SCI论文（www.lunwensci.com）
摘要： 为了解决氢燃料电池客车动力性不足， 燃料消耗过高和氢燃料电池工作效率过低等问题。首先在 AVL-Cruise 和 MATLAB- Simulink 软件搭建氢燃料电池客车整车模型和能量管理控制策略。其次根据 CCBC 和 CHTC-B 行驶工况确定整车功率需求， 匹配氢 燃料电池复合电源并且满足整车动力性要求。然后提出一种高效率功率跟随能量管理策略， 根据超级电容当前 SOC、整车需求功 率等条件来判断氢燃料电池开关状态和限制氢燃料电池输出功率以提高工作效率。将设计高效率功率跟随控制策略在 CCBC 和 CHTC-B 行驶工况下对整车经济性和动力性进行仿真。仿真结果表明： 在高效率功率跟随能量管理控制策略条件下， 氢燃料电池 客车在 CCBC 和 CHTC-B 工况下氢气消耗量和高效工作区间占比分别为 24.45 kg/100 km 、54.86% 和 21.97 kg/100 km 、55.46%， 最终 解决了氢燃料电池工作效率过低的问题。
关键词：氢燃料电池,复合电源,能量管理,高效率功率跟随
Energy Management Strategy of Hydrogen Fuel Cell Vehicle Based on High Efficiency Power Following
Zhou Yan
(Wuxi Nanyang Vocational and Technical College, Wuxi, Jiangsu 214000. China)
Abstract: In order to solve the problems of insufficient power, high fuel consumption and low efficiency of hydrogen fuel cell buses . Firstly, the
vehicle model and energy management control strategy of hydrogen fuel cell bus were built in AVL-Cruise and MATLAB-Simulink software .
Secondly, the power requirements of the vehicle were determined according to the driving conditions of CCBC and CHTC-B, and the hydrogen
fuel cell composite power supply was matched to meet the vehicle power requirements . Then, a high-efficiency power following energy
management strategy was proposed to judge the switching state of hydrogen fuel cell and limit the output power of hydrogen fuel cell to improve
work efficiency according to the current SOC of super capacitor and the required power of vehicle . A high efficiency power following control
strategy was design to simulate the vehicle economy and dynamic performance under CCBC and CHTC-B driving conditions . The simulation
results show that under the control strategy of high efficiency power following energy management control strategy, the hydrogen consumption
and the proportion of high-efficiency working range of hydrogen fuel cell buses under CCBC and CHTC-B conditions are 24.45 kg/100 km,
54.86% and 21.97 kg/100 km, 55.46%, respectively, which ultimately solves the problem of low efficiency of hydrogen fuel cell . Key words: hydrogen fuel cell; composite power supply; energy management; high efficiency power following
