陳維榮 ，李錦程 ，李 奇

（西南交通大學電氣工程學院，四川 成都 610031）

近年來，氫能技術(shù)憑借綠色環(huán)保，高轉(zhuǎn)換效率，功率密度大等優(yōu)勢，迅速在交通運輸?shù)阮I(lǐng)域發(fā)展應用[1]. 質(zhì)子交換膜燃料電池是一種利用氫氣與氧氣進行電化學反應產(chǎn)生電能的裝置，基于質(zhì)子交換膜燃料電池作為動力來源的混合動力車因具有補充能量迅速，純綠色零排放，啟動溫度低等優(yōu)點，得到廣泛關(guān)注與研究.

風冷型質(zhì)子交換膜燃料電池依靠環(huán)境中空氣進行降溫，無需其他降溫裝置，相對于水冷型燃料電池，具有結(jié)構(gòu)簡單，成本較低的優(yōu)勢，通常與鋰電池組成混合動力系統(tǒng)，適合應用于巡邏車，觀光車等小型車輛等中小功率氫能設(shè)備應用中. 傳統(tǒng)的混合動力能量管理策略常采用狀態(tài)機[2]、功率跟隨[3]、等效氫耗[4]、模糊控制[5]等方法. 然而近年來，許多基于優(yōu)化的控制策略被應用于混合動力能量分配中，以獲得更好的性能指標. 王哲等[6]提出一種基于Pontryagin極小值原理設(shè)計的提高車輛經(jīng)濟性和燃料電池耐久性的能量管理策略. 徐陳鋒[7]提出一種基于自適應模糊策略的能量管理方法，在不同工況下調(diào)節(jié)控制參數(shù)，使系統(tǒng)具有較強魯棒性. 張國瑞等[8]針對燃料電池有軌電車運行特點，提出一種基于運行模式和動態(tài)混合度的控制策略，通過RT-LAB進行仿真驗證，具有較高的燃料經(jīng)濟性.

本文使用風冷質(zhì)子交換膜燃料電池與鋰電池組成混合動力系統(tǒng)，并逐一介紹構(gòu)成車輛的混合動力系統(tǒng)、氫氣儲存供給系統(tǒng)、信號控制系統(tǒng). 針對目前混合動力系統(tǒng)燃料電池功率變化及SOC （state of charge）波動劇烈問題，提出一種動態(tài)調(diào)節(jié)的功率跟隨算法，該算法可對不同工況及初始SOC改變調(diào)節(jié)系數(shù)，達到減小鋰電池SOC及燃料電池輸出功率波動的效果，通過運行實驗對獲得數(shù)據(jù)進行分析，并驗證控制算法有效性.

1 燃料電池混合動力車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該燃料電池混合動力觀光車采用燃料電池-鋰電池混合動力模式，設(shè)計最高運行速度30 km/h，續(xù)航里程150 km，最大載客量12人（人均重量70 kg/人），該車于2018年8月25日經(jīng)過調(diào)試測驗，可正常運行，車輛實景如圖1所示.

圖1 燃料電池混合動力車運行實景Fig. 1 Fuel-cell hybrid electric vehicle

該燃料電池混合動力車采用風冷型燃料電池電堆與鋰電池組成的混合動力系統(tǒng)提供能量來源，采用5 kW三相異步電機為整車提供動力，整車由混合動力系統(tǒng)、氫氣儲存供給系統(tǒng)、信號控制系統(tǒng)3部分構(gòu)成，車輛結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖2 混合動力車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig. 2 Hybrid car system structure

車輛設(shè)計參數(shù)符合電動觀光車相關(guān)標準，具體參數(shù)如表1所示.

