燃料电池驱动系统能量管理策略实验评估

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。

图3 动态循环自动调节的控制方案

3 结果与讨论

燃料电池系统的更多细节特征记录于[7]，其中测定了与单个子系统相关联的能量损失。电池堆和整体系统效率由下式得出，显示于图4，

电池堆效率：

?stackV?Vid (1)

其中V是测得的输出电池堆电压，Vid是可逆的开环松弛电压（每个单元1.23V），由式-ΔGf/2F给出，这里ΔGf是正常状态下反应式H2+1/2O2=H2O的吉布斯自由能，F是法拉第常数。燃料电池系统总效率由下式给出：

?FCS?PINDCPH (2)

2此式表达了DC-DC转换器输入功率和流入电池堆的燃料的热功率之间的比例。式(2)中，PH2由下式计算得出：

PH2Pstack? (3) ?the??rumtilstack其中，Pstack是有电池堆提供的功率；?therm是由ΔGf和ΔHf之比定义的热力学效率，此ΔHf对于氢气燃烧来说是较低热值的（298K下为0.98）；?util是燃料利用效率，为参加反应的电池堆中燃料量与流入电池堆中燃料量之比，其值由阳极净化阀的打开时间、打开频率和净化量的实验计算得出，为0.98。

图4中的数据显示，尽管系统中的能量损失有不同原因，燃料电池系统的总效率大约超过了很宽范围内负载的50%。主要的能量消耗是空气压缩机（1.8FCS功率大约120W），而较小的损失是冷却和加湿水泵（大约每个10W，相对于负载恒定）。进一步消耗是系统内部的各种电子设备，如电缆，传感器，电子阀，继电器以及控制系统面板。

图4 电池堆和燃料电池系统的效率与DC-DC转换器流入功率关系。

实验条件：R=2-6，T=60℃，PH2<50kPa，Pair<20kPa.

对整个动力系统的实验测试的主要目的是通过使用不同的能量管理策略评

估总体效率，验证电池堆包括启动在内不同动态阶段的表现。实验通过测试发动机在欧R40城市行驶循环工况展开。这个循环（图5）包括三个阶段：前两个阶段以加速、恒速和减速这几步为特征，第三阶段在返回零转速之前有两个恒定转速步骤（5000和3500rpm）。对于本文涉及的所有测试，燃料电池系统的能量贡献是通过保持DC-DC转换器输出电压参考值而规定的，所以它比最大的电池充电电压高，从而在循环中能量流总可以直接流向负载和/或电池。第一个实验通过把燃料电池系统用作一个功率调整源而展开，从而把提供峰值电压的任务交给储存系统。DC-DC转换器输出功率值相对于R40循环的平均功率保持恒定。

燃料电池系统转换器、发动机和电池包之间的功率分配与循环时间长度的关系如图6所示。电池功率曲线显示储存系统补偿了电力驱动的需求与燃料电池系统提供的功率之间的差值（图6中，电池功率的负值预示着能量流向了储存系统）。从电池流出的能量允许发动机功率达到峰值，在再生制动期间，电机工作为发电机时，电池功率下降为负值，预示着能量的局部回复。

图5 R40欧洲行驶循环

图6由燃料电池动力系统负载均衡配置和R40行驶循环（FCS功率=平均循环功率）下运行得出的实验结果：电池、输入电力驱动和输出DC-DC转换器功率相对于循环时间长度。

电池功率的表现影响着它在循环中的荷电荷量，如图7，但是荷电荷量的估计需要电池效率的初始条件。储存电池的电化学效率是η

定义为放电与充电batt，

时瞬时电流的积分之比，查看电池状态前后计算式一样的：

?batt?

?t?00tdIddtIcdt

c

图7在图6的实验中的电池荷电荷量随周期长度变化

其中Id和Ic分别是充放电期间电池的电流，td和tc是相应的周期长度。这种特定型号电池详细的行驶循环参考下效率的判断需要基于超出本文范围的特定测试下的电池荷电荷量的实验评估[9]。对于当前使用的铅酸电池，实验证明如果充放电很快则可检测到很低的能量损失。特别地，短期（大约30分钟）充放电能量效率高于所得的92%[10]。如果假定电池能量效率值为100%，则可以定义电池的荷电荷量为：

SOC(t)?SOC??IBatt(t)dt (3)

