燃料電池汽車混合動力系統(tǒng)參數(shù)匹配與優(yōu)化

1、新能源汽車燃料電池汽車混合動力系統(tǒng)參數(shù)匹配與優(yōu)化王 平 黃小楓 (武漢理工大學(xué),武漢 430070)=摘要> 首先分析燃料電池的特性得出了動力總成結(jié)構(gòu)配置的優(yōu)化解決方案,并且根據(jù)設(shè)計性能要求進(jìn)行動力總成主要部件基本參數(shù)設(shè)計;最后基于典型的客車循環(huán)工況,建立燃料電池混合動力系統(tǒng)的優(yōu)化模型,采用序列二次規(guī)劃算法對混合動力系統(tǒng)的兩種能量管理策略進(jìn)行優(yōu)化仿真,其結(jié)果符合設(shè)計要求。=Abstract> Firstly,aconfigurationschemeofhybridpowertrainsystemisadoptedbasedontheanalysisofthecharacterist

2、icoffuelcel.lThenaccordingtotheperformancerequirementsoffuelcellvehicle,theappropriatetypesofmajorpowercomponentsareselectedandtheirbasicparametersaredefined.Finally,basedonthetypicalbusdrivingcycle,anoptimizationmodelforthepowertrainofFCVisbuil.tByusingsequentialquadraticprogrammingalgorithm,anopti

3、mizationsimulationontwodifferentenergymanagementstrategiesforafuelcellvehicleisconducted.Theresultsmeetthepracti2caldesignrequirements.=主題詞> 混合動力 燃料電池 汽車 動力系統(tǒng)增加峰值功率系統(tǒng)(PPS),不僅可以吸收回饋能1 燃料電池汽車動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)配置燃料電池作為車用動力電源有效率高、污染小、動力傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單等諸多優(yōu)點,但在實際應(yīng)用中也存在一些問題1量、降低成本,而且可以彌補(bǔ)FCE啟動時間長、動態(tài)響應(yīng)差的缺點。采用這種結(jié)構(gòu)的動力系統(tǒng)稱為燃料電池

4、混合動力系統(tǒng)。/燃料電池+動力蓄電池0是目前研發(fā)的燃料電池混合動力系統(tǒng)主要構(gòu)型2。,主要有如圖1(1)燃料電池的輸出特性偏軟,作為車用電源,無法滿足負(fù)載頻繁劇烈的變化,因此必須在電機(jī)控制器和燃料電池之間增加必要的功率部件進(jìn)行阻抗匹配。(2)車用燃料電池作為單一電源其啟動時間長、動態(tài)響應(yīng)速度較慢,無法滿足車輛運(yùn)行過程中負(fù)載的快速變化需求;燃料電池功率密度較低、成本高,若僅以燃料電池滿足峰值功率需求,勢必會造成整備質(zhì)量和成本的增加;無法吸收回饋能量,不能實現(xiàn)制動能量的回收。在燃料電池發(fā)動機(jī)(FCE)和電機(jī)控制器之間所示4種結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)(a)、(b)和(c)中,燃料電池和驅(qū)動系統(tǒng)都是間接連接,可以在一

5、些特定條件下的場地車上使用,但受目前燃料電池技術(shù)水平的限制,這3種動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)難以在功率需求和功率波動都比較大的車型上實現(xiàn)。結(jié)構(gòu)(d)的優(yōu)點是:蓄電池可回收再生制動的能量和吸收燃料電池富裕的能量;蓄電池組作為燃料電池發(fā)動機(jī)的輸出功率平衡器,調(diào)節(jié)燃料電池發(fā)動機(jī)的效率與動態(tài)特性,改善整車燃料經(jīng)濟(jì)性,提高動態(tài)響應(yīng)速度。對于本文所研究的燃料電池汽車,其車型的收稿日期:2010-01-05上海汽車 2010103#7#新能源汽車圖1 燃料電池混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)整車參數(shù)及動力性指標(biāo)如表1所示。表1 整車參數(shù)和設(shè)計性能要求最高車速(km/h)80整車滿載總質(zhì)量(kg)14960加速時間(050km/h/s)3