引言：伴随着全世界环境污染问题加重并且化石能源急剧 减少和二氧化碳大量排放加剧导致全球变暖等危机， 全 世界能源短缺和环境大量污染问题将会影响民生幸福。 为了解决上文提出的问题， 众多国家一起推行“碳中和” 政策[1-4]。发展新能源汽车是解决环境污染和降低能源消 耗的重要手段[5]。因此全世界各国致力于对新能源汽车 的研究。在众多新能源汽车中氢燃料电池汽车因为其续 航里程长， 燃料利用率高和零排放等众多优点受到各国 的关注。如果氢燃料电池作为单一动力源的汽车具有功 率变化响应速度慢、无法进行能量回收导致车辆能耗较 高、氢燃料电池系统寿命低且更换成本高等缺陷[6]。因此目前燃料电池汽车均采用电电混合的方案， 在此方案 中该车把燃料电池输出作为主要功能方式， 其他的电池 或者超级电容作为辅助动力输出。动力电池或者超级电 容在大负荷、大功率运行情况补充整车消耗的电能， 并 且车辆进行制动时候进行能量回收[7]。因此， 合理的能 量管理系统策略对于提高氢燃料电池汽车经济性、整车 动力性以及燃料电池使用寿命显得尤为重要[8]。
目前， 科研人员对氢燃料电池混合动力汽车能量管 理策略进行研究， 可大致分为基于规则与基于优化方法 两种， 基于规则的策略有功率跟随、恒温器控制、模糊 逻辑等， 基于优化方法的策略有模型预测控制 (MPC)、 庞特里亚金最小值原理 (PMP)、确定动态规划 (DDP)、等效能耗最小 (ECMS) 等[9-10]。武小花等[11]提出基于工 况适应的可变模糊规则控制策略的能量管理策略提高燃 料电池公交车的经济性。 Geng等[12]提出将开关功率跟随 和模糊控制进行结合， 并进行合理的传动系统匹配提高 整车动力性。周圣哲等[13]提出基于有限状态机的能量管 理优化策略， 在动力电池 SOC处于不同状态下对经济性 进行改善， 有效限定 SOC 处于正常目标范围。 Ettihir 等[14]基于庞特里亚金最小值原理可以进行线上寻找燃料 电池最佳效率点， 降低燃料消耗。
本文首先建立燃料电池客车混合动力模型并且匹配 动力性要求， 然后设计功率跟随能量管理策略， 重点在 于对功率跟随能量管理策略进行优化， 提升氢燃料电池 在高效工作区间的工作时间， 提升氢燃料的效率和氢燃 料电池的使用寿命。
1 燃料电池复合电源系统构型
燃料电池复合电源动力系统具有多种多样的辅助储 能， 例如铅蓄电池、锂离子动力电池、超级电容器等。 不同的辅助电源具有各自的优势。复合电源最开始的设 计目标就是充分发挥燃料电池和辅助动力源的优势， 利 用燃料电池续航里程长的特点和辅助电源功率变化快形 成互补， 通过设计合理的能量匹配策略， 保证整车动力 性能的同时， 降低燃料电池放电倍率并对燃料电池进 行保护， 和整车进行制动能量回收机制。因此， 复合 电源加上合理的能量匹配管理机制能够提高燃料电池 电源燃料利用率、延长燃料电池使用寿命和增加汽车 动力性。目前常见的燃料电池复合电源动力系统具有以 下 2种构型。
1.1 直接型燃料电池动力系统
燃料电池系统直接与直流母线相连接， 辅助动力源 也直接并入动力母线， 在此动力拓扑结构中的优势： 辅 助动力源可以回收制动能量， 提高汽车经济型， 降低燃 料电池的功率需求， 减小成本， 增加续航里程。缺点： 燃料电池系统输出与直流母线的电压之间不存在耦合关 系， 容易对燃料电池造成损害， 直接型燃料电池动力系 统构型如图 1所示。
1.2 间接型燃料电池动力系统
燃料电池系统和单向 DC/DC 升压或者降压变换器串 联并且连同辅助动力源输入电机， 燃料电池的端电压就 可以通过单向 DC/DC 变换器的升压模式与降压模式对整 车系统的直流母线的电压进行匹配， 从而使燃料电池输出电压与直流母线的电压之间不存在耦合关系; 有利于 对燃料电池系统进行保护。并且间接型燃料电池动力系 统具有直接型燃料电池动力系统的全部优势。同时 DC/ DC变换器也可以将直流母线电压维持在电机系统的最佳 工作范围提高系统的功率效率， 间接型燃料电池动力系 统构型如图 2所示。
2 氢燃料电池混合动力客车系统建模
本文选择氢燃料电池客车作为研究对象。城市客 车在日常行驶过程中， 需要频繁的起动、加速、制动、 停车， 导致动力电池频繁充放电， 从而降低动力电池 的使用寿命和能量效率[15]。利用超级电容的瞬间大电 流充放电的特性， 因此采用“氢燃料电池+超级电容” 的结构。根据燃料电池复合电源输出特性， 本文选取 间接型燃料电池动力系统， 该动力系统主要构型如图 3 所示。
2.1 燃料电池模型
燃料电池可以正常工作的前期就是需要空气压缩机、 风机、等辅助设备 (Balance of Plant， BOP)。 BOP 的运 行需要消耗额外的电能降低燃料电池整体效率[16]。本文 根据 BOP等设备建立氢燃料电池模型。该模型氢气的消耗量可以按式 (1) 来计算。
式中： Pfc 为氢燃料电池输出功率; Nfc 为氢燃料电池片 数; Pfcstack 为单体氢燃料电池输出功率; PBOP 为辅助设备 消耗功率; MH2 为氢燃料电池氢气消耗总量; JH2 为氢气 的热值; η fc 为氢燃料电池工作效率。
燃料电池系统效率和氢气消耗率随燃料电池功率的 变化如图 4所示。
2.2 超级电容模型
因为氢燃料电池在汽车制动时无法回收能量， 所以 当车辆的制动时， 超级电容回收电机的逆向能量。超级电容满足式 (2) ~ ( 4)：
2.3 整车及其部件参数