?tt?其中SOCo为时间to时的已知荷电荷量；Ibatt为电池交换电流。该定义被用在本文中以计算驱动循环中电池的瞬时SOC，开始电池电流的实验测量。为了证明电池效率100%假设，实现了一个特定的实验程序。特别地，新的电池包在生产厂商指定的避免能量损失的实验条件下实现了三个连续的充放电循环周期。第一个周期用来证明实际电池容量，第二个周期中，电池充电到期最大荷电荷量，然后放电到50%。然后进行了这种形式的一百个周期的序列显示于图6（对应于130km）。在这一系列实验进行完之后，电池包被完全放电。最后，根据使用手册进行了第三个周期的充放电再次证实电池包容量。此实验过程显示了在100个循环周期中电池只有很小的能量损失。这个假设中，根据方程式(3)计算的SOC显示于图7，图6作为参考。最大最小SOC极值点对应于FCS和电机驱动功率曲线的交点，例如，当发动机在加速过程中开始从电池获取能量时，或者在减速过程中电池从燃料电池系统充电时。传统的电池充电过程来自于再生制动。放电阶段对应于电力驱动的能量需求。

为了得到对动力系统及相应部件效率的完整估计，进行了换向器效率（?DC）

和驱动电机效率（?ED）的实验判断。两者都是通过计算输出与输入电压之比而得，即

?DC

POUTDC?PINDCPOUTED?PINED (4)

?ED (5)

驱动循环中动力系统总效率由方程式(6)决定，假定电池效率为100%，把SOC终止设为最初水平：

?PT??FCS?DC?ED (6)

图6-7中涉及的实验的能量总和在获得电流和电压时通过数值积分计算得出。这些值及相关效率的计算记于表2和表3，其中的符号意义如下：

t21EStack??t1PStackdt EFCS??t?t1t21PINDCdt

EDC??tt2POUTDCdt EED?t2PINEDdt

t21Ebatt?EH?2?tt21VbattIBattdt ELoad??tTm?mdt

1?utill?tt21?HfMh2ncellsIdt?2F?tt21Phdt

2表2

R40循环负荷平衡配置下（FCS功率=平均周期功率）燃料电池动力系统测得能量流

EH2 Estack EFCS EDC EED

Wh 44.8 28.0 22.5 18.0 17.9

Eload Ebatt EbattIN EbattOUT Ebreaking regenerative

13.4 -0.4 -10.1 +9.6 -1.2

表3

R40循环负荷平衡配置下（FCS功率=平均周期功率）效率计算

ηFCS ηDC ηED ηPT

% 50 80 75 30

其中，Vbatt为电池电压；Ibatt为电池电流；Tm为制动转矩；ωm为发动机转矩；MH2为氢气化学分子质量；ncells为燃料电池单元数目；I为电池堆电流。

Eload是整体测试过程中发动机提供的能量，EH2是氢气提供的能量，Ebatt是从与燃料相关的能量流出到驱动系统，由于部件不同而损失的能量可以计算循环周期中与电池交换的净能量。

出。燃料电池及其辅助设备引入了一个大约50%的可用能量的减少，而更少的损失是由于电子设备，如转换器和发动机，效率分别为80%，75%。再生制动产生的能量是1.2Wh，对应于进入驱动电机的能量的7%。车辆的有效机械能为13Wh，为总动力系统效率的30%。表2中的数据显示循环中显著数量的能量流过储存系统（大约为燃料能量的22%）。这证实了电池在动力学负荷平衡过程中的至关重要的作用。

另一个可能的基于燃料电池的驱动系统工作策略是负荷跟踪过程，它允许储存系统最小化。这种情况下，车载电池可以将供给车辆辅助系统的容量最小化而且可在再生制动过程中节约能量。在负载跟踪配置下，必须控制转换器输出功率从而将循环中瞬间所需的全部功率供给驱动电机。由于本研究中使用的实验装置包含一个与发动机功率相当的燃料电池系统，所以可以使用该过程进行实验。燃料电池系统加上转换器、发动机和电池包的功率相对于循环周期长度的变化如图

8显示，与燃料、电池堆和燃料电池系统相关的功率显示于图9。从图8中可以明显看出电池的有限贡献，实际上电池的功率峰值总是低于500W。此外，储存系统允许再生制动类似于负载平衡过程，并且有助于循环加速的开始阶段的动力学过程，这补偿了燃料电池系统介入的延迟。测得的转换器输出功率曲线显示整个R40循环期间一个满意的动态运行状况，特别是由燃料电池系统通过转换器提供的能量完全满足发动机所需的功率峰值。电池堆和燃料电池系统动态过程由图9所示结果确定，从中可以导出从燃料到转换器入口的能量损失的标志。

