燃料电池汽车动力系统及能量管理策略研究进展

动力系统是燃料电池汽车(FCV)的核心,可分为单一式系统与混合动力系统两大类,其中,将燃料电池与辅助电源相结合组成“电-电”混合动力系统,已成为业界主流。本文根据辅助电源类型的不同,提出3类FCV混动系统的构建方案,分别为燃料电池+动力电池方案、燃料电池+超级电容方案、燃料电池+动力电池+超级电容方案,并对各方案的优势和劣势进行比较。同时,本文综述了近年来国内外学者提出的面向FCV的代表性能量管理策略,从理论基础与求解方法的差异出发,将现有燃料电池汽车的能量管理策略分为3类:基于规则定义的策略、基于最优化方法的策略以及基于机器学习的策略,并总结了各类策略在最优性与实时性等方面的优势和劣势。其中,基于规则定义的策略最易实现,在工程应用中最为普遍,但无法实现性能最优;基于最优化方法的策略能够接近甚至达到理论最优,但存在计算量过大、计算耗时过长、实时性差等问题;以强化学习为代表的基于机器学习的策略有望在最优性与实时性之间实现理想的平衡,但目前还存在模型训练耗时长、试错代价高等困难,在实车应用层面还存在一定挑战。基于文献研究与分析,本文提出以下观点:1)以大功率燃料电池为核心的功率混合型系统是FCV混动系统的未来发展方向;2)必须进一步提升智能化程度,根据实际使用场景开发具有个性化的能量管理策略;3)亟需建立关于燃料电池汽车能量管理策略的综合评价体系。

船舶多堆燃料电池混合动力系统能量管理策略优化

为研究多堆燃料电池系统(MFCS)、锂电池为动力源的船舶混合动力系统的能量管理策略(EMS),本文提出一种基于粒子群优化(PSO)算法的多级功率分配策略。首先,利用一级EMS分析MFCS和锂电池需求功率,其次,构建以MFCS总效率为优化目标的二级MFCS协同控制策略,优化燃料电池之间的功率分配。最后,基于燃料电池混合动力船舶典型工况,分析船舶混合动力系统的功率分布、等效氢耗量及燃料电池系统效率、加减载速率。研究结果表明,与等效氢消耗最小化策略(ECMS)相比,该策略下的燃料电池1和燃料电池2的氢耗量分别降低了15%和23%,MFCS总效率提高了1.15%,且燃料电池的功率变化波动更小。该研究有助于提高混合动力系统中燃料电池的经济性和耐久性。

固体氧化物燃料电池在移动交通领域的应用及研究进展

固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell,SOFC)是一种可以将化学能直接转化为电能的能量转换技术,具有效率高、燃料选择灵活、杂质耐受能力强等特点.近年来,人们越来越重视SOFC在移动交通领域的应用.从SOFC的工作原理出发,重点分析SOFC在移动交通领域的应用优势,并介绍SOFC在移动交通中的应用形式,包括作为辅助电力单元和动力系统,并计算出其作为动力系统的油井-车轮(well to wheel,WTW)效率为34%~39%,远高于内燃机(14%~17%)和电池(27%),展现了SOFC作为动力系统的巨大潜力.接着,重点讨论SOFC发电系统的研究进展,包括原理性验证、能效提高和作为动力系统的性能研究等.最后,总结了目前SOFC在移动交通领域的应用现状,并对其应用前景进行展望.SOFC在移动交通领域有巨大的应用潜力,将为交通领域脱碳开辟新的路径.

氢能在重卡动力总成应用现状与展望

随着重卡销量逐年提升,对其低碳节能减排的要求越来越高;氢能是低碳环保燃料,在重卡动力总成应用日益广泛。当前,氢能在重卡动力总成应用主要有氢内燃机、掺氢燃烧内燃机和氢燃料电池三种方式。文章分析了当前氢能在重卡动力总成应用的技术研究和发展状态,并分析了三种动力总成方式的优缺点及发展战略。研究表明,基于国家对氢能支持发展的政策,氢能在重卡动力总成应用将得到发展,氢内燃机应加快开发验证;氢燃料电池解决技术瓶颈、成本等问题。通过对比发现,氢内燃机可以认为是氢能在重卡动力总成应用的过渡产品,氢燃料电池将是理想的重卡动力总成。

