功率平衡式燃料电池系统控制算法研究

黄桂东　柳建新　刘志龙

摘 要：本文以燃料电池城市客车为研究对象，根据燃料电池系统的特性，研究适合功率平衡式燃料电池系统的控制算法，并通过仿真分析对该燃料电池的控制算法进行验证。

关键词：燃料电池系统;功力平衡;控制算法;仿真分析

1 引言

燃料电池系统能具有无污染、效率高和续驶里程长等优点，因而具有相当大的市场潜力。本文基于某客车制造有限公司的燃料电池客车项目，在Simulink搭建燃料电池整车控制策略，然后基于中国典型城市公交工况，对燃料电池系统控制算法进行深入研究。

2 整车构型和参数

本文基于某燃料电池客车对燃料电池系统控制算法进行研究，该燃料电池客车包括燃料电池、主DCDC、供氢系统、主电机、AMT变速箱和动力电池等，该车具体构型如图1所示[1]。

该整车基本参数：车长12m，整备质量13t，最大质量18t，风阻系数0.6，迎风面积7.07m2，滚阻系数0.008，轮胎半径0.47m，主减速比6.14;驱动电机参数：峰值/额定功率为140/80kW，峰值/额定扭矩为1200/ 600Nm，最高/额定转速为3000/1200rpm;AMT变速器速比4.83/2.82/1.65/1;动力电池参数：额定电压576V，额定容量92Ah;燃料电池参数：最大功率30kW，数量2个;主DCDC参数：功率40kW，工作电压范围：460～610V，输入电流250A，额定输出电流90A，数量2个。

3 控制算法研究

3.1 控制算法思路

燃料电池控制算法的核心是依据燃料电池系统和动力电池的特性，根据车辆实际运行工况，研究适合功率平衡式燃料电池系统的控制算法，提升燃料电池客车可靠性和寿命。由于燃料电池系统特性，所以燃料电池客车只能靠动力电池提供整车瞬态功率，而燃料电池以相对稳定情况运行。

本文燃料电池客车有两个燃料电池电堆，由于燃料电池只能以1～2kW/s速率响应整车功率指令，且单堆只能工作在工作点固定在14kW/20kW/24kW/30kW/34kW这几个工作点，在做燃料电池控制算法是要考虑燃料电池无法瞬态响应整车需求的特性，所以尽可能让燃料电池工作在相对稳定的工作点等。

本文燃料电池控制思路：首先，计算前一段时间的整车平均功率作为整车需求功率的预估;然后，根据整车需求功率预估和当前电池SOC确定燃料电池系统的需求功率;燃料电池系统的需求功率需要考虑动力电池可持续充电电流的限制以及燃料电池工作点的限制等[2][3];燃料电池系统控制如图2所示。

目前国内公交客车测试主要采用中国典型城市公交工况（CCBC），该工况曲线如图3所示，由图可知，该工况变化复杂，停车时间长，平均车速较低，因此该工况反映国内大部分城市公交工况。本文燃料电池客车将在CCBC工况下对燃料电池系统控制算法进行研究。

3.2 整车功率预估

燃料電池客车在行驶的过程中，为维持整车电量平衡，在一段时间内，燃料电池系统输出的平均功率和整车消耗的平均功率大致相当，因此通过整车前一段时间平均功率作为整车功率需求的预估，整车功率需求和当前动力电池SOC作为燃料电池系统需求功率参考。

本文假设燃料电池客车电辅件如DCDC、电动打气泵、电动助力转向、冷却水泵、燃料电池系统辅件等功率在8kW左右。

下面将基于CCBC工况对整车功率计算进行研究。在Simulink搭建燃料电池控制策略中，整车功率每30s间隔计算一次，则在CCBC工况下整车功率如图4所示，整车最大功率可达88kw，整车最小功率仅为-17kw，整车功率变化剧烈并且出现负值。若使用该整车功率计算方式，整车功率出现负值且变化剧烈，因而燃料电池需求功率也同样变化剧烈;由于燃料电池系统响应慢和工作点固定，故计算整车功率时间间隔需要延长。

整车功率计算时间间隔改为1min，则在CCBC工况下整车功率如图5所示，整车最大功率为40kW，最小功率-4kW，同样，整车功率变化比较剧烈，同样出现负值。

若整车功率计算时间间隔改为2min，则在CCBC工况下整车功率如图6所示，整车最大功率为27kW，整车功率变化比较平缓且无负值。

整车功率计算时间间隔还是2min，但是与前2min整车功率取平均值，则在CCBC工况下整车功率如图7所示，整车最大功率为20kW，整车功率变化较之前更加平缓，更利于燃料电池的控制。

综上可知，计算整车功率的时间间隔越长，整车功率越平稳，更利于燃料电池系统的控制。但是计算时间间隔越长，整车功率计算越迟滞，越不能反映整车功率的变化。综合考虑，本文燃料电池控制算法中采用时间间隔2min且与前一时间间隔取均值作为整车需求功率的预估。

3.3 燃料电池系统的控制

本文燃料电池客车有两个电堆，且单堆工作点为14kW/20kW/24kW/30kW/34kW。

燃料电池客车在行驶过程中，若维持动力电量平衡，在一段时间内，整车功率和燃料电池输出功率要大致相同，但是若动力电池SOC很低，则需要加大燃料电池系统的输出功率使动力电池SOC升高;反之，若动力电池SOC过高，则燃料电池系统输出功率则需要减少，这时动力电池SOC下降，使得动力电池SOC维持相对平衡。

燃料电池控制算法将以整车功率和动力电池SOC确定燃料电池需求功率，当整车功率越大，燃料电池需求功率越大;动力电池SOC越低，燃料电池需求功率越大，所以在燃料电池系统的控制算法中，通过整车功率和动力电池SOC查表得到燃料电池需求功率，该表具体数据如表1所示。

燃料电池系统含空气压缩机和水泵等辅件，在正常工作状态下，燃料电池净功率比其需求功率少4～6k，在本文仿真中，假定燃料电池系统辅件功率5kW。

下面通过仿真验证通过表1查表得到燃料电池需求功率能否维持燃料电池整车电量平衡。

电池起始SOC分别为40%、60%和80%，一共进行6个CCBC工况，动力电池SOC和燃料电池需求功率随工况的变化如图8、图9和图10所示。由图可知，当动力电池起始SOC比较低时，燃料电池需求功率增加，此时燃料电池需求功率大于整车消耗功率，动力电池SOC升高;当动力电池起始SOC在50%～60%时，燃料电池需求功率与整车消耗功率大致相当，动力电池SOC始终维持在55%左右;当动力电池起始SOC较高时，燃料电池需求功率小于整车消耗功率，动力电池SOC下降;但是，无论动力电池起始SOC多少，通过表1查得燃料电池系统需求功率，最终动力电池SOC维持在50%～60%之间。

4 结论

本文基于某燃料电池客车整车基本参数、燃料电池系统参数和动力总成参数等，根据燃料电池的特性，研究如何在Simulink中计算燃料电池整车功率;最后通过整车功率和动力电池SOC得到燃料电池系统需求功率，并通过仿真分析验证燃料电池系统控制算法的有效性。

参考文献：

[1]刘志.基于AMT的电动汽车动力特性研究[D].重庆：重庆理工大学车辆工程学院，2015：14-28.

[2]吴澈.燃料电池汽车动力系统匹配及控制策略研究[D].2016.

[3]张来云.增程式燃料电池汽车动力系统匹配及能量管理策略研究[D].2016.