燃料電池汽車能量管理測評研究分析

吳詩雨 郭婷 王國卓 聶振宇 王志軍

（1.中國汽車技術研究中心有限公司，天津 300300；2.中汽研汽車檢驗中心（天津）有限公司，天津 300300）

主題詞：燃料電池汽車 能量管理 測試評價

縮略語

SOC Stateof Charge

FC Fuel Cell

B Battery

C Capacitance

FCV Fuel Cell Vehicle

NEDC New European Driving Cycle

CLTC China Light-duty vehicle Test Cycle

1 前言

隨著“碳達峰、碳中和”目標的提出，新能源汽車的研發(fā)與應用凸顯了越來越重要的角色。燃料電池技術由于其自身的清潔、高效和能量密度大的特點，受到了世界各國政府和汽車行業(yè)的關注。在日本，豐田和本田兩大汽車制造商分別研發(fā)出Mirai和Clarity兩款燃料電池汽車，其中豐田Mirai已經(jīng)實現(xiàn)上市量產(chǎn)[1]；在韓國，現(xiàn)代公司研發(fā)生產(chǎn)的NEXO燃料電池汽車也具備了全球的領先技術水平；美國也于2006年啟動了國家燃料電池公共汽車計劃，加強對燃料電池技術的研發(fā)與應用；我國政府高度重視燃料電池技術的發(fā)展，制定了“中國至2050年能源科技發(fā)展路線圖”等一系列政策[2]，濰柴、上汽、廣汽、長城等國內(nèi)企業(yè)都在燃料電池汽車技術的研發(fā)方面進行了大量的投入。

本文對現(xiàn)有燃料電池汽車的能量管理策略和典型車輛能量流測試進行了綜述分析，對燃料電池汽車能量流的測試工況和測評指標進行解析，研究內(nèi)容有利于促進燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)的研發(fā)與應用。

2 FCV動力系統(tǒng)方案

燃料電池汽車的動力源主要有燃料電池、動力電池和超級電容?，F(xiàn)有的燃料電池汽車動力方案主要有以下4種[3]：

（1）燃料電池發(fā)動機作為整車的動力來源；

（2）燃料電池和動力電池共同作為整車的動力來源，即“FC+B”模式[4]；

（3）燃料電池和超級電容共同為整車提供動力，即“FC+C”模式[5]；

（4）燃料電池、動力電池和超級電容一同作為整車的動力來源，即“FC+B+C”模式[6-7]。

上述4種驅(qū)動模式的結(jié)構圖如1所示。

圖1 燃料電池汽車驅(qū)動模式結(jié)構[8]：

考慮到現(xiàn)有技術的發(fā)展情況，單純的燃料電池驅(qū)動模式受限于燃料電池的工作特性、外部環(huán)境的影響，不能很好的滿足整車行駛過程中的動力需求，而超級電容技術與燃料電池和動力電池相結(jié)合的弊端尚未得到很好的解決。因此，當前燃料電池汽車的主流動力模式為“燃料電池+動力電池”模式。

表1 4種驅(qū)動模式的特點

3 FCV能量管理控制策略

目前，燃料電池汽車的控制策略主要分為兩大類[8]：基于規(guī)則的能量管理策略和基于優(yōu)化的能量管理策略?；谝?guī)則的能量管理策略是指通過判斷動力電池的SOC狀態(tài)，并結(jié)合車輛行駛過程中的功率需求以確定燃料電池系統(tǒng)的工作狀態(tài)?；趦?yōu)化的能量管理策略是指以整車的等效氫氣消耗量或其它指標為優(yōu)化目標，通過能量管理策略的優(yōu)化，以實現(xiàn)氫氣消耗量最小，這種管理策略包括瞬時優(yōu)化管理策略、全局優(yōu)化管理策略和基于工況的實時優(yōu)化管理策略。

在能量管理策略方面，研究學者進行了大量的研究工作?？讕r[9]對4種燃料電池基本控制策略進行了原理分析，并分析了4種策略的改進方法。田建國[10]等通過匹配燃料電池客車動力電池的電量和燃料電池發(fā)動機功率跟隨特性，為其公司的某燃料電池客車建立了運動模式和經(jīng)濟模式兩種能量管理策略，即大負荷工況時增大燃料電池發(fā)動機的功率，而中低負荷下使燃料電池的氫氣消耗量最低，這樣既滿足了中低負荷下的整車經(jīng)濟性能，又為大負荷行駛過程提供了足夠的動力，延長了大負荷行駛時間。楊琨[11]等利用Simulink軟件，對某10.5 m燃料電池客車的動力系統(tǒng)進行了仿真分析，建立了整車氫氣消耗量為優(yōu)化指標的能量管理方案。呂沁陽[12]等建立了基于改進動態(tài)規(guī)劃算法的能量管理策略，兼顧了整車的經(jīng)濟性與耐久性，在略微提高整車能耗的條件下，極大地改善了整車的性能的衰退程度。

