1、 燃料電池汽車混合動力系統參數匹配與優化燃料電池作為車用動力電源有效率高、污染小、動力傳動系統結構簡單等諸多優點，但在實際應用中也存在一些問題。（1)燃料電池的輸出特性偏軟，作為車用電源，無法滿足負載頻繁劇烈的變化，因此必須在電機控制器和燃料電池之間增加必要的功率部件進行阻抗匹配。（2)車用燃料電池作為單一電源其啟動時間長，動態響應速度較慢，無法滿足車輛運行過程中負載的快速變化需求；燃料電池功率密度較低、成本高，若僅以燃料電池滿足峰值功率需求，勢必會造成整備質量和成本的增加；無法吸收回饋能量，不能實現制動能量的回收。在燃料電池發動機(FCE)和電機控制器之間增加峰值功率系統(PPS)，不僅可以

2、吸收回饋能量、降低成本，而且可以彌補FCE啟動時間長、動態響應差的缺點。采用這種結構的動力系統稱為燃料電池混合動力系統。“燃料電池+動力蓄電池”是目前研發的燃料電池混合動力系統主要構型，主要有如圖1所示4種結構。結構(a)、(b)和(c)中，燃料電池和驅動系統都是間接連接，可以在一些特定條件下的場地車上使用，但受目前燃料電池技術水平的限制，這3種動力系統結構難以在功率需求和功率波動都比較大的車型上實現。結構(d)的優點是：蓄電池可回收再生制動的能量和吸收燃料電池富裕的能量；蓄電池組作為燃料電池發動機的輸出功率平衡器，調節燃料電池發動機的效率與動態特性，改善整車燃料經濟性，提高動態響應速度。圖1

3、 燃料電池混合動力系統結構對于本文所研究的燃料電池汽車，其車型的整車參數及動力性指標如表1所示。表1 整車參數和設計性能要求2 燃料電池混合動力系統參數匹配2.1 電機參數設計目前，可用作車用驅動電機的有直流電機、交流感應電機、永磁同步電機、直流無刷電機、開關磁阻電機等。交流異步電機由于結構簡單、堅固且控制性能好，被歐美國家廣泛采用。永磁同步電機和直流無刷電機能量密度和效率較高，在日本得到廣泛應用。開關磁阻電機應用較少。電機是燃料電池汽車驅動的唯一動力，需要滿足起步、怠速、加速、勻速、減速、爬坡等工況的要求。通常適用于電動車輛使用的電機外特性如圖2所示。在額定轉速nN以下，以恒轉矩模式工作，在

4、額定轉速nN以上，以恒功率模式工作。相應電機的參數選擇包括：電機額定功率PN、電機最大功率Pmax、電機額定轉速nN和電機最高轉速nmax。圖2 電機外特性2.1.1 電機最大功率和額定功率的確定燃料電池電動客車電機的最大功率的確定，必須按照性能指標的要求，滿足最高車速時的功率要求Pe；并且能為車輛提供加速功率Pa和爬坡功率Pc，因此功率參數的選擇要依照車輛具體的行駛工況，對比各工況下的需求功率值，考慮傳動系效率，選擇其中的最大值作為最大功率值，即： 汽車行駛功率平衡方程式如下： （1）若給出最高車速，忽略加速阻力和上坡阻力： (2)若給出最大爬坡度，則滿足車輛爬坡性能時忽略空氣阻力和加速阻力

5、： 式中，ustab為最小穩定車速。基于以上計算，取Pmax=160 kW(3)若要滿足車輛的加速性能要求，則在水平良好路面上，車輛的行駛加速度計算式為： 則車輛由起步加速到車速u的加速時間為： 應用計算機編程，電機功率取額定值，計算得加速時間為23.8 s，則此電機的功率滿足車輛的加速性能要求。電機額定功率的選取要考慮到車輛的實際行駛狀況，使車輛的經常行駛功率與電機的經濟區對應，即車輛經常使用工況下電機能以經濟的負載率運行。通常，電機額定功率可按照巡航車速來選取，巡航車速一般為0.60.8umax。以巡航車速u=50km/h行駛時所需的功率為驅動電機的額定功率： 2.1.2 電機額定轉速和最