表1 車輛運行參數(shù)Tab. 1 Vehicle operating parameters

1.1 混合動力

混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示，該系統(tǒng)采用3 kW風冷型燃料電池電堆作為主動力源，電堆控制器通過控制電堆散熱風扇及進出氣電磁閥調(diào)節(jié)電堆工作溫度. 由于電堆輸出電壓受輸出功率影響，通常在燃料電池后級增加一級直流變換器穩(wěn)定輸出電壓及控制燃料電池輸出功率. 系統(tǒng)配置60 V、200 A·h 鋰電池與燃料電池組成混合動力系統(tǒng)，補足燃料電池來不及響應變化功率及吸收制動過程中電機產(chǎn)生的回饋功率. 電機控制器接受由混合動力控制器發(fā)出的命令信號并按相應要求將母線60 V直流電壓逆變后驅(qū)動三相異步電機.

圖3 混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig. 3 Hybrid system structure

1.2 氫氣儲存供給

燃料電池電堆中由氫氣供給系統(tǒng)輸入的氫氣及空氣中存在的氧氣進行電化學反應，產(chǎn)生電能及反應產(chǎn)物水，水以水蒸氣或液態(tài)水的形式經(jīng)排氣閥排出電堆[9-10]. 氫氣儲存供給系統(tǒng)見圖4，其中采用35.0 MPa氫氣儲氣罐，儲氣罐容量28 L，儲氣罐瓶口裝有氫氣壓力表及壓力傳感器，測量顯示剩余氫氣壓力并傳遞給混合動力控制器. 氫氣罐中的高壓氫氣經(jīng)過一級減壓閥后氣壓降至1.0 MPa，由二級減壓閥將減壓后的氫氣壓力調(diào)節(jié)為適宜燃料電池反應的精確穩(wěn)定的0.5 MPa，最后通過開關(guān)手閥送入燃料電池電堆.

圖4 氫氣儲存供給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig. 4 Structure of hydrogen storage supply system

1.3 信號控制

信號控制系統(tǒng)采用CAN2.0B總線協(xié)議，混合動力控制器作為主機設(shè)備，其余控制器作為從機設(shè)備.從機設(shè)備包括：

電堆控制器——向混合動力控制器反饋燃料電池電堆輸出電壓電流，溫度，故障等信息，并受混合動力控制器控制啟停電堆；

直流變換器——接受控制信號并調(diào)節(jié)燃料電池電堆輸出功率；

電機控制器——接受控制信號調(diào)節(jié)電機扭矩轉(zhuǎn)速等參數(shù)，反饋電機所需電壓電流；

電池管理系統(tǒng)——向混合動力控制器反饋鋰電池SOC及電壓電流信息；

顯示儀表——接受控制命令并顯示當前氫氣壓力、剩余電量、運行狀態(tài)等信息.

2 混合動力觀光車能量管理策略

混合動力能量管理策略指將多個動力源的能量通過一定的策略進行合理分配，在滿足設(shè)備穩(wěn)定安全運行的前提下，達到提高供電系統(tǒng)性能的目標. 主要的性能指標有能源利用效率、設(shè)備使用壽命、設(shè)備成本、安全性等[11-12]. 本文所述的燃料電池混合動力觀光車通過SOC動態(tài)調(diào)節(jié)的實時功率跟隨策略，優(yōu)化車輛在面對不同工況的狀態(tài)下的燃料電池輸出功率曲線及鋰電池SOC波動，延長設(shè)備壽命[13].

2.1 功率跟隨策略及參數(shù)分析

傳統(tǒng)燃料電池-鋰電池混合動力功率跟隨策略使燃料電池輸出功率與負載需求功率平衡，并通過引入SOC偏離量修正燃料電池輸出功率，達到穩(wěn)定鋰電池SOC的作用. 燃料電池輸出功率為

式中：Pload為負載需求功率，即電機運轉(zhuǎn)所吸收或回饋的功率；Pbat，chg為標準充電功率，根據(jù)鋰電池充放電能力及系統(tǒng)整體功率進行設(shè)定；fSOC為SOC的偏離系數(shù)，如式（2）.

式中：CSOCH、CSOCL分別為鋰電池SOC的上、下限；CSOC為鋰電池當前SOC.

