基于规则的混合型燃料电池汽车能量管理策略.pdf
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1、 第3 8卷 第3期 青 岛 大 学 学 报(工 程 技 术 版)V o l.3 8 N o.3 2 0 2 3年 9 月J O U R N A L O F Q I N G D A O U N I V E R S I T Y(E&T)S e p.2 0 2 3文章编号:1 0 0 6 9 7 9 8(2 0 2 3)0 3 0 0 7 5 0 6;D O I:1 0.1 3 3 0 6/j.1 0 0 6 9 7 9 8.2 0 2 3.0 3.0 1 1基于规则的混合型燃料电池汽车能量管理策略邓富昌,张校锋(广西科技师范学院职业技术教育学院,广西 来宾 5 4 6 1 0 0)摘要:针对燃料
2、电池存在的启停次数多和耐久性差等问题,本文主要对燃料电池与锂电池组合的混合驱动型燃料电池汽车能量管理策略进行研究。结合燃料电池汽车动力系统结构布置形式,通过使用AV L C r u i s e软件,搭建燃料电池汽车整车模型,并对燃料电池汽车能量管理策略进行分析,给出了能量管理控制策略工作流程。同时,通过M a t l a b D L L方式,将在M a t l a b/S i m u l i n k中制定的能量管理策略模型加载到整车仿真模型中,采用N E D C测试工况进行仿真分析。仿真结果表明,车辆在N E D C循环工况运行过程中,仿真车速与期望车速重合度较高,呈现出较好的车速跟随效果,满
3、足驾驶员对车速的需要,使动力电池S O C保持在合理范围内。改变仿真初始条件,当电池S O C初始值为7 5%,5 5%和4 5%时,氢气消耗量有所不同,最高可达2.1 3 1 k g/1 0 0 k m,该研究对实车能量控制具有一定的借鉴意义。关键词:燃料电池汽车;能量管理策略;动力系统;有限状态机;动力电池中图分类号:U 4 6 9.7 2 文献标识码:A 收稿日期:2 0 2 2 1 2 0 6;修回日期:2 0 2 3 0 3 2 6基金项目:广西科技师范学院科研基金资助项目(G X K S 2 0 2 2 QN 0 0 8)作者简介:邓富昌(1 9 8 7),男,硕士,主要研究方向为
4、新能源汽车技术。通信作者:张校锋(1 9 9 3),男,硕士,专任教师,主要研究方向为汽车馈能悬架及馈能减振器。E m a i l:3 0 4 5 5 7 7 9 1 8q q.c o m 与内燃机汽车相比,燃料电池电动汽车具有环保、节能的优势,虽然历史不长,但已成为新能源汽车开发的热点1。目前,我国也将燃料电池汽车作为当前汽车产业的发展方向2。能量管理策略是影响燃料电池汽车性能的核心3,燃料电池汽车能量管理策略大致分为基于规则的和基于优化的两种4 6。恒温器能量管理策略虽然具有规则简单、控制参数少和可靠性高7等优点,但缺乏对不同工况的灵活性8。近年来,许多人对燃料电池汽车能量管理控制策略进行
5、了探索和研究。刘静等人9采用恒温器控制策略,控制燃料电池的启停阈值及输出电流,并采用有限状态机策略,将燃料电池电动汽车划分为4种工作状态,利用禁忌搜索算法,对选定的参数进行优化,仿真结果证明电池和燃料电池的输出电流可以有效分配,降低了整车的运行成本;王善超等人1 0研究了恒温器型及功率跟随控制策略,并基于高级车辆仿真器(a d v a n c e d v e h i c l e s i m u l a t o r,A D V I S O R),对恒温器与功率跟随策略进行对比分析,分析结果表明恒温器与功率跟随策略相比,等效燃油消耗量较低,电池荷电状态(s t a t e o f c h a r