图8 R40驱动循环工况下燃料电池动力系统在负载跟踪配置下得到的实验结果（FCS功率=发动机功率）：电池、驱动电机输入功率和DC-DC转换器输出功率相对于周期长度的变化

图9图8的实验中氢气、电池堆和燃料电池系统的功率相对于循环周期长度的变化

负载跟踪测试中电池的荷电荷量由图10给出。R40循环中荷电荷量的微小

变化证实了测试过程中有限的能量流过储存系统。从两个过程中SOC曲线最大变化的比较中可以得出，至少三倍以下的电池容量可以应用于负载跟踪测试。

图10图8实验中电池荷电荷量与周期长度的关系

负载跟踪测试中燃料电池系统动态运行状况和性能可以通过检测一个周期

长度内供给到电池堆的空气与燃料的化学计量比来分析。这个比率定义为R=Reff/Rstoich，其中Reff是实验中使用的空气和氢气流量比，Rstoich是氢气氧化的化学方程所需相同比率。质子交换膜燃料电池的R值作为负载函数从2到6波动，并且为了保证阴极氧气充分的局部压力，其值不能小于1.8。在R40循环的快速加速阶段这个比例有几秒钟低于2（见图11），这是由于空气压缩机响应了相应发动机所需功率产生的轻度延迟。为了分析电池堆在这些高负载条件下的运行状况，监测了单个燃料电池电压，如图12所示，其中电压以R40循环中电池堆达到的最大电压为参考。由于电压波动低于平均电压的2%，因此得到了很好的均匀性。

图11图8实验中电池堆化学计量比相对循环周期时间的变化

图12图8实验中电池堆最大功率时初始燃料电池单体电压

负荷跟踪测试能量和效率的计算列于表4和5，由于燃料电池系统的能量损失与负载找平测试期间检测到的相当，实际上系统效率（表5）是仅略逊于记录

表4

R40循环负荷跟踪配置下（FCS功率=平均周期功率）燃料电池动力系统测得能量流

EH2 Wh 48.5

Estack EFCS EDC EED Eload Ebatt EbattIN EbattOUT Ebreaking regenerative

28.3 23.3 18.5 16.7 12.5 -1.6 -5.5 +3.9 -1.6

表5

R40循环负荷跟踪配置下（FCS功率=平均周期功率）效率计算

ηFCS ηDC ηED ηPT

% 48 80 75 39

在表3中的相应值（48%对50%）。转换器和发动机的效率等于负载平衡测试（分别为80%和75%）。另一方面再生制动能量回收是1.6Wh，其对应于电驱动装置约10%的能量（表4）。总动力传动系统效率是29％。表4中的数据还表明，最小量的能量（约8％的燃料能量）在循环期间通过存储系统。这证实了负载跟踪配置下减少车载电池容量的可能性。

以上显示的结果通过基于电池堆功率的控制的能量管理策略获得，而随之的

测试则是通过控制电池SOC展开的。特别地，SOC在两个预定值之间的范围内自由波动，而FCS功率在对应最大效率（1000瓦特，如示于图4）处保持恒定。该实验的结果记录在图13和图14中。储存系统使用R40循环进行充电（图13），使得SOC从31.55增加到32.27Ah（图14）。此实验的能量和效率的计算记录于

表6和7。这里发现FCS的效率（51%）较之前的实验稍高。驱动电机效率保持不变（75%），但是转换器工作于最佳功率范围内时输出了一个更高的效率（87%）。也观察到进入发动机的能量再生了大约10%。作为结论，动力系统总效率（ηPT）

图13 R40驱动循环工况下燃料电池动力系统在负载跟踪配置下得到的实验结果（FCS功率

于最大FCS效率）：电池、驱动电机输入功率和DC-DC转换器输出功率相对于周期长度的

变化

为33%。然而，有必要注意这个控制策略中必须使用一个更高的相对于负载跟踪过程的电池效率。此外，电池以取决于储存系统容量的频率放电过程中FCS必须关闭。

图14图13实验中电池荷电荷量随时间变化

表6

R40循环负荷平衡配置下FCS功率于最大FCS效率时燃料电池动力系统中能量流动的测定值

EH2 Estack EFCS EDC EED Eload Ebatt EbattIN EbattOUT Ebreaking regenerative

Wh 120.1 68.4 60.5 52.8 15.1 11.3 -37.7 -38.7 +1.0 -1.4

表7

R40循环负荷平衡配置下FCS功率于最大FCS效率时的效率计算

ηFCS ηDC ηED ηPT

% 51 87 75 33

为了分析伴随启动阶段FCS的能量损失，进行了以下实验。特别地，一些启动测试采用了两个初始电池堆温度（15℃和30℃），每个温度下使用两个功率加速到1200W（分别为20和200Ws-1）。每个加速之后，系统保持在稳态条件下知

