燃料電池公交車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配及策略研究

張?jiān)瑐?歐陽(yáng) 王鵬 鄧波 孫瀚文 樊杰

摘要：本文對(duì)燃料電池公交車主要?jiǎng)恿ο到y(tǒng)部件進(jìn)行了參數(shù)匹配，利用Matlab/Simulink軟件搭建了整車仿真模型，建立了功率跟隨控制、模糊邏輯控制方法，通過仿真對(duì)比分析了兩種控制策略下車輛的整車性能。結(jié)果表明，在模糊邏輯控制策略下燃料電池更多處于最佳功率輸出區(qū)間內(nèi)，啟動(dòng)頻率降低;整車百公里氫耗較功率跟隨控制下降4.7%，提升了整車經(jīng)濟(jì)性，為燃料電池公交車控制策略開發(fā)提供了理論參考。

關(guān)鍵詞：燃料電池公交車;動(dòng)力系統(tǒng);功率跟隨控制;模糊邏輯控制;仿真

中圖分類號(hào)：U472.4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）11-0031-05

0? 引言

介于燃料電池動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢、電流單向輸出不能實(shí)現(xiàn)能量回收等特性[1]。本研究選取了燃料電池與動(dòng)力蓄電池混合驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式，驅(qū)動(dòng)能量來源于燃料電池與動(dòng)力蓄電池輸出的電能，驅(qū)動(dòng)動(dòng)力來源于驅(qū)動(dòng)電機(jī)將電能轉(zhuǎn)化的機(jī)械能。為實(shí)現(xiàn)燃料電池工作在最優(yōu)效率區(qū)間，整車能量分配需滿足以下幾種模式：①當(dāng)電機(jī)需求功率較大時(shí)，由燃料電池與動(dòng)力蓄電池共同提供功率輸出，若動(dòng)力蓄電池SOC過高，由動(dòng)力蓄電池單獨(dú)提供;②當(dāng)電機(jī)需求功率與燃料電池高效率區(qū)輸出功率相近時(shí)，由燃料電池提供能量;③當(dāng)電機(jī)SOC較低時(shí)，燃料電池提供整車能量所需同時(shí)向動(dòng)力蓄電池補(bǔ)充電量[2-4]。為研究怎樣的控制策略能更好實(shí)現(xiàn)上述工作模式，本文分析了功率跟隨控制與模糊邏輯控制策略下整車性能表現(xiàn)。選用的研究對(duì)象為8.5m燃料電池公交車，對(duì)其動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行了參數(shù)匹配，通過仿真分析驗(yàn)證了模糊邏輯控制的優(yōu)越性。

1? 整車參數(shù)及指標(biāo)要求

燃料電池公交車基本參數(shù)如表1所示。需達(dá)到的性能技術(shù)指標(biāo)如表2所示。

2? 燃料電池公交車主要?jiǎng)恿Σ考ヅ?/p>

2.1 動(dòng)力系統(tǒng)形式的選取

本文選用燃料電池和動(dòng)力蓄電池混合驅(qū)動(dòng)車輛行駛的動(dòng)力系統(tǒng)，如圖1所示。該動(dòng)力系統(tǒng)相比于燃料電池作為單一能量源，能有效避免應(yīng)單一能源造成的整車性能不足、無法進(jìn)行能量回收等問題。并能在不同的工況、不同功率需求下采用不同的能量輸出模式。

2.2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的參數(shù)匹配

驅(qū)動(dòng)電機(jī)是燃料電池公交車行駛的動(dòng)力來源，為滿足車輛的正常行駛所需，驅(qū)動(dòng)電機(jī)在低速行駛、坡道行駛等工況下需提供較大的扭矩輸出，在加速工況中需提供較大的功率輸出，同時(shí)應(yīng)具有較大的調(diào)速區(qū)間。驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)匹配主要對(duì)電機(jī)的峰值轉(zhuǎn)速、額定功率、峰值功率、峰值扭矩進(jìn)行選擇。

2.2.1 最高轉(zhuǎn)速

驅(qū)動(dòng)電機(jī)最高轉(zhuǎn)速需結(jié)合車輛最高行駛車速進(jìn)行選定，見公式（1）。

根據(jù)表2車輛的性能技術(shù)指標(biāo)需求，結(jié)合公式（1）計(jì)算得到電機(jī)最高轉(zhuǎn)速nmax=2426r/min。查詢市場(chǎng)上主流電機(jī)相關(guān)參數(shù)，確定電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速為2500r/min，電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為1000r/min。

2.2.2 額定功率

電機(jī)的額定功率需滿足車輛在滿載最高車速下行駛所需功率。如公式（2）。

即：P額定=58kW

2.2.3 峰值功率

電機(jī)的峰值功率需滿足車輛能在爬坡、加速等工況下正常行駛。

①最大爬坡度所需功率。依據(jù)表2車輛的性能技術(shù)指標(biāo)需求，車輛在15%坡度半載狀態(tài)下能夠以20km/h車速正常行駛，此時(shí)車輛的需求功率，如公式（3）。

計(jì)算得到此時(shí)車輛的需求功率P1=103kW。

②滿足加速性能所需功率。依據(jù)汽車行駛阻力平衡方程，得到車輛加速度的推導(dǎo)式，如公式（4）。車輛加速行駛時(shí)間按公式（5）積分得到。

根據(jù)表2車輛的性能技術(shù)指標(biāo)需求，（0～50）km/h的加速時(shí)間為15s，結(jié)合公式（4）、公式（5）計(jì)算得到整車的需求功率P2=114.6kW。

