楊 琨，徐 彬，董德寶，樊海梅，熊金峰，彭 程

(金龍聯(lián)合汽車工業(yè)(蘇州)有限公司，江蘇 蘇州 215026)

新能源汽車中，氫燃料電池汽車被寄希望于成為未來最理想的清潔能源汽車[1]。由于燃料電池電力輸入比較“軟”的現(xiàn)實，常搭配動力電池或超級電容等儲能機構(gòu)，以對燃料電池供電進行“削峰減谷”。針對這種混合雙動力源，需要匹配相應(yīng)的能量控制策略，以保證兩種能源設(shè)備均在高效區(qū)間運行，并延長壽命[2]。

本文利用Simulink軟件對某電電混合動力客車建模，并實現(xiàn)能量控制策略的仿真驗證，為提高整車動力性能及動力系統(tǒng)壽命提供一種快速驗證方法[3]。

1 燃料電池電電混合能量控制策略

海格某10.5 m低入口城市客車搭載磷酸鐵鋰動力電池與氫燃料電池系統(tǒng)，采用“電-電”混合模式為整車提供動力。

1.1 氫燃料及動力電池性能特征

1) 氫燃料電池存在最佳工作效率區(qū)間：能量轉(zhuǎn)化效率高、氫耗低、工作溫度低(熱損耗小)等。常見燃料電池功率(功率密度)、單電池電位、電流密度及電池效率曲線如圖1所示。

圖1 氫燃料電池電流密度-電位-電堆效率圖

一般來說，0.5～0.8 V是單電池工作的高效區(qū)間，對應(yīng)面電流密度為600～1 500 mA/cm2，面功率密度為300～1 100 mW/cm2。圖1中包含理論和實際面電流密度-單電池電壓曲線。其中理論曲線①忽略了低面電流密度區(qū)間(約300 mA/cm2以下)滲氫電流造成的效率損耗，直接從氫氧OCV進入極化階段，極化電位成為電位損耗的主要項。一般在面電流密度≤300 mA/cm2時，滲氫損耗是能量損耗的主要形式；而在面電流密度>300 mA/cm2時，燃料電池內(nèi)部損耗以極化、歐姆和濃差為主，滲氫損耗可以忽略不計。

2) 作為輔助動力源，動力電池服役條件(工作溫度、常用SOC區(qū)間、功率吞吐量、充放電倍率等)對其能量密度、功率/容量損失存在重要影響。其中SOC常用區(qū)間、服役溫度與動力電池壽命的關(guān)系如圖2 所示[4]。

圖2 某動力電池SOC及工作溫度對壽命影響曲線

因此,針對已設(shè)定的電電混合氫燃料電池客車動力系統(tǒng)的能量控制策略，需要進行驗證，以保證電池、電堆長效而穩(wěn)定運行。

1.2 能量控制策略

該電電混合動力系統(tǒng)中動力電池容量50 kWh，最大放電倍率5C；氫燃料電池系統(tǒng)包括空濾、冷卻、供氫、高壓控制及轉(zhuǎn)換等系統(tǒng)。系統(tǒng)為單堆結(jié)構(gòu)，含約370片單電池。

根據(jù)GB/T 24554—2009《燃料電池發(fā)動機性能試驗方法》[5]測試，氫燃料電池系統(tǒng)額定功率為65 kW，峰值功率為92 kW，同時得到系統(tǒng)功率-系統(tǒng)效率曲線如圖3所示。

圖3 燃料電池發(fā)動機系統(tǒng)功率-效率曲線

燃料電堆效率普遍高于55%，其中在30 kW以下，效率≥60%。根據(jù)強檢報告(QM19EB1NA0221)，燃料電堆在系統(tǒng)功率6.8 kW(對應(yīng)電堆功率為8 kW)條件下效率最高，約為66.8%。根據(jù)美國Frano Barbir編寫的《PEM燃料電池：理論與實踐(第二版)》中關(guān)于低面電流密度區(qū)間滲氫損耗的影響，在約≤300 mA/cm2面電流密度區(qū)間條件下，效率隨著功率提高升高。電堆功率為5%～10%額定功率時，達到最高效率。隨著面電流密度的升高，系統(tǒng)的綜合效率下降，主要是因為電堆極化、歐姆和濃差損耗增加，并且輔助系統(tǒng)的寄生損耗也大幅升高。

針對氫燃料電池系統(tǒng)的材料和結(jié)構(gòu)特征，對工況作出如下要求：目標(biāo)功率變載間隔≤10 min，變載速率≤0.2 kW/s。動力電池工作條件為環(huán)境溫度 10 ℃～50 ℃，SOC區(qū)間穩(wěn)定在30%～90%；氫燃料電池系統(tǒng)工作條件為8～92 kW，工作溫度為-15 ℃～60 ℃。

