基于自適應特性的燃料電池客車能量管理策略研究

王丙虎, 陳振國, 劉 康, 王 琳, 吳光平,2

(1.中通客車股份有限公司, 山東 聊城 252000; 2.中北大學,山西 太原 030051)

目前燃料電池客車多為電-電混合動力系統,即動力電池與燃料電池共同作為能量源給電動機供電驅動車輛運行。在燃料電池車輛運行過程中,燃料電池系統響應整車功率需求,動力電池根據整車實際需求功率對燃料電池響應的功率進行削峰填谷:即當整車需求功率大于燃料電池系統運行功率時,動力電池補充額外的功率差值用于整車驅動,而當整車需求功率小于燃料電池系統運行功率時,動力電池吸收燃料電池系統釋放的多余功率。整車良好的能量管理策略既要保證整車經濟性最優,又要兼顧燃料電池與動力電池的使用壽命[1-4]。

目前,燃料電池整車實際使用的能量管理控制策略既無法保證燃料電池與動力電池功率分配最優,也無法將功率分配對燃料電池及動力電池使用壽命的影響最小化。因此,本文提出一種基于自適應功率跟隨的多擋位滯環控制技術和一種自適應功率預測的動力電池SOC高位均衡技術的燃料電池整車電-電混合能量管理控制策略,并將該控制策略在中通某批量燃料電池客車上應用驗證。

1 燃料電池整車能量管理策略現狀

目前,電-電混合燃料電池整車能量管理策略主要有基于規則的能量管理策略和基于優化的能量管理策略。其中基于規則的又可以分為基于確定性規則和基于模糊規則,前者包括恒溫器式控制、功率跟隨控制、混合控制策略、狀態機等,后者包括模糊控制等[5-7];基于優化的又可以分為實時優化和全局優化,前者包括等效燃油消耗最小算法、神經網絡、模型預測控制算法[8-10]等,后者包括動態規劃、線性規劃、遺傳算法、粒子群算法等。

優化型控制策略需提前預知工況,使用優化控制算法,通過求解不同約束條件下目標函數的極值來獲取系統最優解。全局優化型策略計算時間長,且存在維數災難無法在線應用等不足[11];實時優化型策略對工況的適應性一般,很難保證汽車在各種工況下都能達到最優效果。

規則型能量管理策略是依據設計人員的專業知識、系統的試驗結果或者數學模型而設計出的一組基本控制規則,然后基于該規則來確定燃料電池和其他能量源的功率分配。基于規則的能量管理因具有較高的可靠性且易于實現而被廣泛地應用于混合動力汽車[12]。

目前,燃料電池汽車電-電混合動力系統實際應用的能量管理策略主要有燃料電池恒功率策略和燃料電池功率跟隨策略兩種。燃料電池恒功率策略中,當SOC較低時,燃料電池以高功率工作;當SOC較高時,燃料電池以低功率工作。該策略中燃料電池功率僅與動力電池SOC高低相關,而與整車驅動功率無關,燃料電池功率相對穩定,由動力電池跟隨驅動功率變化,動力電池參與程度相對較高。功率跟隨策略中,燃料電池跟隨整車驅動功率變化,功率波動幅度較大,且變載頻繁;動力電池僅用于補充燃料電池功率的不足和進行能量回收,動力電池參與程度相對較低。

本文對恒功率控制策略進行深入研究,以提高燃料電池壽命、動力電池壽命、整車經濟性為原則,分別開發一種基于自適應功率跟隨的多擋位滯環控制技術和一種自適應功率預測的動力電池SOC高位均衡技術的燃料電池整車電-電混合能量管理控制策略,以解決目前無自適應特性的恒功率控制策略無法保證整車經濟性優、燃料電池壽命及動力電池壽命長的難題。

2 自適應特性電-電混合能量管理控制策略

2.1 多擋位滯環控制技術

如圖1所示,動力電池SOC劃分區間為0～90%,擋位劃分數量根據每個擋位SOC區間的大小N決定(N≥8),假設起始SOC區間為SOC≤M%。本文以九擋位為例,N=10,M=10,即劃分的SOC區間分別為10%

圖1 九擋位滯環控制策略

在車輛實際運行過程中,為防止燃料電池系統功率頻繁變載,存在滯環動力電池SOC區間為F%,F≥4(九擋位的F=4),即10%24%時,即SOC區間為24%

本控制技術的自適應特性體現在多擋位中“多”的存在,使整車無論運行在何種工況,都能自適應地找到其運行工況下整車平均需求功率所對應的燃料電池運行功率點,這是另外一種形式的自適應功率跟隨。自適應特性使動力電池SOC保持較小的吞吐量,達到降低整車能量轉化損耗,提高燃料電池及動力電池壽命的目的。

