求。當前主流的燃料電池汽車動力系統(tǒng)結(jié)構為燃料電池+動力電池（FC+B），少數(shù)燃料電池汽車采用燃料電池+超級電容（FC+S）或者燃料電池+動力電池+超級電容（FC+B+S）的結(jié)構[26]。雖然FC+B+S 結(jié)構在續(xù)航里程及動力特性上最佳，但復雜的結(jié)構增加了控制的要求。FC+S結(jié)構雖然能協(xié)助燃料電池快速達到工作溫度，但在實際使用中仍未達到預期效果。而FC+B 結(jié)構在滿足混合動力系統(tǒng)基本功能的同時，以更佳的穩(wěn)定性被廣泛應用在實際的燃料電池電動汽車上。三種典型的燃料電池汽車動力系統(tǒng)結(jié)構特點及應用車型如表5 所示。

表5 燃料電池汽車動力系統(tǒng)結(jié)構特點及代表車型[26]

3 動力系統(tǒng)能量管理策略研究

整車能量管理策略是提高燃料電池汽車動力性和經(jīng)濟性，以及降低排放的關鍵。目前，國內(nèi)外關于燃料電池汽車動力系統(tǒng)能量管理策略的研究有很多，主要分為基于規(guī)則的方法和基于優(yōu)化的方法。本節(jié)將對當前燃料電池汽車動力系統(tǒng)能量管理策略的研究進行概述分析。

3.1 基于規(guī)則的控制策略

目前規(guī)則型能量管理策略主要分為恒溫器控制、功率跟隨控制、功率平衡控制、狀態(tài)機控制、常規(guī)模糊規(guī)則控制、自適應模糊規(guī)則控制等。文獻[27]針對配置燃料電池/動力電池的燃料電池汽車，基于規(guī)則的“恒溫器”能量管理策略，提出了基于極小值原理的“恒溫器”能量管理策略，通過調(diào)節(jié)協(xié)態(tài)變量維持動力電池SOC，從而顯著提高整車經(jīng)濟性。文獻[28]針對燃料電池增程式商用車，通過比較和分析開關控制策略、功率跟隨控制策略和模糊邏輯控制策略的特點，建立了功率跟隨模糊能量控制策略，提高了動力系統(tǒng)的效率及功率性能。文獻[29]提出一種基于卡爾曼觀測器的燃料電池混合動力系統(tǒng)功率平衡控制策略，實現(xiàn)了燃料電池混合動力系統(tǒng)控制規(guī)律的解析設計，離線仿真和實車轉(zhuǎn)鼓驗證實驗表明所設計的控制方法能夠較好地達到既定的控制目標，并且能夠考慮動力系統(tǒng)的動力性和經(jīng)濟性設計要求。文獻[30]針對配置燃料電池/動力電池和配置燃料電池/動力電池/超級電容器的動力系統(tǒng)提出了一種基于有限狀態(tài)機的管理策略，通過實驗和仿真證明該策略能夠滿足大多數(shù)行駛工況的功率需求。文獻[31]針對使用具有超級電容器組的直接并聯(lián)結(jié)構的燃料電池-LiFePO4 電池混合動力總成，提出了基于模糊控制的能量管理，通過硬件在環(huán)驗證了能量管理策略的有效性。文獻[32]建立了燃料電池客車模糊控制能量管理策略，研究表明該策略在車輛經(jīng)濟性和燃料電池耐久性方面均優(yōu)于功率跟隨式能量管理策略。文獻[33]針對配置燃料電池系統(tǒng)和鋰離子電池燃料電池汽車，設計了帶有模糊邏輯參數(shù)調(diào)整的自適應控制方法，該方法可適應不同的駕駛條件。文獻[34]提出了一種燃料電池汽車功率實時自適應控制策略，運用模糊控制進行優(yōu)化，對控制器增益進行模糊化輸出，有效跟蹤負載并回收制動能量，從而實現(xiàn)燃料電池動力系統(tǒng)功率的合理分配，提高能量利用率?；谀：囊?guī)則能量管理策略相比于其他規(guī)則策略具有更好的魯棒性、適應性和可調(diào)性。