整车总阻力由滚动阻力、坡度阻力、加速阻力、风 阻组成。整车需求功率 Preq 是车辆速度 v 与总阻力的函 数， 由式 (5) 表示：
本文利用复合电源系统为整车提供动力， 根据客车 基本行驶要求用来首先确定整车最高行驶功率， 其次根 据功率要求选择永磁同步电机转速和转矩， 再次选择氢 燃料电池系统功率。整车参数如表 1所示。
3 基于高效率功率跟随的能量管理策略
3.1 能量管理功率分配原则
经过国内外研究人员对车辆道路实验数据的大量研 究表明， 车辆本身的运行状态， 氢燃料电池的频繁启动 停止和变载， 对于氢燃料电池系统的寿命和可靠性具有 重要影响。功率跟随能量管理策略，其设计的目的就是尽 可能降低氢燃料电池的频繁启动停止和大幅度功率变化。
( 1) 根据超级电容剩余 SOC 和氢燃料电池混合动力 汽车实际需求功率， 通过整车需求功率与超级电容的 SOC 滞环控制策略， 计算出当前超级电容剩余 SOC下燃料 电池输出功率的大小[17-18]， 避免让氢燃料电池单独供电。
( 2) 通过超级电容 SOC 的变化幅度用来修正氢燃料 电池的输出功率[19]。
( 3) 限制氢燃料电池的输出功率， 不允许超过超级电 容当前允许的最大充电功率和氢燃料电池最大输出功率。
( 3) 当氢燃料电池系统处于峰值功率工作状态时。 避免在进行能量回收时， 回收电流过大导致超级电容造 成损害等问题， 因此需要限制电机能量回收电流。以降 低安全风险， 延长使用寿命。
3.2 功率跟随策略实现
3.3 氢燃料电池功率计算
如果已知母线请求功率、超级电容 SOC 和氢燃料电 池功率限制， 根据如下步骤计算氢燃料电池输出功率
3.4 氢燃料电池开关状态判定
根据超级电容当前 SOC 和峰值功率限制后燃料电池 输出功率来判定氢燃料电池所处开关状态。
( 1) 氢燃料电池开机条件
当氢燃料电池汽车需求功率大于超级电容峰值输出 功率或者超级电容当前 SOC 小于最低要求， 则氢燃料电 池请求进行开机。
( 2) 氢燃料电池关机条件
当氢燃料电池汽车进行制动情况下或者氢燃料电池 汽车需求功率小于超级电容峰值输出功率， 则氢燃料电 池请求关机。
3.5 超级电容需求功率
超级电容需求的功率为：
4 仿真结果分析
本文在 AVL-Cruise 仿真软件中搭建氢燃料电池汽车 物理模型， 在 MATLAB-Simulink 软件中搭建功率跟随能 量管理控制策略， 基于这两个仿真软件对本文进行仿真 验证。选取适合本文车型的两个常见工况分别为中国典 型公交工况 (CCBC) 和中国城市客车行驶工况 (CHTC- B) 进行仿真研究。超级电容初始 SOC 设定为 60%， 车 辆负载处于满载情况下。
4. 1 CCBC 工况下仿真分析
根据图 4 可知， 本文选用的氢燃料电池最佳效率区 间为 15~45 kW。在 CCBC 工况下氢燃料电池高效工作时 间占燃料电池总工作时间的 54.86%， 如图 6 所示。因此 本文设计的功率跟随策略的高效工作区间占总工作区间 的一半以上， 对氢燃料电池的寿命和效率显著提高。根据图 7 ~ 8 可知， 超级电容累计输出 4 622.36 kJ 的 能量， 累计输入 14 152.53 kJ 的能量。因此进行转换为氢 气消耗量约为 0. 16 kg 的氢气。并对请求功率发生快速变 化时削峰填谷， 维持 SOC 处于较高状态， 以便进行下次 启动拥有足够能量。
根据图 9 可知， 在进行 CCBC 工况下氢燃料电池累计 消耗 1.31 kg 的氢气， 累计行驶 6. 13 km。因此功率跟随 能量管理策略在 CCBC 工况下经济性为 21.45 kg/100 km。
4.2 CHTC-B 工况下仿真分析
在 CHTC-B 工况下氢燃料电池高效工作时间占燃料 电池总工作时间的 55.46%， 如图 10所示。因此本文设计 的功率跟随策略也适用于 CHTC-B 工况， 也对氢燃料电 池的寿命和效率显著提高。
根据图 11 ~ 12可知， 超级电容累计输出 10 431.25 kJ 的能量， 累计输入 18 786.51 kJ 的能量。因此进行转换为 氢气消耗量约为 0.14 kg 的氢气。
根据 图 13 可 知， 在进 行 CHTC-B 工 况 下 氢燃 料 电 池 累 计 消 耗 1.21kg 的 氢 气， 累 计 行 驶5.50 km。 因 此 功 率 跟 随能量管理策略在 CHTC-B工况下经济性为 21.97 kg/100 km。
5 结束语
本文先通过整车系统参数进行复合电源匹配设计， 其次根据复合电源特性设计出高效功率跟随能量管理策 略， 运用 MATLAB-Simulink 和 AVL-Cruise 的联合仿真， 主要结论如下。
( 1) 经济性分析： 在 CCBC 工况下氢燃料电池混合 动力汽车百公里消耗 21.45 kg 的氢气。在 CHTC-B 工况 下氢燃料电池混合动力汽车百公里消耗 21.97 kg 的氢气。
( 2) 高效区间分析： 在 CCBC和 CHTC-B工况下其高 效运行区间都占据总运行时间的一半以上，因此，本文设 计的高效率功率跟随能量管理策略让氢燃料电池尽量多地 工作在高效区间， 有利于提高氢燃料电池的使用寿命。
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