6、0迎風(fēng)面積(A/m2)6.15最大爬坡度(%)20空氣阻力系數(shù)(CD)0.65車輪滾動半徑(m)主減速比(i0)2 燃料電池混合動力系統(tǒng)參數(shù)匹配2.1 電機(jī)參數(shù)設(shè)計目前,可用作車用驅(qū)動電機(jī)的有直流電機(jī)、交流感應(yīng)電機(jī)、永磁同步電機(jī)、直流無刷電機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)等。交流異步電機(jī)由于結(jié)構(gòu)簡單、堅固且控制性能好,被歐美國家廣泛采用。永磁同步電機(jī)和直流無刷電機(jī)能量密度和效率較高,在日本得到廣泛應(yīng)用。開關(guān)磁阻電機(jī)應(yīng)用較少3。電機(jī)是燃料電池汽車驅(qū)動的唯一動力,需要滿足起步、怠速、加速、勻速、減速、爬坡等工況的要求。通常適用于電動車輛使用的電機(jī)外特性如圖2所示。在額定轉(zhuǎn)速nN以下,以恒轉(zhuǎn)矩模式工作,在額定轉(zhuǎn)速n

7、N以上,以恒功率模式工作。相應(yīng)電機(jī)的參數(shù)選擇包括:電機(jī)額定功率PN、電機(jī)最大功率Pmax、電機(jī)額定轉(zhuǎn)速nN、和電機(jī)最高轉(zhuǎn)速nmax。2.1.1 電機(jī)最大功率和額定功率的確定燃料電池電動客車電機(jī)的最大功率的確定,#8#圖2 電機(jī)外特性必須按照性能指標(biāo)的要求,滿足最高車速時的功率要求Pe;并且能為車輛提供加速功率Pa和爬坡功率Pc,因此功率參數(shù)的選擇要依照車輛具體的行駛工況,對比各工況下的需求功率值,考慮傳動系效率,選擇其中的最大值作為最大功率值即:PmaxMax(Pe,Pa,Pc)(1)汽車行駛功率平衡方程式如下:p=1GT(Gfu3600+Giu3600+C3DAu76140+Dmudu360

8、0dt)(2)(1)若給出最高車速,忽略加速阻力和上坡阻力:PGfu3maxCDAumaxe=GT(3600+76140)=93kW(3)(2)若給出最大爬坡度,則滿足車輛爬坡性能時忽略空氣阻力和加速阻力:PGfustabGiustabC=1GT(3600+3600)=155kW(4)式中,ustab為最小穩(wěn)定車速?；谝陨嫌嬎?取Pmax=160kW(3)若要滿足車輛的加速性能要求,則在水平良好路面上,車輛的行駛加速度計算式為:Ft-Fw-FfPdt=t-Pw-PfDm=uDm(5)則車輛由起步加速到車速u的加速時間為:t=uu3.60(dt)du=3.60Pdu(6)tu-Fw-Ff應(yīng)用計

9、算機(jī)編程,電機(jī)功率取額定值,計算得加速時間為23.8s,則此電機(jī)的功率滿足車輛的加速性能要求。電機(jī)額定功率的選取要考慮到車輛的實際行駛狀況,使車輛的經(jīng)常行駛功率與電機(jī)的經(jīng)濟(jì)區(qū)上海汽車 2010103新能源汽車對應(yīng),即車輛經(jīng)常使用工況下電機(jī)能以經(jīng)濟(jì)的負(fù)載率運(yùn)行。通常,電機(jī)額定功率可按照巡航車速來選取,巡航車速一般為0.60.8umax。以巡航車速u=50km/h行駛時所需的功率為驅(qū)動電機(jī)的額定功率:功率級別?；旌闲褪较?燃料電池功率滿足車輛持續(xù)最高車速行駛時的功率需求即可:PFCEGfumaxCDAumax=(+)=99kWG360076140DCFGmPN=GT(3600+CDAu76140)

10、=46kW(7)2.1.2 電機(jī)額定轉(zhuǎn)速和最高轉(zhuǎn)速確定電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速對電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩和傳動系尺寸都有影響。在額定功率一定的前提下,最高轉(zhuǎn)速越低,對應(yīng)的電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩越大,一方面對電機(jī)的支撐要求越高,另一方面要求更大的電機(jī)電流和電力電子設(shè)備電流,增加了功率變換器的尺寸和損耗。但車輛起步加速和穩(wěn)定運(yùn)行需要電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩減小,只能通過選用高速電機(jī)來解決,這又會增加傳動系尺寸,所以必須綜合考慮最高車速和傳動系尺寸。通過上式計算結(jié)果,考慮到電機(jī)的負(fù)荷率、負(fù)載變化范圍大、車輛應(yīng)有一定的加速爬坡能力等因素,電機(jī)的功率應(yīng)比計算值大。電機(jī)的最大功率只代表當(dāng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速高于基速時的過載能力,電機(jī)以最大功率連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的時間