基于NEDC的氢-锂电池混合动力系统性能仿真

设计氢燃料电池-锂电池混合动力系统,利用AVL-CRUISE软件构建整车动力系统模型,基于新欧洲行驶测试循环(new European driving cycle,NEDC)对氢燃料电池各主要部件功耗、氢燃料电池性能、锂电池性能、氢燃料电池进气流量进行仿真验证系统的经济性和合理性。结果表明:NEDC全工况下,各部件中空压机的功耗最大,且与车速正相关;全工况耗氢量为0.089 kg,总行驶里程为10.926 km,耗氢量较低,经济性较好;氢燃料电池堆内工作温度为66~77℃,符合60~80℃的温度要求;锂电池在城市工况输出功率占比大于郊区工况输出功率占比;氢气过量系数为1.1~1.5,满足动力系统不同功率输出要求;实际空气流量与设定目标接近,控制效果较好。

氢动力总成及汽车发展态势分析

氢能作为二次清洁能源已成为全球能源结构转型的重要方向,是道路交通体系绿色低碳发展的重要支撑。氢燃料电池汽车与氢燃料发动机汽车是氢能应用的2大技术路线且互为补充。通过综述大量文献,分析氢能应用2大技术路线成熟度并总结其发展态势。分析结果表明,氢燃料电池汽车发展初具规模但仍面临诸多不确定性,氢燃料发动机汽车正加速进入工程应用阶段。氢动力总成及汽车的最终产品形态取决于绿色电力制氢成本与技术成熟度。

燃料电池混合动力参数辨识及整车控制策略优化

为优化燃料电池混合动力系统经济性及耐久性,建立了模型参数辨识及整车控制策略优化方法。首先给出了燃料电池混合动力系统氢气消耗及蓄电池模型参数的最小二乘离线辨识算法。台架试验验证了其有效性。其次给出了整车控制策略,包括电动机控制策略和能量管理策略两部分。电动机运行状态根据挡位信号和司机踏板信号可以划分为两类:制动状态和非制动状态。电动机目标转矩在这两类状态中采取不一样的计算方法。能量管理策略包括稳态分配和动态补偿两个模块。再次,采用基于多目标的遗传优化算法对整车控制策略相关参数进行优化,优化目标为混合动力系统在"中国城市公交典型工况"中等效氢气消耗量最小。工况测试结果表明,使用优化算法后系统经济性从9.6kg/100km提升到7.6kg/100km,减小了燃料电池输出功率的波动并维持蓄电池SOC在平衡点附近。

基于小波变换的燃料电池混合动力系统多能源管理策略研究

设计了一种由燃料电池、超级电容和锂离子电池组成的新型混合动力系统;提出了一种基于小波变换的燃料电池混合动力能量管理策略,实现了按功率需求的变化频率对燃料电池、超级电容和锂离子电池进行能量分配,从而改善了系统的性能,延长了部件寿命;进行了该系统的建模和仿真,结果表明该方法可以很好地实现功率分配,满足设计要求。

燃料电池动力系统仿真及实时控制平台开发

基于虚拟仪器环境开发了燃料电池混合动力仿真与实时控制系统,建立了基于模型的控制器开发平台。对混合动力系统中各部件进行了建模,采用LabVIEW Simulation Module开发了燃料电池动力系统仿真软件,基于嵌入式PC和LabVIEW Real Time Module开发了实时控制系统。实际应用表明,仿真与实时控制系统工作可靠。

燃料电池汽车动力总成控制策略

讨论了燃料电池汽车的动力总成负载均衡、动力蓄电池充电态闭环控制、燃料电池发动机功率的预测调节 ,以及电机回馈制动控制策略等问题 ;介绍了动力总成控制器的算法实现 ,并示例性地给出了实车转鼓测试结果 .测试结果表明 ,针对电电混合动力总成提出的基本控制策略能充分考虑动力总成各组成部件的动力和经济特性 。

燃料电池汽车动力系统功率平衡控制策略

燃料电池汽车动力总成控制的主要目的是平衡各个动力总成部件如燃料电池发动机、动力蓄电池和电动机 之间的功率流向和能量平衡,使车辆保持较好的动力性和经济性。依据燃料电池汽车动力系统基本拓扑结构,提 出了基于DC／DC变换器电流控制方式和基于模糊决策的蓄电池恒荷电状态控制的动力系统功率平衡控制算法,在 MATLAB环境中进行了离线仿真,并用快速控制原型方法进行了实车试验验证。

典型燃料电池轿车动力系统的关键技术

为推进国产燃料电池轿车的研发,分析了某款国外量产的燃料电池轿车动力系统所采用的创新技术。该燃料电池轿车在动力系统方面进行了多项技术革新,以提升最高功率、环境适应性、可靠性、耐久性和储氢质量容量,以及降低成本。该燃料电池轿车在动力系统构型、燃料电池电堆组件、高压储氢系统等方面所采用的燃料电池技术,对燃料电池研究具有借鉴意义,燃料电池系统的内部自增湿和双极板设计也是如此。

