燃料电池商用车能量管理策略研究
2020-12-26王善超覃记荣辛伟伟郑伟光
王善超 覃记荣 辛伟伟 郑伟光
【摘 要】文章介绍了目前燃料电池汽车上常见的4种能量管理策略，研究了恒温器型及功率跟随型两种基于确定规则的控制策略，在ADVISOR仿真平台上完成了两种控制策的模型搭建，并采用两种控制策略，基于国内某款燃料电池商用车实车数据进行了车辆动力性能仿真。仿真结果显示，相较于恒温器型控制策略，功率跟随型控制策略在车辆动力性及能量源寿命保持等方面都具有较大的优势，更适合当前实车采用。
【关键词】能量管理策略;恒温器型控制策略;功率跟随型控制策略;燃料电池商用车
【中图分类号】U469.7 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2020）07-0122-04
燃料电池汽车能量利用率高、行驶里程长、加氢迅速且对环境友好，被认为是新能源汽车的终极选项，具有极好的发展前景。燃料电池输出特性偏软且无法解决车辆制动回收问题，目前市场上的燃料电池汽车普遍采用燃料电池+辅助能量源（蓄电池或超级电容）的混合动力系统结构。因此，应用于车辆混合动力系统的能量管理策略便成为燃料电池汽车研究绕不开的话题。
能量管理策略的优劣直接影响燃料电池汽车的动力性能和燃油经济性。高效的能量管理策略对优化车辆性能、提升车辆动态响应、延长动力源寿命及降低整车成本具有至关重要的作用。当前，主流的能量管理策略可分为基于确定性规则的控制策略、模糊逻辑控制策略、全局优化控制策略和瞬时优化控制策略[1]。模糊逻辑控制策略的模糊逻辑控制器其硬件实现较为复杂，造成当前此策略的实车应用效果较差[2]。全局优化控制策略虽然能使优化对象达到理论最优，但其优化算法依赖已知工况，且计算复杂，优化时间过长，不宜直接作为车辆的控制策略[3]。瞬时优化控制策略是对全局优化算法的简化，其采用瞬时最优的控制思想，追求每个瞬时控制效果最优，计算量相对全局优化较小，不需预知驾驶工况，该策略具有实时化的基础，但仍对车辆硬件有较高要求[1，4]。目前，应用在实车测试的控制策略主要为基于确定性规则的控制策略。
本文以燃料电池+蓄电池的双动力源燃料电池商用车为研究对象，以ADVISOR为软件仿真平台，研究恒温器型及功率跟随型两种常用的规则型控制策略，通过软件仿真结果论证两种控制策略的适用性及优劣性，为燃料电池汽车的实车验证提供理論依据。
1 能量管理策略分析
1.1 恒温器型控制策略
恒温器型控制策略也称开关型控制策略，该策略的控制核心是始终保证燃料电池工作在最高效率点，蓄电池作为均衡器平衡燃料电池输出，其流程图如图1（a）所示。
恒温器型控制策略需提前设定蓄电池荷电状态（State of Charge，SOC）浮动区间，即设定SOC最大边界值SOCmax和最小边界值SOCmin，根据SOC与其边界值及电机需求功率Pm与蓄电池最大输出功率Pbat_max的关系确定燃料电池的工作状态。其具体工作模式如下。
（1）当SOC≤SOCmin时，燃料电池开启并工作在最佳效率点Pfc_eff，提供车辆行驶功率并利用富余功率为蓄电池充电，直至SOC≥SOCmax。
（2）当SOCmin
（3）当SOC>SOCmax时，若Pm≤Pbat_max，则燃料电池关闭，由蓄电池单独驱动车辆;若Pm>Pbat_max，则燃料电池开启，由燃料电池和蓄电池共同驱动车辆。
（4）车辆制动时，若SOC≤SOCmax，车辆采用再生制动模式，蓄电池以最大充电功率吸收制动能量;若SOC>SOCmax，车辆采用机械制动模式。
1.2 功率跟随型控制策略
功率跟随型控制策略原理类似于恒温器型控制策略，该策略拓宽了燃料电池的工作区间，允许燃料电池工作在一个最佳效率区域，锂电池提供额外的需求功率，其控制流程图如图1（b）所示。
功率跟随策略除了需要设定SOCmax和SOCmin以外，还需设定燃料电池输出功率允许变化区间[Pfc_min，Pfc_max]，根据蓄电池SOC和燃料电池需求功率Pfc_req与其边界值的大小关系确定燃料电池的输出功率，其具体工作模式如下。
（1）当SOC≤SOCmin时，由燃料电池单独驱动车辆，若Pfc_req≤Pfc_min，则燃料电池工作在最小边界值Pfc_min，燃料电池输出的多余功率为蓄电池充电;若Pfc_req>Pfc_min，则燃料电池输出功率跟踪车辆功率需求，且不受最大功率边界值Pfc_max约束。