6、g e,S O C)浮动范围较大,在持续大负载低S O C情况下,S O C长期维持在较低水平,影响整车动力性能。基于此,本文以减少燃料电池启停次数,提高燃料电池耐久性为目标,制定一种结合有限状态机的恒温器能量管理策略,并搭建控制策略仿真模型,采用N E D C测试工况进行仿真分析,仿真结果证明了该能量管理策略可以实现较好的控制效果。该研究为设计合理易行的能量管理策略提供了技术基础。1 基于A V L C r u i s e的整车模型搭建1.1 燃料电池汽车动力系统构成目前,燃料电池汽车常用混合驱动形式1 1,混合型燃料电池电动汽车除了燃料电池,还配置了(如超级青 岛 大 学 学 报(工 程
7、技 术 版)第 3 8 卷电容、蓄电池等)蓄能装置1。在根据多电源配置进行的不同分类方式中,采用燃料电池与辅助蓄电池联合驱动形式的应用较为广泛1 2。将燃料电池与电池相结合,可以改善燃料电池电动汽车1 3。本文对燃料电池与锂电池组合的燃料电池汽车能量管理策略进行研究,在燃料电池汽车动力系统结构布置中,燃料电池可以为驱动电动机提供能量,而动力系统中另外配置的动力电池也可为驱动电机提供能量,充分体现了2种动力源组合布置方式的优势。1.2 整车仿真模型搭建AV L C r u i s e软件在电动汽车整车建模和仿真中突显优势1 4。本文使用AV L C r u i s e软件,搭建燃料电池汽车整车模
8、型。C r u i s e软件将汽车上的零部件模块化1 5,结合所研究燃料电池车型相关参数和燃料电池汽车动力系统结构布置方案,在AV L C r u i s e软件中的D e s k界面模块库中,选择搭建燃料电池车辆模型所需的模块,其主要包括D C/D C模块、车轮模块、监视器模块、电池模块、差速器模块、电动机模块、主减速器模块等。在选择的模型中,输入对应的参数,并结合燃料电池汽车不同部件之间信号的传递路线,进行机械和电气信号的连接。燃料电池汽车整车仿真模型如图1所示。图1 燃料电池汽车整车仿真模型 图1显示了该燃料电池汽车动力系统的结构布置形式、车辆所采用的2种动力源连接方式及车辆的驱动方式
9、等基本信息。本文使用M a t l a b/S i m u l i n k软件,搭建燃料电池汽车能量管理策略模型。C r u i s e 软件在与M a t l a b/S i m u l i n k联合使用中,有M a t l a b A P I、C r u i s e I n t e r f a c e、M a t l a b D L L几个常见的联合方式1 6。通过M a t l a b D L L方式,将AV L C r u i s e软件与M a t l a b/S i m u l i n k软件进行联合。在搭建的燃料电池汽车整车仿真模型中,加入M a t l a b C o n t
10、 r o l模块,用于加载燃料电池汽车能量管理策略生成的D L L文件。2 燃料电池汽车能量管理策略2.1 能量管理策略分析能量控制策略会随着燃料电池电动汽车动力系统结构形式的不同而有所不同1 7。本文所研究的燃料电池汽车,具有动力电池和燃料电池两种动力源,结合车辆动力系统结构布置形式,制定能量管理控制策略。基于规则的能量管理策略因计算量小,易于实现,广泛应用于燃料电池车的能量管理策略中1 8。基于恒温器的能量管理策略是最典型的基于规则的能量管理策略1 9,本文结合所研究燃料电池汽车动力系统结构形式,制定一种结合有限状态机的恒温器控制策略。在制定燃料电池汽车能量管理策略时,设置动力电池S O
11、C上限值S O Cm a x、S O C下限值S O Cmi n和燃料67 第3期 邓富昌,等:基于规则的混合型燃料电池汽车能量管理策略电池开启工作的S O C判断值S O Co n等逻辑值。根据蓄电池和燃料电池组合方式,通过设置逻辑门限值,把燃料电池汽车工作模式分为4种,能量管理策略主要控制逻辑如下:1)当驾驶员期望加速度Ac c不小于0时,若不满足车辆需求转矩Tr e q0的条件,则关闭燃料电池,此时燃料电池和蓄电池都不工作,电动机也处于关闭状态,该情况下的车辆处于停车模式。2)在车辆刚起步时,车辆需求转矩大于0。如果电池荷电状态S O CS O Cm a x值,则关闭燃料电池,由蓄电池为