6、高轉速確定電機的最高轉速對電機的額定轉矩和傳動系尺寸都有影響。在額定功率一定的前提下，最高轉速越低，對應的電機額定轉矩越大，一方面對電機的支撐要求越高，另一方面要求更大的電機電流和電力電子設備電流，增加了功率變換器的尺寸和損耗。但車輛起步加速和穩定運行需要電機額定轉矩減小，只能通過選用高速電機來解決，這又會增加傳動系尺寸，所以必須綜合考慮最高車速和傳動系尺寸。通過上式計算結果，考慮到電機的負荷率、負載變化范圍大、車輛應有一定的加速爬坡能力等因素，電機的功率應比計算值大。電機的最大功率只代表當電機的轉速高于基速時的過載能力，電機以最大功率連續運轉的時間不能超過3060s，因此車輛實際行駛過程中要

7、求電機的過載時間不能太長。初步選定電機額定功率100 kW，最大功率160kW，額定轉速為1 860 r/min，最高轉速為4 800r/min，額定轉矩為650 Nm，最大轉矩為850 Nm，額定效率94%。2.2 燃料電池發動機參數設計研究成果表明能作為車用電源的最佳燃料電池是質子交換膜型燃料電池(PEMFC)。燃料電池作為單一電源的凈輸出功率PFCE應滿足： 式中，DCF為DC/DC效率；Pmax r為最大需求功率；m為電機及其逆變器效率；PA為輔助設備功率消耗?？紤]燃料電池的制造成本和比功率等因素，在滿足設計性能要求的基礎上，應盡可能降低其功率級別。混合型式下，燃料電池功率滿足車輛持續

8、最高車速行駛時的功率需求即可： 2.3 動力蓄電池參數設計混合動力電動汽車上的動力蓄電池有兩種工作模式：輔助動力模式和雙動力模式。前者偏重蓄電池的功率特性，后者還要求蓄電池具有一定的能量特性。本動力系統采用輔助動力模式。輔助動力模式下的動力蓄電池，要求電池具有瞬間大電流充放電的能力，雖然充放電電流很大，但由于持續時間都較短，因此電池SOC的波動范圍不大。目前可以作為車用輔助動力源的蓄電池有：鉛酸電池、鎳氫電池、鋰離子電池。其中鋰離子電池具有較出色的功率能量性能，但存在使用安全的問題。對蓄電池的參數設計主要有3個性能要求：電壓等級、功率需求和能量需求。首先，電池電壓等級要與電機的電壓等級保持一致

9、，其次就是最大充放電功率要滿足電機的 功率需求和能量需求。理論上，電機的峰值功率越大，電氣系統的電壓等級越高，對保證電流不超過一定限值是有利的，但是電壓等級也不能超過電氣系統的最高電壓限值。研究統計表明，串并聯結構的混合動力客車及其純電動汽車，電壓等級為300650 V。作為混合動力系統的PPS，蓄電池最大放電功率必須滿足： 同時蓄電池還必須具備一定的充電功率，以吸收制動時的回饋能量?？紤]到電池的特性和電機的回饋功率，充電功率應大于70kW。輔助動力模式情況下，對蓄電池的能量要求不像功率要求那么嚴格，一般可以滿足需要。通過以上匹配計算確定混合動力系統主要部件參數，如表2所示。表2 燃料電池混合

10、動力系統主要部件參數3 燃料電池混合動力系統優化3.1 優化模型優化設計以滿足動力性指標為前提，以給定的循環工況作為輸入，以燃料消耗量最小為優化目標，即： 有以下5個約束條件：(1)由能量守恒得： (2)維持蓄電池SOC值運行前后不變： (3)燃料電池發動機的功率約束： (4)動力蓄電池的工作邊界： (5)電動機的工作邊界： 式中，Pbat為蓄電池功率，FCE為燃料電池發動機效率，ibat為充放電電流，Ubat_dis_min為放電截止電壓，Ubat為充放電電壓，ibat_cha_max為最大充電電流，Ubat_cha_max為充電截止電壓，ibat_dis_max為最大放電電流，PFCE_o

