燃料电池驱动系统能量管理策略评估
摘要
装配电化学电池的电动汽车的局限性证明了，对基于氢燃料电池技术新型解决方案强烈的研究兴趣能够增加电动汽车的续航里程并减少电池充电时间，同时保持重要的高效率和零局部排放的优点。一套燃料电池驱动系统在最优效率和性能方面的最好的工作状态是以特定的能量管理策略为基础的，这个能量管理策略被设计用来在车辆行驶中调节燃料电池、电子能量储存系统和电动驱动系统之间的功率流量。本文基于一个2.5kW的质子交换膜燃料电池堆和一个2.5kW的驱动电机的小型电动驱动系统展开研究。燃料电池系统被集成为包括一个DC-DC转换器、一个铅酸电池包和一个无刷电机的动力系统。实验在一个能够模拟车辆运行状况和特定行驶循环下道路特性的试验台上进行。实验在欧R40行驶循环下进行，使用不同的能力管理程序评估动态性能和能量消耗。
关键词：质子交换膜；燃料电池；动力系统；电动汽车；能量管理；行驶周期
1引言
众所周知，当前世界能源市场主要基于石油（约65%），并明显受到污染和
海湾政治问题的影响。另一方面，发展中国家的对于生活条件赶上发达国家的合理渴望和世界人口持续增长是能源需求增加和与此相关联的温室气体排放增加的主要原因。为了面对这一挑战，人们采取了两种主要手段，即提高能量转换效率和减少碳氢化合物的使用。为了达到这一目的，一种可代替的能源载体（例如氢气）的使用承担起了包括运输部门在内的所有领域能源利用的基本角色。
尽管传统发动机技术的提高已经部分地缓解了上述问题，并且进一步的改进能够提供附加的发展（如油电混合动力电动汽车），燃料电池汽车（FCVs）似乎是一种有前途的使用氢气作为能源的运输方式。事实上，FCVs将能够克服装配传统能量储存系统（驱动范围、电池重量和充电时间）的电动汽车的典型局限，而且能够成为一种高效率无污染的最主要的汽车技术[1-4]。
质子交换膜燃料电池是应用在汽车中最可能的候选者，因为其高功率密度和低的运行温度（60-90℃），因此如果燃料为纯净的氢则会具有的快速启动、动态表现好和服务可靠等优点[5,6]。氢氧化电化学反应的仅有产物是水，而且典型的堆积效率大于55%。由于它们耐二氧化碳而且可以用空气作为氧化剂，质子交换膜燃料电池低温表现优于其他类型的燃料电池，比如碱性电解液（AFC）。质子交换膜燃料电池的运行需要一些辅助部件，具体来说就是用于供应氧化剂的空气压缩机，用于加湿膜的热和水管理系统电池堆温度控制系统。这些辅助部件，例如空气压缩机，所需要的能量是很有效的，从而限制燃料电池系统的总效率[7]。
燃料电池电动汽车的发展需要包括燃料电池系统和具备适当能量管理系统
的电子能量储存装置的车载集成，然后，为了评估这些驱动系统在性能和效率方面的预期，储存和车载发电系统之间的不同混合程度必须在真实行驶条件下有效。
本文从安装于试验台架上的燃料电池驱动系统获得的实验结果。利用一个2.5kW的质子交换膜燃料电池堆，一个最大功率2.5kW的电机和一个铅酸电池包作为储能系统。目的是研究欧R40行驶条件下燃料电池系统的动态表现，获得动力驱动系统上不同能量管理策略的效果的信息。
2 实验
室内试验活动在一个完整的动力驱动系统上展开，此动力系统包括一个燃料电池系统，一个DC-DC转换器，一个电子能量储存系统，一个驱动电机和数据采集系统。这个驱动系统耦合的有一个电子制动器，从而通过人为设计的控制软件产生不同行驶循环。早先的论文中已经记录和讨论过上述部件的工艺特点，除了驱动电机，这里由于实验需要而改变了其比功率。所有部件的主要数据总结于表1，整体原理图由图1给出。 表1
全部驱动系统的工艺规格
质子交换膜燃料电池系统 电力输出
经过DC-DC转换器后 最大2kW
动态
最大变化率500Ws-1
氢
氮
最大电池堆温度（K）
纯度99.999%的H2
燃料电池系统入口气压：500kPa
燃料电池系统入口气流：至少3Nm3h-1 纯度99.999%的N2
燃料电池系统入口气压：500kPa
燃料电池系统入口气流：至少1Nm3h-1 <343
通信 以太网/TCP IP
最大流入冷却水温度（K） 333
单电池最大功率输出12V（A） 10
单电池最大充电电流（A） 4
空气压缩机
侧面通道，24V直流电机，最大压力16kPa
循环泵，24V直流电机，20kPa，71min-1
水泵（冷却和加湿）
驱动电机
类型 无刷
最大功率（kW） 2.5
额定电流（A） 32
最大电流（A） 100
母线电压（V） 48
电机电压（V） 35
极数 4
额定转速（rpm） 3000
最大转速（rpm） 6000
DC-DC转换器
最大入口电压（V） 34
最小入口电压（V） 19
额定入口电压（V） 24
额定输出电压（V） 48±1%
额定功率（kW） 2.8
额定效率（%） 86
牵引电池（铅酸）
电压（V） 12
容量（Ah） 38
图1 燃料电池动力总成原理图
由PROTON MOTOR燃料电池股份有限公司实现的燃料电池系统基于一个
2.5kW的以纯净的压缩氢为燃料的质子交换膜燃料电池堆。该燃料电池堆工作于低压（25-40kPa，终端操作）下，并配备所有燃料电池操作必须的辅助设备，例
如空气供给单元，燃料供给单元，冷却系统，加湿系统和燃料电池控制系统。该系统使用的是一个最大功率2.5kW的LAFERT无刷电机，与配备有控制逆变器的安装在轻型商业电动摩托车上的电机属同一类型。其特征曲线如图2所示，显示了不同转速下功率和转矩变化。一个包含四个单元的铅酸电池包被用做电能储存系统，每个单体12V，38Ah。
图2 电机特性曲线
电池堆输出电压范围为从34V的开路电压到22V的满载电压，电机需要48V
的直流电，所以需要一个DC-DC转换器将电池堆输出电压调整为适合电机需求的电压。在驱动系统能量流管理系统中这是一个关键部分，特别是它能通过选定的策略控制电池堆输出功率。这种控制通过该装置输出电流的自动调节来执行，该装置的输出决定于行驶循环所需的功率。在转换器后部，用一条直流总线实现转换器、电池包和电路负载直接的连接。电池和上下游DC-DC逆变器上安装有激光电压电流传感器，用以检测驱动系统不同部件之间的电能流动。电池堆流向直流总线的能量流是单向的，电池包通过再生制动过程中电池堆和发动机进行充电[8]，而当发动机需要的的能量大于燃料电池系统提供的能量时，电池包就需要进行放电。采用带I/O接口的实验板进行数据采集和电参数控制，用来影响DC-DC转换器的表现。
用于动态循环的自动执行的控制方案如图3所示。为了产生不同的行驶循环，发动机耦合了由特定软件控制的涡流制动器。因为发动机与车轮转速比固定，可以使用等效飞轮装置再现车辆惯性，而空气阻力和滚动阻力由涡流制动执行。速度PID控制器被用来模拟自动驾驶，而转矩PID控制器模拟车辆的空气阻力和滚动阻力。PID控制器经过实验编程并校准，集成于用来在行驶循环中控制制动器的整体软件里。最后，采用了一些安全开关，用来断开电池包或电池堆的瞬间电力负荷。