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燃料电池混合动力系统建模及能量管理算法仿真*徐梁飞卢兰光李建秋欧阳明高(清华大学汽车安全与节能国家重点实验室北京100084)摘要：燃料电池混合动力系统包括燃料电池发动机、直流直流变换器(Directcurrenttodirectcurrentconverter,DCDC)、镍氢动力电池和电动机等部件。以台架试验所确定的部件特性为基础建立燃料电池混合动力系统模型。模型考虑燃料电池性能衰减、总线电压对电动机转矩和效率的影响、DCDC效率和动态过程以及动力电池充放电内阻特性。长时间运行的燃料电池性能衰减将导致能量管理算法失效。DCDC效率在公交工况下变化不大，其动态过程可以用一阶延迟环节模拟。动力电池充放电内阻影响等效氢气消耗量的计算。总线电压对电动机效率与转矩的影响可以用修正系数代替考虑。能量管理算法采用动力电池荷电状态(Stateofcharge,SOC)稳态平衡和燃料电池动态功率补偿相结合的方法，以保持动力电池SOC水平，并在加载过程中防止燃料电池功率突变。仿真结果表明，所建立的模型能反映实际工况中的功率分配情况，动力电池SOC维持在预定区域，燃料电池功率加载速率得到限制。进一步仿真分析表明，随着燃料电池性能衰减，通过调整稳态平衡算法，可以维持SOC水平，保证整车动力性、经济性。如果燃料电池性能衰减超过一定程度，整车动力性、经济性将无法通过能量管理算法调整。关键词：燃料电池性能衰减混合动力能量管理动态补偿中图分类号：U469.7ModelingandSimulationofaFuelCellHybridSystemandEnergyManagementStrategyXULiangfeiLULanguangLIJianqiuOUYANGMinggao(StateKeyLaboratoryofAutomotiveSafetyandEnergy,TsinghuaUniversity,Beijing100084)Abstract：Afuelcellhybridpowertrainsystemiscomposedofafuelcellengine,aDirectCurrenttoDirectCurrentConverter(DCDC),aNickelMetalHydridebatteryandatractionalmotor.Afuelcellhybridmodelisdevelopedbasingonthecomponents'properties.Themodelincludesafuelcellperformancedegradationmodel,influenceofbusvoltageonmotortorqueandefficiency,DCDCefficiencyanditsdynamicprocessandabatterymodel.Performancedegradationoffuelcellleadstoinvalidationofenergymanagementstrategy.DCDCefficiencykeepsanearlyconstantvalueincitybuscycle.Itsdynamicprocesscouldbesimulatedusingafirstdelayalgorithmblock.Charginganddischargingresistanceinfluencesequivalenthydrogenconsumption.Theinfluenceofbusvoltageonmotorefficiencyandtorquecouldbeconsideredusingamodifiedcoefficient.Thepowerdemandedbymotorisprovidedbyfuelcellandbatteryaccordingtoanenergymanagementstrategy,includingabatteryStateofCharge(SOC)balancedstrategyandafuelcelldynamicpowercompensationalgorithm.Simulatingresultsshowthat,thehybridmodelreflectstheperformanceofactualsystemwell,batterySOCiskeptinasuitablerangeandthefuelcelldynamicpowerislimited.Furtherresultsshowsthat,byadjustingtheSOCbalancedstrategy,batterySOClevelcouldbekeptinthesuitablerangealthoughtheperformanceoffuelcelldegrades.Therefore,vehicleeconomyanddrivabilitycouldbeguaranteed.Butifthefuelcellperformancedegradesfurther,thevehicleeconomyanddrivabilitycouldnotbeadjustedbyenergymanagementstrategy.Keywords：FuelcellPerformancedegradationHybridpowertrainEnergymanagementDynamiccompensation*国家高新技术研究发展计划资助项目(863计划，2006AA11A102)。20070418收到初稿0前言车用质子交换膜燃料电池以其零排放、低噪声成为当前国际新能源汽车领域的研究热点。但其耐久性并不理想，工作状态的剧烈变化将导致质子交换膜性能衰退[1-2]。燃料电池发动机内部结构以及工况都是影响其耐久性的因素[3-5]。