11、ut為輸出功率，m_m為電動轉速，m_g為發電轉速，Tm_m為電動轉矩，Tm_g為發電轉矩，g_max為發電最大轉速，Tg_max為發電最大轉矩，PFCE_min為最小輸出功率，PFCE_max為最大輸出功率，PFCE為最大輸出功率變化率。3.2 控制策略不同的控制策略對整車相應的零部件的性能和要求不同，串聯式混合動力汽車采用的典型的兩種能量管理策略有開關式控制策略和功率跟隨式控制策略。(1)開關式控制策略。發動機開關由電池SOC的上下限決定，發動機工作時，其工作在最佳燃料經濟性點上，該控制策略主要由蓄電池來跟隨和響應整車的功率需求。(2)功率跟隨式控制策略。由功率需求和電池SOC決定發動機啟

12、停，發動機工作時處在最佳燃料經濟性曲線上，且盡量維持蓄電池SOC在設定的值，以保證續駛里程。通過對比分析不同的控制策略以及控制參數的優化結果，綜合考慮和分析得到適合不同設計需求的零部件選型和優化方案。3.3 優化結果分析針對上面的優化問題及控制策略，對其建立整車、零部件以及控制策略的模型；并基于Advisor庫中NYCC、ECE和New YorkBUS 3種具有代表性的城市循環工況相加進行優化仿真，采用MAT-LAB優化工具箱中的序列二次規劃(SQP)算法作為優化問題的求解器，設計變量主要包括燃料電池發動機功率PFCE、動力蓄電池單體數量nbat以及SOC值域，對兩種控制策略進行比較分析其優化

13、結果如表3所示。表3 不同控制策略的優化結果開關式控制策略一般應用于燃料電池發動機動態響應差、以蓄電池為主要動力源的能量混合型車型，因此一般采用比較大的蓄電池。對于這種控制策略，當電池SOC在0.30.7之間時，意味著蓄電池需要在很大范圍內提供動力，該控制方式下，燃料電池很少參與工作，大部分工況由蓄電池提供動力；而當電池SOC在0.40.6之間時，由于SOC控制范圍小，即蓄電池的工作范圍比較小，最終優化得到的蓄電池模塊數相對于電池SOC在0.30.7的控制策略少。電池SOC在0.30.7之間時，主要由蓄電池提供動力，電池容量大，充放電電流小，效率高，且電量的消耗均在燃料電池最高效率點補充，所以

14、經濟性好；而電池SOC在0.40.6之間時，蓄電池容量小，充放電電流大，效率低，且發動機啟動和停止時，由于有功率變化率的限制，消耗的燃料也多，所以經濟性比電池SOC在0.30.7之間差，見圖3。圖3 開關控制策略結果功率跟隨式控制策略適用于燃料電池發動機有較好的動態響應，以燃料電池發動機為主要動力源，且為中度或輕度混合的車型。該控制策略要求燃料電池能提供大部分的驅動能量，由圖4可以看到，燃料電池提供了大部分的能量，蓄電池用來彌補燃料電池不足的功率需求，其功率輸出基本在20kW以下，且電池SOC基本維持在0.5附近。由于燃料電池發動機動態變化，其工況點不是經濟性最佳點，但由于燃料電池在很大的范圍內有很高的效率，所以功率跟隨式控制策略得到的燃料經濟性比開關式控制策略電池SOC在0.40.6之間得到的經濟性好，但比電池SOC在0.30.7之間的經濟性差。由于工況的平均功率需求為50 kW左右，為了滿足動力性指標要求，需要的功率為200 kW左右，雖然兩種不同的控制策略導致基于工況的主要功率輸出部件不同，但由于動力性指標的限制，最終的結果零部件的功