總的來說，基于規(guī)則的能量管理算法技術難度低、在線計算量小，實車在線應用廣泛，但是很難取得接近最優(yōu)的控制效果。

3.2 基于優(yōu)化的控制策略

對燃料電池汽車的能量管理策略而言，如果是單純的功率分配，那么規(guī)則型的控制策略已經(jīng)可以較好地完成任務。但是當考慮了氫燃料消耗、成本、排放以及動力系統(tǒng)的壽命，就需要采用優(yōu)化控制的方法來研究燃料電池汽車的能量管理策略。當前應用的優(yōu)化型控制策略主要分為線性規(guī)劃、動態(tài)規(guī)劃、隨機動態(tài)規(guī)劃、凸優(yōu)化、龐特里亞金最小值原理及模型預測控制等。

文獻[35]在考慮系統(tǒng)部件的生命周期成本（耗氫量和操作成本）的基礎上，采用線性規(guī)劃算法對燃料電池汽車的能量管理策略進行了離線優(yōu)化，并使用PID 控制進行在線控制。文獻[36]提出了一種基于動態(tài)規(guī)劃最優(yōu)結(jié)果的實時和多目標控制的燃料電池汽車運行控制策略，實驗結(jié)果表明該策略可獲得良好的燃料經(jīng)濟性和系統(tǒng)耐久性。文獻[37]針對動態(tài)規(guī)劃算法在燃料電池汽車能量管理控制存在的蓄電池荷電狀態(tài)誤差累積的問題，提出一種誤差累積解決方法，獲得最優(yōu)決策。文獻[38]提出了一種快速統(tǒng)一的方法來求解燃料電池電動汽車動態(tài)規(guī)劃能量管理的最優(yōu)問題，該方法在計算時間和計算精度上均優(yōu)于基本動態(tài)規(guī)劃和水平集動態(tài)規(guī)劃。動態(tài)規(guī)劃方法可獲得全局最優(yōu)的控制效果，廣泛應用于能量管理策略的靜態(tài)分析，但是其必須在車輛狀態(tài)和行駛工況完全已知的情況下才能準確求解全局最優(yōu)的控制決策，且優(yōu)化結(jié)果和計算速度對控制變量和狀態(tài)變量離散化網(wǎng)格極其敏感。

在保證動力性的前提下，文獻[39]以燃料消耗最少和延長超級電容的使用壽命為優(yōu)化目標，基于馬爾可夫決策理論提出了燃料電池城市客車隨機動態(tài)規(guī)劃能量管理策略。文獻[40]在同時考慮燃料電池汽車氫消耗率和燃料電池壽命的基礎上，提出了一種基于隨機動態(tài)規(guī)劃優(yōu)化控制器的能量管理策略。文獻[41]基于凸優(yōu)化方法，同時優(yōu)化了燃料電池客車的動力系統(tǒng)參數(shù)和能量管理策略。凸優(yōu)化方法可以獲得與動態(tài)規(guī)劃接近的全局最優(yōu)結(jié)果，可用于快速集成、優(yōu)化和控制燃料電池汽車動力系統(tǒng)設計的初步階段。

上述優(yōu)化能量管理策略實現(xiàn)全局優(yōu)化的前提是需要預先獲知汽車行駛的全部路況信息，并且上述優(yōu)化算法計算量大、時間長，在線實時控制較為困難。近年來，等效燃料消耗最小、模型預測控制等實時優(yōu)化控制策略在燃料電池汽車的能量管理策略中也得到廣泛應用。

文獻[42]通過龐特里亞金最小值原理得出插電式燃料電池汽車的能量管理策略，實現(xiàn)控制問題的實時次優(yōu)解決方案，使燃料消耗最小化。文獻[43]結(jié)合燃料電池/電池和超級電容器動力總成的公共汽車的能耗和耐久性模型，以最大程度地減少能耗和燃料電池和電池的衰減為目的，提出了一種基于二維龐特里亞金最小原理的實時能源管理策略。文獻[44]對燃料電池客車動力系統(tǒng)進行研究，以保證車輛的動力性、維持電池合理的荷電狀態(tài)、提高車輛的經(jīng)濟性和燃料電池的耐久性為研究目標，基于龐特里亞金最小值原理設計了能適應不同工況的在線能量管理策略，通過仿真對能量管理策略進行了驗證。文獻[45]提出了一種適用于燃料電池、電池和超級電容器三種電源供電的燃料電池汽車的等效燃料消耗最小策略，并與基于規(guī)則的策略比較，結(jié)果表明等效燃料消耗最小策略具有較小的氫消耗和較長的燃料電池壽命。龐特里亞金最小值原理需要賦予合理的等效因子后才能迅速計算出最佳的控制決策，但是求取車輛復雜多變工況下的等效因子值目前尚無成熟的方法，無法廣泛應用。