通過上述計(jì)算得到車輛在爬坡、加速工況下所需功率，驅(qū)動(dòng)電機(jī)峰值功率需滿足上述設(shè)計(jì)要求，即：

2.2.4 峰值轉(zhuǎn)矩

驅(qū)動(dòng)電機(jī)最大輸出扭矩需滿足整車在最大爬坡度情況下的扭矩所需，即滿足車輛在半載、車速為20km/h、爬坡度為15%的扭矩需求，如公式（6）。

即：Tmax？叟1418N·m

為保證車輛安全行駛，驅(qū)動(dòng)力需小于地面附著力，如公式（7）所示。

式中μ取0.5，即：Tmax？燮4350N·m

最終得到：

2.2.5 電機(jī)參數(shù)

結(jié)合上述計(jì)算，驅(qū)動(dòng)電機(jī)需滿足以下參數(shù)要求，如表3所示。

最后確定市場(chǎng)上某款永磁同步電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，其電機(jī)基本參數(shù)如表4所示。

2.3 動(dòng)力蓄電池的參數(shù)匹配

車輛在劇烈工況下行駛時(shí)對(duì)電池的需求功率最大，本文以車輛在15%坡道行駛下所需的功率來確定動(dòng)力蓄電池最高輸出功率。如公式（8）、公式（9）所示：

式中：α=0.1489（15%），v=20（km/h），L=4km。

通過計(jì)算得到Pbattery=105kW，Ebattery=21kWh

考慮到動(dòng)力蓄電池的使用壽命，按85%可使用電量進(jìn)行控制，可得電池的額定電量，如公式（10）：

即E額>24.7kWh

根據(jù)上述計(jì)算，選用某款鎳氫電池作為燃料電池客車的動(dòng)力蓄電池，基本參數(shù)如表5所示。

2.4 燃料電池的參數(shù)匹配

本文研究的對(duì)象為8.5m燃料電池公交，基于公交車多數(shù)情況以低速行駛。故以車輛在平整路面滿載40m/h正常行駛工況下所需的功率值作為燃料電池額定功率值。如公式（11）所示。

即：PFC=25.7kW

通過上述計(jì)算，選用某款額定功率為30kW的燃料電池進(jìn)行車輛匹配。

3? 整車模型建立及仿真分析

3.1 整車模型建立

本文采用Matlab/Simulink軟件完成燃料電池公交車模型的建立，如圖2所示。目標(biāo)工況采用中國(guó)典型城市公交工況[5]，如圖3所示。其中，工況模型導(dǎo)入工況數(shù)據(jù)為整車仿真模型提供目標(biāo)車速輸入。駕駛員模型模擬實(shí)際駕駛員操作，根據(jù)目標(biāo)車速控制車輛實(shí)際車速。同時(shí)搭建了控制器模型、整車動(dòng)態(tài)模型、驅(qū)動(dòng)電機(jī)模型、燃料電池模型、動(dòng)力蓄電池模型。

3.2 控制模型建立

3.2.1 功率跟隨控制

以車輛需求功率為輸入，結(jié)合燃料電池、動(dòng)力蓄電池運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)行功率分配，建立整車功率跟隨控制邏輯，如圖4所示。

3.2.2 模糊邏輯控制

建立模糊邏輯控制模型，以電機(jī)需求功率P、動(dòng)力蓄電池SOC為輸入，以燃料電池的請(qǐng)求功率和電機(jī)功率比值K為輸出。

①變量模糊化。根據(jù)上述計(jì)算可得，驅(qū)動(dòng)電機(jī)需求功率P的范圍為P∈[0，1.5×102]kW，動(dòng)力蓄電池輸入變量SOC∈[0，1]。電機(jī)需求功率P模糊分布設(shè)定為7個(gè)，即零、正很小、正小、正中、正較大、正大，用ZO、SS、PS、PM、B、PB對(duì)應(yīng)表示;動(dòng)力蓄電池SOC模糊分布設(shè)定為4個(gè)，即低、較低、中、高，用L、LS、M、H對(duì)應(yīng)表示;輸出變量K，其模糊集為{0，0.2，0.3，0.4，0.5，0.7，1，1.3，1.4，1.5，1.6}，數(shù)據(jù)選取是經(jīng)查閱文獻(xiàn)和利用經(jīng)驗(yàn)法所得[6-10]。②隸屬度函數(shù)。為使控制更為準(zhǔn)確，本文采用非均勻分布的隸屬度函數(shù)，構(gòu)建的電池SOC和電機(jī)需求功率P如圖5所示。③模糊控制規(guī)則。搭建模糊邏輯控制規(guī)則庫(kù)，如表6所示。

在MATLAB/Simulink中將設(shè)計(jì)好的模糊控制策略搭建成模糊控制仿真模型，如圖6所示。

3.3 仿真結(jié)果

兩種控制策略下整車主要性能指標(biāo)仿真結(jié)果如圖7～圖12所示。

仿真發(fā)現(xiàn)，兩種控制策略下車輛均能跟隨工況行駛，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求。在模糊邏輯控制下車輛的動(dòng)力性能略有下降，經(jīng)濟(jì)性較功率跟隨控制有較大的提升。整車動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性仿真結(jié)果如表7所示。

4? 結(jié)論

本文主要對(duì)8.5m燃料電池公交車的動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行了參數(shù)匹配的設(shè)計(jì)與部件選型，利用Matlab/Simulink進(jìn)行了整車仿真模型搭建，完成了模糊邏輯控制策略的設(shè)計(jì)。進(jìn)行了功率跟隨控制策略和模糊邏輯控制策略下整車的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性仿真分析。結(jié)果表明，模糊邏輯控制策略下燃料電池工作點(diǎn)更多處在高效率區(qū)間內(nèi)，較功率跟隨控制策略百公里氫耗降低了4.7%，為燃料電池公交車控制策略的開發(fā)、建模、優(yōu)化提供參考。

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