11、不能超過3060s,因此車輛實際行駛過程中要求電機(jī)的過載時間不能太長。初步選定電機(jī)額定功率100kW,最大功率160kW,額定轉(zhuǎn)速為1860r/min,最高轉(zhuǎn)速為4800r/min,額定轉(zhuǎn)矩為650Nm,最大轉(zhuǎn)矩為850Nm,額定效率94%。2.2 燃料電池發(fā)動機(jī)參數(shù)設(shè)計研究成果表明能作為車用電源的最佳燃料電池是質(zhì)子交換膜型燃料電池(PEMFC)3。燃料電池作為單一電源的凈輸出功率PFCE應(yīng)滿足:PFCEGDCFPmaxrG+PA=187kW(8)m式中,GDCF為DC/DC效率;Pmaxr為最大需求功率;Gm為電機(jī)及其逆變器效率;PA為輔助設(shè)備功率消耗?？紤]燃料電池的制造成本和比功率等因素,

12、在滿足設(shè)計性能要求的基礎(chǔ)上,應(yīng)盡可能降低其上海汽車 2010103(9)2.3 動力蓄電池參數(shù)設(shè)計混合動力電動汽車上的動力蓄電池有兩種工作模式:輔助動力模式和雙動力模式。前者偏重蓄電池的功率特性,后者還要求蓄電池具有一定的能量特性。本動力系統(tǒng)采用輔助動力模式。輔助動力模式下的動力蓄電池,要求電池具有瞬間大電流充放電的能力,雖然充放電電流很大,但由于持續(xù)時間都較短,因此電池SOC的波動范圍不大。目前可以作為車用輔助動力源的蓄電池有:鉛酸電池、鎳氫電池、鋰離子電池。其中鋰離子電池具有較出色的功率能量性能,但存在使用安全的問題1。對蓄電池的參數(shù)設(shè)計主要有3個性能要求:電壓等級、功率需求和能量需求。首

13、先,電池電壓等級要與電機(jī)的電壓等級保持一致,其次就是最大充放電功率要滿足電機(jī)的功率需求和能量需求。理論上,電機(jī)的峰值功率越大,電氣系統(tǒng)的電壓等級越高,對保證電流不超過一定限值是有利的,但是電壓等級也不能超過電氣系統(tǒng)的最高電壓限值。研究統(tǒng)計表明4,串并聯(lián)結(jié)構(gòu)的混合動力客車及其純電動汽車,電壓等級為300650V。作為混合動力系統(tǒng)的PPS,蓄電池最大放電功率必須滿足:PmaxrBAPG+PA-PFCE=122kW(10)m同時蓄電池還必須具備一定的充電功率,以吸收制動時的回饋能量?？紤]到電池的特性和電機(jī)的回饋功率,充電功率應(yīng)大于70kW。輔助動力模式情況下,對蓄電池的能量要求不像功率要求那么嚴(yán)格,

14、一般可以滿足需要。通過以上匹配計算確定混合動力系統(tǒng)主要部件參數(shù),如表2所示。#9#新能源汽車表2 燃料電池混合動力系統(tǒng)主要部件參數(shù)交流電機(jī)峰值功率(kw)額定功率(kw)最高轉(zhuǎn)速(r/min)額定轉(zhuǎn)速(r/min)160100蓄電池(鎳氫)額定電壓(V)額定容量(Ah)315額定功率(kW)30130最大功率(kW)1860最大充電功率(kW)801204800最大放電功率(kW)100燃料電池發(fā)動機(jī)3.2 控制策略不同的控制策略對整車相應(yīng)的零部件的性能和要求不同,串聯(lián)式混合動力汽車采用的典型的兩種能量管理策略有開關(guān)式控制策略和功率跟隨式控制策略5。3 燃料電池混合動力系統(tǒng)優(yōu)化(1)開關(guān)式控制

15、策略。發(fā)動機(jī)開關(guān)由電池SOC的上下限決定,發(fā)動機(jī)工作時,其工作在最佳3.1 優(yōu)化模型優(yōu)化設(shè)計以滿足動力性指標(biāo)為前提,以給定的循環(huán)工況作為輸入,以燃料消耗量最小為優(yōu)化目標(biāo),即:Min-e(PFCE-out(t)(11)t其中e(P)=PFCE_out(t)FCE(t)dt(12)GFCE(t)有以下5個約束條件:(1)由能量守恒得:PFCEGDCEGmGtrain+pbatGmGtrain-pwhe(13)(2)維持蓄電池SOC值運(yùn)行前后不變:tQ0ibat(t)dt=0(14)(3)燃料電池發(fā)動機(jī)的功率約束:pFCE_minpFCEpFCE_max(15)d(pFCE_out(t)dt$pFC