文獻[46]針對燃料電池—鋰電池混合動力系統(tǒng)，考慮了不同模式下的最佳功率分配控制，提出了基于性能指數(shù)最小化的混合模型預測控制策略，可以實現(xiàn)系統(tǒng)在每種運行模式下對最優(yōu)性能指標的跟蹤。文獻[47]以提高燃料電池轎車能量經(jīng)濟性為目標，采用模型預測控制對能量管理策略進行實時動態(tài)優(yōu)化，并通過離線仿真及硬件在環(huán)仿真試驗，對所提出的模型預測控制策略的有效性、實時性進行了驗證。文獻[48]針對燃料電池混合動力電動汽車能量管理中全局能耗最小化和實時應用的挑戰(zhàn)，提出了一種基于分層強化學習、置信度樹搜索和車速預測的新型分層能量管理策略，仿真結(jié)果表明該策略能使動力系統(tǒng)具有較好的經(jīng)濟性和耐久性。在考慮氫耗和燃料電池系統(tǒng)耐久性的基礎上，文獻[49]分別采用動態(tài)規(guī)劃、龐特里亞金極小值原理、模型預測控制制定了燃料電池混合動力工程車輛的能量管理策略，仿真結(jié)果表明了模型預測控制的優(yōu)勢，不僅可以得到與基于動態(tài)規(guī)劃策略相近的氫耗，而且可以顯著地降低功率變化率。文獻[50]采用Elman 神經(jīng)網(wǎng)絡預測車速、馬爾可夫駕駛模式識別以及多模式模型預測控制方法開發(fā)出了燃料電池汽車的自適應能量管理策略。文獻[51]在考慮燃料電池和動力電池系統(tǒng)退化的情況下，以燃料電池客車的總運行成本最小為優(yōu)化目標，以車速預測為基礎制定能量管理策略，同時評估了車速預測范圍對控制結(jié)果的影響。文獻[52]采用遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡對質(zhì)子交換膜燃料電池進行建模及動態(tài)特性預測，提出了一種基于非線性模型預測控制的燃料電池汽車能量管理策略。模型預測控制可以在保證實時性的前提下，搜索控制時域內(nèi)帶約束化問題的最佳控制決策，是實現(xiàn)能量管理算法在線實時運行的有效途徑，應用前景廣泛。

4 總結(jié)與展望

從國內(nèi)外對燃料電池電動汽車的研究看，國際一流的汽車制造商已經(jīng)越過了燃料電池的基本性能研發(fā)階段，解決了大部分技術問題。從整車性能、續(xù)航里程、可靠性等方面來看已經(jīng)可以和傳統(tǒng)的燃油汽車媲美。隨著燃料電池技術的日益改進，各大汽車企業(yè)把研究重點主要放在燃料電池系統(tǒng)功率密度、壽命和成本上，而政府也在積極對加氫站等基礎設施進行建設。

當前動力系統(tǒng)的能量管理策略能夠有效地提高燃料電池汽車的動力性、經(jīng)濟性和燃料電池的耐久性。結(jié)合當前進展，從更加高效化、節(jié)能化、智能化、環(huán)?；冉嵌瘸霭l(fā)，燃料電池汽車動力系統(tǒng)能量管理策略需要在以下幾個方面開展更為深入的研究。

1）建立面向全生命周期的動力系統(tǒng)能量管理策略。燃料電池汽車的評價指標不應僅局限于整車的動力性、運行階段的等效氫耗、使用成本，還應該包括動力系統(tǒng)全生命周期的成本、能耗、環(huán)境影響等因素。

2）考慮燃料電池/動力電池的動態(tài)衰減特性。燃料電池/動力電池作為燃料電池汽車動力系統(tǒng)的核心部件，其居高不下的價格及有限的壽命一直是影響燃料電池汽車推廣的主要因素之一。結(jié)合燃料電池/動力電池的動態(tài)衰減模型建立有效的能量管理策略，可以顯著提高燃料電池/動力電池的壽命。

3）基于大數(shù)據(jù)聯(lián)盟和交通信息融合的多時間尺度工況預測能量管理。充分利用新能源汽車國家大數(shù)據(jù)平臺中示范運行的燃料電池汽車運行數(shù)據(jù)、5G 技術等，可建立燃料電池汽車多時間尺度的工況預測在線優(yōu)化能量管理策略。

4）動力系統(tǒng)及能量管理的測試評價。建立并完善燃料電池汽車動力系統(tǒng)測試平臺及測試評價標準，包括動力系統(tǒng)的特性測試評價、能量管理控制器的功能測試評價、測試平臺的建設標準等。