2.2 動力電池SOC高位均衡控制技術

如圖2所示,動力電池SOC為動力電池荷電狀態,當SOC

圖2 動力電池SOC高位均衡技術控制策略

3 電-電混合能量管理控制策略試驗驗證

3.1 試驗對象

多擋位滯環控制技術與動力電池SOC高位均衡控制技術試驗方案對象均為中通12 m燃料電池旅游客車,車輛參數見表1。

表1 燃料電池旅游客車參數

3.2 試驗方案

3.2.1 多擋位滯環控制技術試驗方案

多擋位滯環控制技術驗證方法為:設置5組對比試驗,將動力電池SOC按2.1節中的方法分別平均劃分為三、五、七、九、十一等若干區間,燃料電池系統在每個動力電池SOC區間內恒功率運行,功率的大小按照燃料電池額定功率比例劃分,動力電池SOC越大,燃料電池運行功率越小。同時,為防止燃料電池系統功率頻繁變載,存在滯環動力電池SOC區間,其各擋位M、C、D、N、A、F值的設置見表2。

表2 各擋位參數明細

3.2.2 動力電池SOC高位均衡控制技術試驗方案

動力電池SOC高位均衡技術如2.2節所述,其中,SOC1為70%,SOC2為72%,SOC3為80%,SOC4為84%。P1為80 kW,P2的確定方法見表3,以T為周期,這里周期T確定為每個C-WTVC循環工況的運行時間1 800 s。T1=T2=T3=T4,每個周期采集一次從整車上電時刻到當前時間整車的平均需求功率作為下一個T的整車向燃料電池系統的請求功率P2,即T2周期內整車向燃料電池系統的請求功率為T1周期內整車的平均需求功率PT1,T3周期內整車向燃料電池系統的請求功率為T1和T2兩個周期內整車的平均需求功率PT1+T2,其中初始周期T1整車向燃料電池系統的請求功率設定值為Po,Po設置遵循燃料電池系統運行高效率的原則,此輛車Po=40 kW。P3的確定方法由燃料電池單體電壓及燃料電池系統的效率曲線確定,此輛車P3為16 kW。需要注意的是:在車輛實際運行過程中,T的確定方法為車輛每循環一次路線的時間,理想狀態下T相同。

表3 P2確定方法表格說明

3.3 試驗工況與數據采集

多擋位滯環控制技術及動力電池SOC高位均衡控制技術試驗在中通客車轉鼓試驗室驗證,采用C-WTVC工況,每個試驗進行6個工況,用CANalyzer提取整車CAN數據,每組工況保存一組數據。在采集到的數據中提取起始壓力、終止壓力、起始溫度、終止溫度、起始SOC、終止SOC、起始里程、終止里程等數據作為整車氫耗的計算依據。

3.4 試驗數據分析

3.4.1 多擋位滯環試驗控制技術試驗數據分析

整車氫耗根據所提取的數據以GB/T 35178—2017[13]質量壓力法為依據進行計算。另外,根據提取的數據對每個擋位整個試驗周期內的動力電池SOC變化區間及范圍、功率變化次數進行了統計,統計結果見表4。

表4 多擋位滯環試驗數據統計表

從表4可以看出,三擋位到九擋位動力電池SOC范圍變化依次減小,十一擋位SOC范圍反而增大,原因可能是動力電池SOC區間擋位設置得太多,整車實際試驗過程中難免持續性需求功率較大,整車向燃料電池系統請求的功率點與整車需求功率有較大偏差,功率點變載較多。七擋位百公里氫耗最低,主要原因是動力電池SOC變化范圍小且整個試驗運行周期燃料電池運行功率無變化。三擋位和十一擋位氫耗較大,三擋位氫耗高可能主要受SOC范圍變化大的影響,電-電轉換損耗增加,功率點變化造成的影響次之;十一擋位氫耗高可能主要受功率點變化的影響,燃料電池系統氫氣使用效率低。五擋位比三擋位氫耗低,主要是受SOC變化范圍的影響。九擋位比十一擋位氫耗低,主要是受SOC變化范圍和功率點變化次數的綜合影響。

3.4.2 動力電池SOC高位均衡控制技術試驗數據分析

動力電池整個試驗周期內動力電池SOC變化及燃料電池系統功率變化如圖3所示,整個試驗周期內除了初始周期燃料電池運行功率為40 kW,其余周期燃料電池系統的運行功率無變化,維持在44 kW,動力電池SOC變化極差為5%,保持了較低的吞吐量。經計算,該試驗周期內,燃料電池百公里氫耗為5.2 kg,相對于多擋位滯環控制技術持續降低,極大地提高了整車經濟性。

圖3 動力電池SOC及燃料電池系統功率變化圖

4 結束語

多擋位滯環控制技術在一定程度上能夠提高整車的經濟性,但動力電池SOC劃分擋位及功率點的數量與整車氫耗并沒有直接的正比關系,擋位越多,氫耗可能會更高。針對電-電混合能量管理控制策略,燃料電池整車節能的關鍵是找到整車平均需求功率點,這既能保證動力電池SOC變化區間極差最小,減少能量轉化損耗,又能防止燃料電池系統功率的頻繁變載。動力電池SOC高位均衡控制技術極大地發揮了其整車平均需求功率預測的自適應特性,在提高整車經濟性的同時,減少了燃料電池功率變載及動力電池吞吐量,提高了動力電池及燃料電池的使用壽命。