16、E(16)(4)動力蓄電池的工作邊界:Ubat_dis_minUbatUbat_dis_max(17)ibat_cha_maxibatibat_dis_max(18)(5)電動機(jī)的工作邊界:Xm_mXm_max Xm_gXg_max(19)|Tm_m|Tm_max |Tm_g|Tg_max(20)式中,Pbat為蓄電池功率,GFCE為燃料電池發(fā)動機(jī)效率,ibat為充放電電流,Ubat_dis_min為放電截止電壓,Ubat為充放電電壓,ibat_cha_max為最大充電電流,Ubat_cha_max為充電截止電壓,ibat_dis_max為最大放電電流,PFCE_out為輸出功率,Xm_m為電

17、動轉(zhuǎn)速,Xm_g為發(fā)電轉(zhuǎn)速,Tm_m為電動轉(zhuǎn)矩,Tm_g為發(fā)電轉(zhuǎn)矩,Xg_max為發(fā)電最大轉(zhuǎn)速,Tg_max為發(fā)電最大轉(zhuǎn)矩,PFCE_min為最小輸出功率,PFCE_max為最大輸出功率,$PFCE為最大輸出功率變化率。#10#燃料經(jīng)濟(jì)性點上,該控制策略主要由蓄電池來跟隨和響應(yīng)整車的功率需求。(2)功率跟隨式控制策略。由功率需求和電池SOC決定發(fā)動機(jī)啟停,發(fā)動機(jī)工作時處在最佳燃料經(jīng)濟(jì)性曲線上,且盡量維持蓄電池SOC在設(shè)定的值,以保證續(xù)駛里程。通過對比分析不同的控制策略以及控制參數(shù)的優(yōu)化結(jié)果,綜合考慮和分析得到適合不同設(shè)計需求的零部件選型和優(yōu)化方案。3.3 優(yōu)化結(jié)果分析針對上面的優(yōu)化問題及控制策

18、略,對其建立整車、零部件以及控制策略的模型;并基于Advisor庫中NYCC、ECE和NewYorkBUS3種具有代表性的城市循環(huán)工況相加進(jìn)行優(yōu)化仿真,采用MAT2LAB優(yōu)化工具箱中的序列二次規(guī)劃(SQP)算法作為優(yōu)化問題的求解器,設(shè)計變量主要包括燃料電池發(fā)動機(jī)功率PFCE、動力蓄電池單體數(shù)量nbat以及SOC值域,對兩種控制策略進(jìn)行比較分析其優(yōu)化結(jié)果如表3所示。表3 不同控制策略的優(yōu)化結(jié)果控制策略優(yōu)化結(jié)果燃料經(jīng)濟(jì)性FC:98kW開關(guān)式FC:102kWBat:28模塊336V開關(guān)式控制策略一般應(yīng)用于燃料電池發(fā)動機(jī)動態(tài)響應(yīng)差、以蓄電池為主要動力源的能量混合型車型,因此一般采用比較大的蓄電池。對于

19、這種控制策略,當(dāng)電池SOC在0.30.7之間時,意味著蓄電池需要在很大范圍內(nèi)提供動力,該控制上海汽車 2010103新能源汽車方式下,燃料電池很少參與工作,大部分工況由蓄電池提供動力;而當(dāng)電池SOC在0.40.6之間時,由于SOC控制范圍小,即蓄電池的工作范圍比較小,最終優(yōu)化得到的蓄電池模塊數(shù)相對于電池SOC在0.30.7的控制策略少。電池SOC在0.30.7之間時,主要由蓄電池提供動力,電池容量大,充放電電流小,效率高,且電量的消耗均在燃料電池最高效率點補(bǔ)充,所以經(jīng)濟(jì)性好;而電池SOC在0.40.6之間時,蓄電池容量小,充放電右,雖然兩種不同的控制策略導(dǎo)致基于工況的主要功率輸出部件不同,但由

20、于動力性指標(biāo)的限制,最終的結(jié)果零部件的功率等級都較高。電流大,效率低,且發(fā)動機(jī)啟動和停止時,由于有功率變化率的限制,消耗的燃料也多,所以經(jīng)濟(jì)性比電池SOC在0.30.7之間差,見圖3。圖3 開關(guān)控制策略結(jié)果功率跟隨式控制策略適用于燃料電池發(fā)動機(jī)有較好的動態(tài)響應(yīng),以燃料電池發(fā)動機(jī)為主要動力源,且為中度或輕度混合的車型。該控制策略要求燃料電池能提供大部分的驅(qū)動能量,由圖4可以看到,燃料電池提供了大部分的能量,蓄電池用來彌補(bǔ)燃料電池不足的功率需求,其功率輸出基本在20kW以下,且電池SOC基本維持在0.5附近。0.6之間得到的經(jīng)濟(jì)性好,但比電池SOC在0.30.7之間的經(jīng)濟(jì)性差。由于工況的平均功率需求為50kW左右,為了滿足動力