對于一個確定的混合動力系統(tǒng)，其鋰電池SOC邊界限制一般是恒定的，且當CSOC= 0.5（CSOCH+CSOCL）時， fSOC等于0，定義鋰電池SOC參考值為

則fSOC可簡化為CSOC的線性函數(shù)，可表達為

式中：ks為調(diào)節(jié)系數(shù).

將式（4）代入式（1），得

式中：Pfc，real為燃料電池實際輸出功率，當計算輸出功率劇烈變化時，由于燃料電池動態(tài)響應能力不足會使實際輸出功率與計算輸出功率存在偏差；CLi為鋰電池容量；ΔCSOC為SOC變化量；t為時間.

由式（5）可知，ks會影響用于平衡SOC的燃料電池輸出功率. 在CSOC與CSOCREF偏差較大時，提高ks可以增加燃料電池輸出功率與負載需求功率差額，更快將SOC恢復至參考值附近，并提高穩(wěn)定能力；當負載功率需求小時，Pload在Pfc計算中占比小，Pfc受鋰電池SOC影響大，減小ks可以避免當SOC偏離過大時Pfc長期處于低功率無效輸出或高負荷輸出.

分別截取一段混合動力觀光車實際運行工況，并根據(jù)表2所示參數(shù)設(shè)定混合動力系統(tǒng)參數(shù)，繪制在不同條件下ks對系統(tǒng)運行性能的影響，如圖5和圖6所示.

表2 功率跟隨參數(shù)Tab. 2 Power following parameters

圖5 相對劇烈工況下混合動力功率及SOC曲線Fig. 5 Hybrid power and SOC curves under relatively severe working conditions

圖6 相對平緩工況下混合動力功率及SOC曲線Fig. 6 Hybrid power and SOC curves under relatively flat working conditions

圖5 為一段燃料電池混合動力車運行過程中較為劇烈的功率需求曲線. 由圖5（a）所示：紅色曲線為負載的電機功率，小于0的部分為電機制動時回饋的能量曲線；藍色曲線為燃料電池輸出功率，燃料電池使用氫氧進行電化學反應生成電能，該反應在電堆中無法逆向進行，因此燃料電池無法吸收電機制動回饋的能量，同時燃料電池動態(tài)響應能力較差，造成燃料電池輸出功率與負載需求功率出現(xiàn)差額，該部分能量差額由鋰電池進行提供或吸收.

圖5（b）為該工況下，鋰電池SOC初始值與SOC參考值相等，均為35%時的SOC波動曲線，當調(diào)節(jié)參數(shù)ks= 0.20時，相比ks= 0.02時SOC波動更小，同時在整個運行周期結(jié)束后維持SOC參考值的能力更強.

圖5（c）為在該工況下，鋰電池初始值高于設(shè)定值的SOC變化曲線，鋰電池初始值為45%，SOC參考值為35%. 調(diào)節(jié)參數(shù)ks= 0.20時，SOC曲線可以較為快速地向設(shè)定值趨近，在ks= 0.02時，無法快速將SOC調(diào)節(jié)到SOC參考值.

圖6表示在需求功率較為平緩的工況下不同調(diào)節(jié)參數(shù)對調(diào)節(jié)效果的影響. 圖6（a）和圖（b）為初始SOC=45%時的燃料電池輸出功率曲線. 對比圖6（a）和圖6（b）可知：由于需求功率較為平緩且功率平均值不高，燃料電池輸出功率受鋰電池SOC偏離影響較大，當調(diào)節(jié)系數(shù)較大時，用于平衡SOC的功率在總功率中占比較大，造成燃料電池在一段時間內(nèi)無法有效輸出功率或高負荷運行，對系統(tǒng)整體效率及燃料電池壽命造成負面影響.