（2）当SOCmin （3）当SOC>SOCmax时，若Pfc_req≤Pfc_min，则燃料电池关闭，由蓄电池单独驱动车辆;若Pfc_min （4）为防止燃料电池在工作过程中频繁启动，设定其关闭状态维持时间最小值为90 s，即燃料电池只有维持关闭状态90 s以上，才可切换至开启状态，此部分控制策略并未在流程图中体现。 燃料电池需求功率Pfc_req均为SOC校正后的功率需求，其计算公式如下： 式中，η為SOC校正因子，ηPcharge为设定的蓄电池额外充放电功率，其目的是使蓄电池SOC保持在其浮动区间的中间值附近。 2 能量管理策略建模 本文借助于ADVISOR仿真工具完成对两种策略的模型搭建，其中恒温器型控制策略是在功率跟随型控制策略的基础上通过M文件再定义完成的，有关此方面内容可参照文献[5]。 2.1 恒温器型控制策略建模 从原理上来看，恒温器型控制策略限定燃料电池工作范围为效率最高点，允许蓄电池SOC在整个限定区间内变化，蓄电池一直充电（放电）直至达到SOC允许上限（下限），其在原理上可看作一种特殊的功率跟随策略。 恒温器型控制策略的模型搭建可通过对功率跟随策略的参数修改来实现。具体参数修改项见表1。 对上述表格中参数进行定义，便完成了恒温其控制策略在ADVISOR软件平台上的开发。 2.2 功率跟随型控制策略建模 功率跟随控制策略模型顶层模块如图2（a）所示，其输入信号为总线需求功率及蓄电池SOC，输出燃料电池需求功率，该控制策略主要包含功率转换、SOC校正、燃料电池开关控制、燃料电池功率控制4个主要子模块。 功率转换模块主要作用是将总线功率需求转换为燃料电池功率需求，其底层模块如图2（b）所示。 SOC校正模块主要作用是将输入的燃料电池需求功率进行SOC校正，以保持蓄电池SOC在允许变动区间的中间值附近，校正标准见式（1）和式（2），底层模块如图2（c）所示。 燃料电池开关控制模块是本策略中最重要的控制子模块，该模块通过输入变量（总线功率需求与电池最大输出功率关系、蓄电池SOC、经SOC校正后的燃料电池功率需求、总线功率需求）及门限值（蓄电池SOC允许变动区间、燃料电池工作区间、燃料电池关闭时间）决策出当前燃料电池的工作状态（开启/关闭），其底层模块如图2（d）所示。 燃料电池功率控制模块的主要作用为根据当前燃料电池功率需求（SOC校正）、蓄电池的状态（反应在SOC和最大输出功率）及当前总线功率需求判断该状态下的燃料电池输出功率。此外，车辆的制动回收策略也在该模块中有体现。燃料电池功率控制模块的底层模块如图2（e）所示。 3 仿真结果分析 仿真建立在国内某款商用车平台上，该商用车配置参数见表2，仿真软件为ADVISOR，为体现上述两种能量管理策略的优劣性，在现有工况上构建了一种复合行驶工况（UDDS+HWFET+FTP），车辆仿真结果如下。 表3给出了两种控制策略下燃料消耗量的对比结果，可见恒温器型控制策略等效燃油消耗量远低于功率跟随策略，这是由于在恒温器型控制策略中，燃料电池只工作在效率最高点。 图3（a）和图3（b）分别给出了两种控制策略的动力性能仿真结果。正常情况下，两种控制策略在车速跟踪上均满足性能要求，但在持续大负载低SOC状态下，恒温器型控制策略SOC长期维持在较低水平，影响整车动力性能;相较于功率跟随型控制策略，恒温器型控制策略蓄电池SOC浮动范围更大，且该策略由蓄电池承担大部分总线功率，这会对蓄电池寿命产生不良影响;燃料电池功率输出方面，在持续大负载低SOC状态下，恒温器型控制策略燃料电池状态切换频繁，不利于燃料电池的寿命保持。 4 结论 本文对两种规则性能量管理策略进行了梳理，并在国内某型商用车平台上进行两种策略的仿真分析，通过仿真对比，得到以下结论：？譹？訛在一定工况下，虽然恒温器型控制策略燃料消耗更小，但该结果是建立在损耗燃料电池及蓄电池寿命的基础之上，故在实车开发中，不建议采用该种控制策略。？譺？訛相较于恒温器型控制策略，功率跟随控制策略能够更好地完成功率分配的任务，且其对蓄电池及燃料电池的寿命更为友善。 参 考 文 献 [1] 倪如尧，刘金玲，许思传.燃料电池汽车能量管理控制策略研究[J].汽车实用技术，2019（1）：34-38. [2] 张峻恺.复合电源燃料电池客车能量管理策略研究[D].长春：吉林大学，2018. [3] 周哲.基于道路工况识别的混合动力汽车能量管理策略研究[D].合肥：合肥工业大学，2019. [4] 许世景.串联混合动力汽车能量管理策略优化研究[D].天津：天津大学，2013. [5] 宫维钧，曾小华.ADVISOR2002电动汽车仿真与再开发应用[M].北京：机械工业出版社，2014.