采用混合动力构型，可以提高车用燃料电池的使用寿命，回收制动能量。其中比较常见的是“能量型”构型[1,6]。在这种构型中，燃料电池发动机通过直流/直流变换器(DirectCurrenttoDirectCurrentConverter,DCDC)与电动机总成相连，蓄电池直接并联在总线上。通过控制DCDC的输出功率来限制燃料电池输出功率。“能量型”混合动力构型主要包括燃料电池、DCDC、镍氢蓄电池和电动机总成等部件，整车控制器负责电机需求功率在燃料电池和蓄电池之间的分配。燃料电池混合动力是典型的多变量、非线性时变系统。系统总线电压的变化影响电机输出转矩和效率。DCDC效率随输出功率变化，其电压控制和电流控制两种模式都存在静态偏差和动态延时。蓄电池的各项参数也受温度、蓄电池荷电状态(StateofCharge,SOC)等的影响。根据部件特性建立了燃料电池混合动力系统模型，考虑了燃料电池性能衰减、总线电压对电机稳态转矩和稳态效率的影响、DCDC效率以及电压控制与电流控制的动态延时和蓄电池内阻。在此基础上进行仿真分析。1部件模型“能量型”混合动力系统结构如图1所示，由燃料电池发动机、DCDC变换器、蓄电池、直流-交流逆变器(DirectCurrenttoAlternativeCurrentInverter,DCAC)和电动机组成。燃料电池发动机电动机DCDCACDC蓄电池busUfcUengIdcdcIdcacIbatImmMω图1燃料电池混合动力结构图1.1燃料电池性能衰退模型图2所示为某型号燃料电池混合动力客车在7000km城市公交运行前后极化曲线的变化情况。文献[7]建立了燃料电池耐久性模型，如式(1)~(6)所示。为燃料电池电堆工作电压，为燃料电池电堆理论开路电压，为活化极化电压，为欧姆极化电压，UE′aU′oUψ为模型拟合参数，T为电堆温度，为电堆阴极氧气分压，为浓差极化电压，2O,cprCI为燃料电池电堆工作电流，为阳极氢气分压，为电堆工作时间。2H,ipt050100150200250300350320330340350360370380390400410420I/AU/V开始结束图2燃料电池电堆性能衰退图2aoO,crln()UEUUTpCIψ′′=+−+−(1)235H,i1.2290.8510(298.15)4.30910ln()ETTp−−′=−×−×+(2)4a648423.272510(-1.6864106.427102.77510)ln[(9.93100.7091270.00576)]UTTtTiTTt−−−−−′=××+××+×+××+×−++×I(3)825o37(7.013104.656108.188102.50810)UTTt−−−−=××−×+×+×××(4)825r43.2101.92102.66310CTT−−−=−××+×−××(5)42.010ψ−=×(6)1.2DCDC模型根据输入输出电压关系DCDC可分为单向升压型、单向降压型和双向升－降型，其控制方式有电压控制和电流控制[8-9]。图3为DCDC效率与输出功率的关系。当输出功率大于30kW时，转化效率基本恒定在97.5％左右。在城市公交工况下，DCDC平均效率为96.5%。0204060801009595.59696.59797.59898.5P/kWη/%图3DCDC效率与实际工况功率分布图DCDC电压控制模式与电流控制模式下，实际输出与目标输出的昀大相对误差小于5%。正常工作状态下，昀大相对误差小于1％，在模型中忽略其稳态误差。图4给出了DCDC电压控制模式下的降压动态过程，延时为74ms。图5给出了DCDC电流控制模式下的动态过程，延时为113.4ms。DCDC正常工作的昀小输入电压为334V，低于此电压将触发欠压保护功能。模型的数学表达如式(7)~(12)所示,dcη为DCDC效率，dcP为DCDC输出功率，1τ为电压控制延时，2τ为电流控制延时，为DCDC输入电压。dcU图4DCDC电压控制动态过程图5DCDC电流控制动态过程()dc1dcfPη=(7)174τ=ms(8)2113.4τ=ms(9)dc334UV≥(10)1.3镍氢蓄电池模型常见的镍氢电池等效电路模型有Rint、PNGV、GNL等[10-13]。前者只考虑电池充放电内阻和开路电压，后两者考虑电池充放电动态，在电路中加入了储能元件。Rint模型结构简单，参数辨识容易，适用于整车能量管理算法。在Rint模型中蓄电池开路电压、充放电内阻等参数受温度、蓄电池SOC和充放电电流的影响。某60Ah镍氢蓄电池Rint模型的基本数学表达式如式(11)~(14)所示。U为蓄电池工作电压，为蓄电池开路电压，ocvUR为蓄电池内阻，I为蓄电池工作电流，SO为蓄电池荷电状态，为蓄电池容量，CQη为蓄电池充放电效率。开路电压随蓄电池荷电状态(StateofCharge,SOC)单调升高，并随温度单调降低。温度对开路电压的影响集中于高、低SOC范围，在蓄电池SOC40~80%的区域，温度的影响可以忽略不计，如图8。蓄电池常温下充放电内阻如图7、8所示。图9为蓄电池放电效率，在很大范围内都在90%以上。02040608010012.212.412.612.813.013.213.413.613.814.0SOC/%Uocv/mV2035-10θ/oC图6某60Ah镍氢电池开路电压02040608010001002003000510152025SOC/%I/AR/mΩ图7室温下某60Ah镍氢电池放电内阻0204060801000100200300468101214SOC/%I/AR/mΩ图8室温下某60Ah镍氢电池充电内阻2040608010030405060708090100SOC/%η/%8016024097%Ichg/A图9室温下某60Ah镍氢电池充电效率ocvUURI=−(11)()()45SOC,0SOC,0fIIRfII≥⎧⎪=⎨⎪⎩(12)()ocv6SOCUf=(13)00SOCSOCdQtItη=−∫(14)1.4电动机模型图10中