道电池堆温度达到45℃。电池堆和FCS效率与时间及在电池堆温度始于15℃的关系曲线显示于图15和图16。两个功率加速选定的最终电池堆温度经过大约10分钟后达到，而电池堆效率在两个加速斜坡的终端达到最小值（在1200W处）大约0.53。当电池堆温度达到45℃时，效率增加到0.59，而两个测试中当功率达到它设定的最大值（1200W）时FCS效率从0.45增加到0.50。从图15和图16可以导出能量损失是由于600s的暖车阶段；它们大约占FCS稳态最大效率的5%。

图15 FCS温度由15℃升到45℃，电池堆功率从200Ws到1200W，

FCS效率、电池堆效率和温度与时间的关系

-1

图16 FCS温度由15℃升到45℃，电池堆功率从2000Ws到1200W，

FCS效率、电池堆效率和温度与时间的关系

-1

在20到200Ws-1之间功率加速过程的变化对能量损失的影响并不显著。以30℃作为启动温度的启动运行状况也已被证实。在20 Ws-1处得到的结果由图17给出，从中计算出了暖车阶段2%的能量损失。如果考虑由于频繁启动造成的能量损失，

最终控制策略的整个动力系统效率就相当于从负载平衡和负载跟踪过程中获得的动力系统效率。

图17 FCS温度由30℃升到45℃，电池堆功率从200Ws到1200W，

FCS效率、电池堆效率和温度与时间的关系

-1

从燃料电池驱动系统获得的全部实验结果提供了一些驱动系统的能量管理一般的注意事项。特别地，表3、5、7中，可以观察到以R40循环计算的总效率（ηPT）受给定的控制策略的影响并不显著。事实上，当FCS和转换器以其最大效率工作在稳定工况下时（见表7），经过暖车能量损耗的修正之后的总效率值趋向于30%，这与另外两个过程中获得的结果相似。这个可以归结于燃料电池系统的主要特征，图4已做了很好的演示，即负荷对FCS效率的影响微不足道，这也是与内燃机的主要不同。只有通过在多而长的低负载为特征的驱动循环采用负荷跟踪过程，总效率才能由于更低的FCS效率而显著低于30%。考虑到动力系统其他组件，转换器对总效率的影响必须首先考虑到。特别地，这一部分是任何控制策略正确实施的基础，而且关于应用应当被特别地设计，并仔细匹配FCS，包括最大功率和电流。另一方面，本文中应用于所有实验的驱动电机是商业设备，通常安装在轻质电动摩托车上，而且效率并不很高。

电动汽车的主要问题是对大而重的电池包的需求，以保证所需的驱动范围。另一方面，燃料电池动力系统中负载跟踪过程的使用允许储存系统的大小显著减少，并伴随一系列好处，包括乘客空间和能量消耗。

4 结论

经过实验测定了一个2.5kW的基于2.5kW质子交换膜燃料电池的燃料电池动力系统的特征，目的是为了调查不同能量管理策略对性能的影响，和单个子系统与整个驱动系统的效率。实验在一个能够模拟欧R40驱动循环的实验台架上展开。

三个燃料电池系统的控制策略调查中驱动循环中动力系统的总效率大约是

30% ，三个控制策略分别是稳态、动态和周期性启动和关闭的稳态。这个运行状况是源于燃料电池系统效率相对负载的特性曲线，其结果是在宽功率范围内效率大约为50%。

考虑其他重要因素，比如重量、大小和电池包耐久性，负载跟踪控制策略似乎是燃料电池汽车在能量消耗最合适的选择。这是因为它使得车载储存系统最小化，而车载储存系统主要作用将会是在再生制动中回收能量。在这方面，与电池相关的具有低容量高功率峰值的超级电容的使用也应被考虑进去。

感谢

非常感谢Istituto Motori的Giovanni Cantilena先生参与实验装置的布置和实验的实施。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/4vs6.html