12、驱动电机进行能量供应,燃料电池汽车在纯电动运行模式下工作。3)当满足车辆处于驱动状态,电池荷电状态S O CS O Co n,或者整车需求功率Pr e q大于等于功率门限值P1条件时,则开启燃料电池,使其在恒定功率Pf c下工作,Pf c=4 0 kW,为驱动电动机提供能量。不满足上述条件时,则关闭燃料电池,由动力电池单独为电动机提供能量。4)当驾驶员期望加速度Ac c0时,则进入制动模式。考虑动力系统动力电池可以实现制动能量的回收功能。通过对电池荷电状态S O C进行判断,若小于S O C上限值,则根据车辆加速度修正系数K1和车辆车速修正系数K2,判断是否通过电动机进行制动能量回收,若电机参
13、与制动,电机再生制动力不足部分则由机械制动力补充;如果大于S O C上限值,停止通过电动机实现制动能量回收,而是通过机械制动,防止蓄电池出现过度充电的情况。2.2 能量管理控制策略工作流程S t a t e f l o w是一种图形化的建模和仿真环境2 0,在制定能量管理策略时,本文根据设定的判断条件,采用S t a t e f l o w进行燃料电池汽车工作模式的切换。控制策略输入信号来自于燃料电池汽车整车模型,通过输入信号计算整车需求功率及整车需求转矩等值,并根据需求转矩、需求功率、电池S O C等信号进行燃料电池汽车工作模式的判断,当满足某个模式判断条件时,则进入该工作模式,并输出驱动电
14、机负荷信号、开关信号、修正后的制动压力信号等。能量管理控制策略工作流程如图2所示。图2 能量管理控制策略工作流程77青 岛 大 学 学 报(工 程 技 术 版)第 3 8 卷3 仿真分析3.1 仿真任务设置根据本文制定的能量管理策略,将能量管理控制策略模型生成为D L L文件,加载到燃料电池汽车整车仿真模型 M a t l a b C o n t r o l模块中,并根据输入和输出信号,完成控制模块信号的连接。采用N E D C工况作为燃料电池汽车仿真测试工况,在AV L C r u i s e软件中,添加并完成对仿真工况的设置。仿真车型基本参数如表1所示。表1 仿真车型基本参数整备/满载质量
15、/k g迎风面积/m2空气阻力系数CD前/后轮胎型号最高车速/(k mh-1)百米加速时间t/s最大爬坡度/%1 3 1 5/1 7 3 52.1 30.2 82 0 5/5 5 R 1 61 7 01 23 03.2 仿真结果分析本文设置蓄电池S O C初始值为6 0%,并进行仿真分析。燃料电池汽车加速性能仿真结果如图3所示,燃料电池汽车爬坡性能仿真结果如图4所示。图3 燃料电池汽车加速性能仿真结果 图4 燃料电池汽车爬坡性能仿真结果 结合图3并查看R e s u l t M a n g e r中仿真结果,燃料电池汽车在01 0 0 k m/h时加速时间为8.3 4 s。通过查看仿真结果s
16、u mm a r y中数据,车辆最高车速为2 1 3 k m/h。由图4可以看出,车辆最大爬坡度为3 5.4 9%,满足车辆动力性能要求,确保了车辆的动力性。在N E D C循环工况下,燃料电池汽车速度随时间变化曲线如图5所示,燃料电池汽车S O C随时间变化曲线如图6所示,燃料电池汽车氢气质量流量随时间变化曲线如图7所示,燃料电池汽车电机转矩随时间变化曲线如图8所示。图5 燃料电池汽车速度随时间变化曲线 图6 燃料电池汽车S O C值随时间变化曲线87 第3期 邓富昌,等:基于规则的混合型燃料电池汽车能量管理策略 图7 燃料电池汽车氢气质量流量随时间变化曲线 图8 燃料电池汽车电机转矩随时间
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