圖6（c）表示在初始SOC值為35%時不同調(diào)節(jié)參數(shù)對SOC波動的影響. 由于需求功率平緩，燃料電池動態(tài)響應可以滿足系統(tǒng)需要，在ks= 0.20或ks= 0.02的情況下均可以實現(xiàn)維持SOC參考值. 其中ks= 0.20時SOC在調(diào)節(jié)過程中超調(diào)部分較高，使整體波動更為明顯. 并且過高的調(diào)節(jié)參數(shù)會引起SOC曲線產(chǎn)生振蕩.

2.2 基于荷電狀態(tài)偏差調(diào)節(jié)的實時功率跟隨策略

本文提及的燃料電池混合動力觀光車中，將燃料電池電堆輸出功率作為控制量，通過調(diào)節(jié)電堆后級DC/DC變換器輸出功率實現(xiàn)各能量供給單元之間的輸出功率分配.

車輛在運行過程中，通過傳感器采集母線電壓、電機需求功率、燃料電池電堆輸出功率、鋰電池SOC等參數(shù)，計算燃料電池期望輸出功率，并通過DC/DC控制輸出電流值實現(xiàn)整套混合動力系統(tǒng)的控制[14].

圖7為基于荷電狀態(tài)偏差調(diào)節(jié)的實時功率跟隨策略實現(xiàn)流程，圖中：Ubat為鋰電池電壓；Kp、Kd和Kc分別為比例系數(shù)、微分系數(shù)和懲罰系數(shù). 根據(jù)接收功率及SOC信號實時計算ks，將計算所得ks代入式 （5）中計算燃料電池期望輸出功率，根據(jù)采集母線電壓信號轉(zhuǎn)換為DC/DC輸出電流信號，傳輸至電流環(huán)PI （proportional integral）控制器計算驅(qū)動開關(guān)管的 PWM （pulse width modulation）信號.

圖7 基于荷電狀態(tài)偏差調(diào)節(jié)的實時功率跟隨策略Fig. 7 Real-time power following strategy based on SOC deviation adjustment

在觀光車運行過程中，由于使用環(huán)境在景區(qū)等地勢較為特殊的環(huán)境中，會遇到上坡、起步、加速等功率變換劇烈的工況及平路勻速、下坡制動等功率平緩的工況，通過調(diào)節(jié)功率跟隨算法中的ks可實現(xiàn)在不同工況下對鋰電池SOC波動，對燃料電池輸出功率進行優(yōu)化.

通過2.1節(jié)中對不同工況下調(diào)節(jié)效果的比較，發(fā)現(xiàn)ks調(diào)節(jié)效果主要與需求功率大小及需求功率變化劇烈程度有關(guān). 式（6）為ks的計算公式，對負載需求功率與燃料電池電堆輸出功率之間的差額功率進行PD （proportional derivative）控制，并引入了受 SOC偏離量控制的分量用于加快恢復SOC參考值.

式中：Perr= Pload- Pfc，為負載需求功率與燃料電池輸出功率的差額；CSOCERR= CSOCREF- CSOC，為鋰電池當前SOC與SOC參考值的差額.

燃料電池輸出效率特性為存在拐點的效率曲線，在滿功率或欠功率狀態(tài)下較低，處于平穩(wěn)的有效功率輸出段效率較高. 適當?shù)膋s可使燃料電池避免燃料電池處于欠功率或滿功率狀況，實現(xiàn)平緩有效功率輸出，提高整車運行過程中燃料電池轉(zhuǎn)換效率.

在車輛運行過程中，為提高系統(tǒng)安全性，延長燃料電池電堆壽命[15]，需對運行參數(shù)進行約束. 式（7）為燃料電池運行約束條件.

式中：Pfc.min為燃料電池最小輸出功率，為避免在加速、制動過程中電堆頻繁啟停設(shè)置的保護條件，實際運行中設(shè)定為500 W；Pfc.max為燃料電池最大輸出功率，由電堆額定功率決定，實際運行中設(shè)定為3 000 W；Rfc.max為燃料電池最大輸出功率變化率，為避免在劇烈工況下影響電堆壽命設(shè)置，實際運行中設(shè)定為100 W/s.