4 測試工況及數(shù)據(jù)分析

4.1 測試工況

我國現(xiàn)有燃料電池汽車以商用客車類型為主，轎車的研發(fā)款式和類型相對較少，燃料電池整車的測試項目尚處于研發(fā)測試階段。結(jié)合目前整車廠的研發(fā)測試需求，能量管理的測試工況主要包括NEDC工況和CLTC工況。每種工況中包括啟停工況、怠速工況、加速工況、減速工況以及高低速工況，不同的工況下，燃料電池整車的能量管理分配策略不同，進而實現(xiàn)對整車性能的優(yōu)化控制。圖2為NEDC和CLTC速度時間曲線。

圖2 NEDC和CLTC工況速度-時間曲線

4.2 典型FCEV能量管理分析

如圖3所示，Tomohiro Ogawa[13]等研究了豐田巴士功率分配的設計大綱曲線。他們指出，該車輛功率分配的設計思路分為3個階段：

圖3 豐田巴士電力性能設計大綱[13]

（1）隨著整車功率需求的增大，燃料電池系統(tǒng)的功率逐漸提高，以滿足車輛動力需求，此時燃料電池電壓逐漸降低，動力電池不對外輸出，SOC狀態(tài)保持不變。隨著燃料電池系統(tǒng)的電壓下降到限定電壓值時，燃料電池功率保持不變。此時，整車的額外需求功率由動力電池提供，動力電池功率輸出逐漸增加。

（2）整車功率需求保持不變，保持最大需求，此時燃料電池系統(tǒng)的輸出功率和動力電池系統(tǒng)的輸出功率保持不變，動力電池SOC逐漸降低。

（3）整車功率需求保持不變，動力電池SOC過低，小于其最低值。此時，燃料電池電壓暫時降低以提高燃料電池功率，進而滿足整車需求。

美國阿貢實驗室[14]對2017款豐田Mirai燃料電池汽車進行了實車試驗。研究了在長時間怠速運行工況下車輛速度、燃料電池功率、燃料電池電壓、氫氣泵功率、空壓機功率隨時間的變化。通過試驗發(fā)現(xiàn)，當動力電池SOC下降至45.5%時，該車輛燃料電池開始啟動，維持6～10 kW的功率輸出，直至電池SOC充電至50%。之后，隨著氫氣流量的脈沖變化，電堆維持1～2 kW的功率輸出。

此外，國內(nèi)整車企業(yè)也對其所研發(fā)的燃料電池乘用車的能量分配進行了測評。郭溫文[15]等對一款全功率燃料電池汽車在不同工況下的試驗數(shù)據(jù)進行了分析，研究了該車輛的能量分配策略。測試結(jié)果表明，該款燃料電池汽車的電堆輸出功率與加速踏板的開度整體呈線性關系，當動力電池SOC在54%～60%的范圍時，電堆輸出功率變小。相關的數(shù)據(jù)分析可以為燃料電池整車研發(fā)提供一定的依據(jù)。

5 測評指標

結(jié)合當前燃料電池整車廠商的測試需求以及現(xiàn)行標準的要求，本文對基于工況法下燃料電池汽車能量流的測試評價指標進行了提煉與分析。

（1）燃料電池電堆的電流與電壓：這一指標直接反映了車輛燃料電池的技術水平，二者乘積即為燃料電池的功率，與時間積分可以得到測試過程中燃料電池的能量輸出量；

（2）動力電池的電流和電壓：考慮到現(xiàn)有燃料電池汽車的技術發(fā)展水平，整車的動力裝置大部分為動力電池與燃料電池相結(jié)合的模式。因此，測試動力電池的電流電壓，進而去分析動力電池的功率大小以及能量輸出是十分必要的。此外，結(jié)合對燃料電池電堆的電流電壓測試，分析兩者功率的占比，可以很好地反映車輛在行駛過程中兩種動力裝置的功率分配情況，如圖4所示，為某燃料電池汽車NEDC工況測試期間動力電池功率與燃料電池功率之比的變化情況；

圖4 某燃料電池汽車NEDC工況測試期間動力電池功率與燃料電池功率之比曲線

（3）燃料電池汽車主要輔件（包括空壓機、氫氣循環(huán)泵、空調(diào)系統(tǒng)）以及電驅(qū)的電流電壓：通過對這一部分電流電壓的測試，可以對車輛的能量流分配進行更好地分析，得到車輛輔助部件的能量消耗情況，進而對車輛的能量利用率進行評價。

6 總結(jié)

本文對燃料電池汽車的驅(qū)動模式、能量管理策略、整車測試數(shù)據(jù)進行了分析研究，對燃料電池汽車能量流的測評指標進行解析，得到結(jié)論如下：

（1）結(jié)合燃料電池電動汽車的技術水平發(fā)展情況，現(xiàn)行車輛的驅(qū)動模式以“燃料電池+動力電池”為主要驅(qū)動模式；

（2）燃料電池汽車的能量管理策略主要分為基于規(guī)則的能量管理策略和基于優(yōu)化的能量管理策略，兩類策略在車輛控制策略中均進行了實際應用；

（3）在燃料電池汽車中，動力電池應該更多作為動力輔助的作用，以促進燃料電池技術的發(fā)展；

（4）基于工況法對燃料電池汽車能量流進行測評的主要指標有：燃料電池的電流電壓、動力電池的電流電壓、整車主要輔件以及電驅(qū)的電流電壓。