根據(jù)以上要求，設(shè)定燃料電池系統(tǒng)功率對應(yīng)于動力電池容量情況SOC的全跟隨控制策略，如圖4 所示。

圖4 電堆功率跟隨模式能量控制策略

2 Simulink仿真及驗證

2.1 燃料電池功率查表模型

采用“OFF-ON”模式，對動力電池不同SOC值進行查表，對目標(biāo)功率進行賦值，通過通訊系統(tǒng)傳遞至燃料電堆和動力電池系統(tǒng)。利用Simulink建模，所用到的模塊主要包括：Constant、Data Type Conversion、Integrator、Logical Operator、Relational Operator、Scope等。主要利用模塊的判斷功能，對不同支線的判斷結(jié)果進行賦值，實現(xiàn)目標(biāo)功率的篩選，并作為功率輸出提供給電機與動力電池功率進行綜合計算[6-8]。以上功能同樣可以通過1/D Look-up Table查表模塊實現(xiàn)。燃料電池目標(biāo)功率判斷和賦值模型如圖5所示。

圖5 功率查表與目標(biāo)功率賦值模型

2.2 電機功率與動力電池功率模型

將電機功率需求與燃料電堆功率和動力電池容量同時作為輸入數(shù)據(jù)，進行綜合計算，并通過For Iterator和Assignment迭代計算，計算出最終燃料電池所轉(zhuǎn)化能量，并轉(zhuǎn)化為動力電池SOC值，利用Memory模塊將所轉(zhuǎn)化SOC值迭代入2.1節(jié)中，進行電堆功率查表，模型結(jié)構(gòu)如圖6所示。按照時間間隔1 s，完成所有迭代計算反應(yīng)，得出動力電池SOC和燃料電堆目標(biāo)功率的變化曲線[9-11]。

圖6 燃料電堆與動力電池功率模型

2.3 整車經(jīng)濟性分析模型

利用電機實際輸出功率與電池容量的變化量計算得到總的電池能量消耗，然后轉(zhuǎn)換為氫氣量，得氫氣消耗量及消耗速率等經(jīng)濟性指標(biāo)[12]。具體模型如圖7所示。

圖7 氫耗計算模型

實際車輛運行過程中，可以利用非理想狀態(tài)氣體方程，配合供氫系統(tǒng)氣瓶出口壓力傳感器數(shù)據(jù)，同時利用實際使用前后氫氣壓力值及環(huán)境溫度等參數(shù)，對氫氣消耗質(zhì)量MH2進行計算。見式(1)。

(1)

式中：P1、P2分別為初始和終了儲氫瓶高壓壓力，Pa；T1、T2分別為初始和終了儲氫瓶最高溫度，K；V為氫瓶容積，m3；R為氣體常數(shù)，8.314 J/mol·K；m為氫氣分子量，2.016 g/mol；Z為壓縮系數(shù)，參考氫氣壓縮系數(shù)表[13]取值。

2.4 仿真結(jié)果及分析

根據(jù)實際工況鎖定整車功率需求作為仿真分析輸入值：電機功率最大值為200 kW，運行平均功率為52 kW，全工況平均功率為15～20 kW。

SOC初值定義為60%，燃料電堆變載速率定義為0.2 kW/s(利用1/D Look-up Table查表模塊在仿真模塊中實現(xiàn))。燃料電堆實際功率輸出、動力電池SOC變化仿真計算結(jié)果如圖8所示。

圖8 仿真結(jié)果(FC功率、SOC、電機功率)

分析圖8可知，動力電池SOC在60.7%～68.1%區(qū)間內(nèi)變化，滿足電池SOH關(guān)于動力電池容量的要求。除怠速外，燃料電堆輸出功率在6～42 kW區(qū)間內(nèi)變化，屬于高效工作區(qū)間。

通過式(1)得知，在該能量策略下，全工況行駛約159 km的總氫耗量為8.265 kg。

3 結(jié)束語

本文對海格某10.5 m氫燃料電池電電混合動力客車的動力系統(tǒng)進行了能量控制策略的設(shè)計、分析，并通過Simulink軟件建立電堆功率查表模塊、電池及電機功率綜合計算模塊、整車經(jīng)濟性計算模塊，對控制策略進行仿真分析。實踐證明，通過Simulink可對能量控制策略進行快速仿真分析與驗證，并進行相應(yīng)的調(diào)整，以保證整車動力穩(wěn)定性和經(jīng)濟性。