鋰電池約束條件為[16]

式中：Ibat為鋰電池充放電電流；Ibatd.max和Ibatc.max為鋰電池最大放電電流及最大充電電流.

對于CSOCH和CSOCL，超過該范圍會影響鋰電池循環(huán)壽命及車輛安全運行，并反映車輛可能出現(xiàn)氫氣儲氣量不足，燃料電池系統(tǒng)故障等問題，混合動力控制器發(fā)出SOC報警信息；對于Ibatd.max和Ibatc.max，超過此范圍反應燃料電池系統(tǒng)及動力系統(tǒng)參數(shù)不匹配，混合動力控制器發(fā)出電流報警信息.

ks約束條件為

式中：ks.min為調(diào)節(jié)系數(shù)下限，避免系統(tǒng)失去調(diào)節(jié)能力；ks.max為調(diào)節(jié)系數(shù)上限，避免調(diào)節(jié)參數(shù)過大引起系統(tǒng)振蕩.

2.3 燃料電池電堆運行效率分析

根據(jù)理想氣體公式，氫氣消耗摩爾量與氫氣儲氣瓶壓強的關(guān)系為

消耗氫氣生成水的過程中產(chǎn)生的熱量為

電機在運行中的能量消耗為

式中：WM為車輛運行過程中電機系統(tǒng)需要吸收的功；為電機系統(tǒng)平均功率.

混合動力系統(tǒng)中總的能量為

燃料電池供電系統(tǒng)整體發(fā)電效率為

式中：ηstack為燃料電池電堆將氫能轉(zhuǎn)換為電能的效率，與發(fā)電電堆自身性能有關(guān)，目前大多在40%～50%之間；ηDC為直流變換器的轉(zhuǎn)換效率；ηbat為燃料電池發(fā)出的部分電能被先充入鋰電池組，后又從鋰電池組中放出的過程中引起的損耗效率，與鋰電池組充放電效率及在工況運行過程中有多少電能經(jīng)過鋰電池組有關(guān).

燃料電池電堆效率可表示為

3 混合動力觀光車實際運行狀況

混合動力觀光車在運行過程中主要關(guān)注燃料電池、鋰電池、電機負載功率、鋰電池SOC、氫氣壓力狀態(tài). 圖8為一段400 s內(nèi)車輛運行狀態(tài)參數(shù)變化曲線，初始SOC等于參考值，在整個過程中SOC曲線小幅波動并能維持在參考值附近. 氫氣壓力隨燃料電池運行消耗氫氣緩慢下降.

圖8 混合動力觀光車運行狀態(tài)參數(shù)曲線Fig. 8 Parameter curve of hybrid electric sightseeing vehicle

燃料電池混合動力觀光車車在實際運行過程中多為短途行駛，車輛加減速過程頻繁，因此工況在牽引過程中功率沖擊較高，在制動過程中需吸收電機回饋能量，整個過程中功率峰值差額大，工況較為復雜.

圖9為車輛運行過程的能量分配曲線. 從圖中可以看出，燃料電池輸出功率平緩，當電機需求功率劇烈上升時，燃料電池輸出功率跟隨負載功率平緩上升，鋰電池輸出功率迅速上升補充燃料電池未及時響應的動態(tài)功率需求. 當負載需求功率曲線因制動過程能量流動劇烈減少至反向時，燃料電池輸出功率平緩下降，鋰電池輸出功率轉(zhuǎn)為負值，即鋰電池吸收電機制動回饋功率及燃料電池輸出的功率. 整個過程中燃料電池始終向外輸出能量，提供車輛運動的主要能量. 鋰電池在加速過程中以短時大功率輸出能量，在制動過程中以短時大功率吸收能量，整個過程中作為能量供給的緩沖器，輸出與吸收能量基本平衡.

