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燃料电池汽车混合度与能量管理策略研究

发布时间:2020-11-06 00:24内容来源:网络整理 点击:

宋昱,韩恺,李小龙,王东洋

(北京理工大学,北京100081)

  摘要:针对目标车辆,以满足车辆动力性为前提,进行燃料电池动力系统静态匹配,并基于GT-Suite平台建立燃料电池动力系统模型及整车模型。以NEDC循环(新欧洲行驶工况)为研究工况开展在不同混合度下,不同能量管理策略对整车经济性的影响规律及影响机理研究,为确定燃料电池轿车最优能源配置提供依据。结果表明,燃料电池动力系统混合度及能量管理策略差异会导致燃料电池、动力电池功率分配以及运行时间不同,进而影响动力系统效率进而影响整车经济性;功率跟随模式在中混合度情况下整车经济性最优,开关控制模式在低混合度情况下整车经济性最优。

  在世界能源危机日益严重、环境污染恶化的大背景下[1],氢燃料电池汽车对稳定能源供给、改善能源结构、提升国际竞争力和科技创新实力具有显著的意义,成为新能源汽车发展的重要技术方向[2]。

  在燃料电池车辆混合动力系统中,目前主要有纯燃料电池、燃料电池加动力电池、燃料电池加超级电容等6种配置方案,其中燃料电池加动力电池的动力配置方案具有加速性好,可靠性高,经济性好的优点,被广为应用[3]。在燃料电池加动力电池的动力系统配置中存在两种动力源功率组合以及分配问题[4],混合动力汽车不同动力源的功率组合称为混合度[5],混合度对燃料电池与动力电池工作效率有较大影响,影响了整车经济性[6]。而整车能量管理策略基于事件与时间,合理分配主、辅电源输出功率分配,保证整车性能要求以及各部件合理的工作状态[7],对经济性有着显著的影响[8-10]。混合度与能量管理策略对整车经济性与动力性有着复杂关系,因此如何针对不同混合度的混合动力系统科学选取合适的控制策略成为亟待解决的问题之一[11]。现阶段针对该方面内容,国内的研究主要是基于整车指标和行驶循环,研究不同混合度对燃料电池燃料经济性的影响。张涛研究了在不同循环工况下,混合度对整车动力系统经济性的影响,并考虑到了购置成本随混合度变化情况[11]。赵治国通过制定自适应能量管理策略,研究了NEDC工况下不同混合度下整车经济性和动力性[12]。王勇等人研究了不同工况下,混合度对燃油经济性的影响,但未考虑到能量管理策略对经济性的影响[13]

  本文将针对目标车辆进行动力系统匹配,基于GT-Suite平台建立整车动力系统模型,研究不同能量管理策略与混合度,两者对电-电混合燃料汽车燃油经济性的影响规律。

  1动力系统选取与参数设计

  1.1整车参数及动力性要求分析

  原型车基本参数如表1所示。

  整车动力性指标如表2所示。

  1.2电机参数

  1.3燃料电池混合度边界选取原则

  考虑到DCDC效率以及沿程损耗,取转换效率90%[5],取总功率需求为55kW,由于混合度改变,燃料电池与动力电池功率占比不同,燃料电池最小功率选取应当考虑到燃料电池单独工作时,保证车辆以80km/h持续行驶。由式(2)—式(4)可以得到燃料电池最小功率为11kW。动力电池应满足峰值功率需求,以及回收制动能量需求。

  燃料电池与动力电池两种能量总功率为55kW,当燃料电池功率最小为11kW时,混合度约为0.2。动力电池在工况中起到削峰填谷的作用,并且回收制动能量,动力电池最小峰值功率为20kW,此时混合度约为0.6。混合度为0.1为最小间隔,可以得到表4所示功率混合度配比表。

  1.4动力电池参数选型

  本文选用某公司生产的磷酸铁锂电池[15],其基本参数如下表5所示。

  考虑到动力电池需要满足1.3中不同混合度的功率需求,得到不同混合度的动力电池模块,如表6所示。

  1.5评价指标

  本文选用等效百公里氢耗量作为经济性指标,百公里氢耗量将动力电池中初末差值电量等效转换为氢气量。

  等效百公里耗氢量计算式为:

  2能量管理策略

  目前,能量管理策略主要分为规则式能量管理策略与基于优化的能量管理策略[13]。针对燃料电池动力系统,被普遍使用的能量管理策略为开关控制策略与功率跟随控制策略[4]。本文主要研究这两种策略在不同混合度下对经济性造成的影响。

  2.1开关控制策略

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