圖9 混合動力觀光車運行功率曲線Fig. 9 Power curve of hybrid sightseeing car

圖10 為長時間運行鋰電池SOC曲線. 車輛運行起始SOC為70%，在運行過程中能量管理算法設(shè)定參考SOC為35%，當初始SOC高于參考SOC時，混合動力算法中鋰電池SOC分量計算結(jié)果為負值，使燃料電池平均輸出功率小于負載平均需求功率，鋰電池整體向外輸出能量，SOC下降. 當SOC趨近于參考SOC時，鋰電池SOC分量計算結(jié)果絕對值較小，燃料電池平均輸出功率與負載需求平均功率平衡，鋰電池SOC受具體工況影響在參考SOC附近波動.

圖10 鋰電池SOC曲線Fig. 10 Lithium battery SOC curve

圖11 為氫氣壓力與行駛時間的關(guān)系. 在整個循環(huán)運行工況下，車輛滿載進行實驗，平均速度約為18 km/h，運行時間4.5 ks，電機平均運行功率為2.2 kW/s，初始氫氣壓力28.3 MPa，末態(tài)氫氣壓力21.6 MPa，初始及終止時刻鋰電池SOC均為35%.車載儲氣瓶體積28 L，DC變換器效率為95%，由于鋰電池在整個過程中僅補充沖擊電流，鋰電池充放電效率損耗忽略不計，取環(huán)境溫度T= 298.15 K，理想氣體常數(shù)R= 8.314 kPa·L/（mol·K），氫氣熱值q=2.86 × 105J/mol. 將上述數(shù)據(jù)代入式（15）中，計算得電堆平均效率為ηstack= 48.15%.

圖11 氫氣壓力曲線Fig. 11 Hydrogen pressure curve

在該循環(huán)工況下，可根據(jù)速度、行駛時間、氫氣消耗量推算在僅依靠氫氣提供能量且滿載下車輛最大續(xù)航里程為94 km，實際使用中，由于氫氣瓶中氫氣無法完全消耗殆盡，實際續(xù)航里程會略小于該值，符合實驗測得最大續(xù)航里程88 km，整個過程消耗氫氣質(zhì)量660.0 g，平均每公里氫耗為7.5 g.

當設(shè)定調(diào)節(jié)系數(shù)為恒定0.50時進行運行測試，按上述方法計算燃料電池效率為46.79%，折算平均每公里氫耗為7.7 g，由于動態(tài)調(diào)節(jié)方法在控制過程中減小對鋰電池的反復充放功率，同時使燃料電池工作區(qū)間更加穩(wěn)定在高功率范圍，因此效率有所提升，單位距離氫耗有所下降，如表3所示.

表3 不同策略效率及氫耗對比Tab. 3 Comparison of efficiency and hydrogen consumption for different strategies

4 結(jié) 論

本文針對燃料電池相關(guān)特性，并結(jié)合實際工程中可能出現(xiàn)的問題，設(shè)計一種燃料電池混合動力車，將車輛劃分為燃料電池混合動力系統(tǒng)、氫氣儲存供給系統(tǒng)及信號控制系統(tǒng)，詳細闡述每部分系統(tǒng)的構(gòu)成及設(shè)計思路. 分析在不同工況下功率跟隨混合動力策略對于燃料電池輸出功率及鋰電池SOC波動的影響，提出一種基于荷電狀態(tài)偏差調(diào)節(jié)的實時功率跟隨策略，并在實際車輛運行中應用. 通過實際實驗測試數(shù)據(jù)驗證以上設(shè)計結(jié)構(gòu)及算法的可行性，結(jié)果表明該燃料電池混合動力車車可在實際工況下保持穩(wěn)定運行，在提供足夠運行功率的前提下，燃料電池功率變化平穩(wěn)，鋰電池SOC穩(wěn)定，延長燃料電池電堆及鋰電池組的工作壽命.

后續(xù)研究將考慮加入燃料電池及車輛各系統(tǒng)的在線故障診斷方法，提高整車系統(tǒng)的可靠性.