燃料电池轿车动力传动系统非线性动态特性仿真分析

某燃料电池轿车在加速起动与回馈制动时会发生明显的纵向冲击抖振现象。针对这一问题,建立包含电动机、电动机轴、减速器/差速器总成、左右半轴、左右车轮/车身七个子模块,考虑减速器齿轮齿侧间隙与啮合刚度特性以及轮胎-地面摩擦特性的非线性动力传动系统动态模型。运用Matlab/Simulink软件对起步加速与回馈制动工况下的整车与动力传动系统的动态响应进行了仿真预测。仿真结果表明,燃料电池轿车动力传动系统会在电动机工作转矩发生突变时产生动力传动系统的扭转振动现象和整车的纵向抖振现象,齿侧间隙会引起齿轮的拍击现象并加剧动力传动系统的动载荷。研究成果能够合理解释燃料电池轿车纵向抖振的机理,可以为燃料电池轿车等电动汽车的动力传动系统的动态匹配设计提供理论方法。

X-in-the-loop方法在燃料电池汽车动力系统测试上的应用

针对燃料电池汽车动力系统测试难以完全满足开发测试要求的现状,以及难以实现软硬件结合测试的特点,引入X-in-the-loop开发测试验证方法,并基于该方法开发了一套燃料电池汽车动力系统动态性能综合测试平台,可实现模型在环、软件在环和硬件在环等针对不同类型测试对象的匹配和性能测试。利用X-in-the-Loop方法进行燃料电池汽车动力系统及其关键部件的开发测试,可明显提高测试验证的效率,缩短时间,降低成本。

燃料电池混合动力系统建模及能量管理算法仿真

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(Direct current to direct current converter,DCDC)、镍氢动力电池和电动机等部件。根据台架试验数据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。燃料电池因长时间运行而造成的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近似。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(State of charge,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。

燃料电池汽车动力系统动态数学模型

建立了用于燃料电池汽车功率平衡控制算法设计的动力系统动态数学模型。该数学模型包括燃料电池发动机、电机及其控制器、动力蓄电池组。采用最小二乘参数辨识方法对模型中的未知参数进行了估计。基于所建立的数学模型通过设计线性二次型调节器建立了基于状态反馈的燃料电池汽车动力系统功率平衡控制算法。离线仿真和转鼓测试结果证明:所设计的控制算法达到既定的控制目标,从而证明所建立的动力系统数学模型用于控制算法的设计可行。离线仿真同实测数据对比证明:所建立的系统动态数学模型达到了较高的仿真精度。

一种新型双能源电动汽车的动力传动系统

对一种新型零排放电动汽车动力传动系统进行了研究,这种电动汽车以直接氢质子交换膜燃料电池为主要动力,以铅酸蓄电池为辅助动力。该电动汽车以巡航速度行驶时,由燃料电池供电,多余电量给蓄电池充电。在汽车加速、爬坡或高速运行等高功率需求工况时,由燃料电池和蓄电池同时提供动力。同时对该双能源电动汽车动力传动系统的参数进行了最佳匹配。最后对该电动汽车进行了仿真,结果表明动力传动系统的参数匹配是合理的,该电动汽车的动力性完全能满足设计指标要求。

燃料电池混合动力汽车动力系统匹配与优化研究

首先,基于中国客车典型循环工况对燃料电池混合动力系统进行匹配计算,确定了电动机、燃料电池发动机和蓄电池的基本参数;然后基于中国客车典型循环工况,建立燃料电池混合动力系统的优化模型,采用序列二次规划算法进行优化,分析了各种参数对整车燃料经济性的影响,包括燃料电池发动机与动力蓄电池之间的功率分配比、SOC的初始值与目标值、变速器传动比及传动比间隔以及主减速比等,为燃料电池混合动力汽车的构型提供指导。

燃料电池城市客车动力驱动系统的合理匹配研究

为实现国家"十一五"863重大科研项目——燃料电池城市客车专项的燃料电池城市客车动力性能指标,建立了燃料电池城市客车的整车动力系统结构形式,进而完成新样车的概念设计。对实际目标样车动力驱动系统不同部件(包括电机、变速器、燃料电池、蓄电池)性能参数的合理匹配理论和过程进行了详尽的研究。建立了基于电压控制策略的动力驱动系统仿真模型。仿真结果达到目标样车的动力性能指标,同时建立的仿真模型对进一步深入研究整车控制策略的优化具有重要指导意义。匹配理论和仿真模型对其他类型的电动汽车研究具有一定的参考价值。

燃料电池轿车动力系统线性二次型最优控制研究

建立了包括燃料电池发动机、电机及其控制器、动力蓄电池组在内的燃料电池轿车动力系统的动态数学模型,根据系统的噪声特性,将动力系统线性二次型最优控制问题归结为线性二次型高斯问题,并建立了考虑随机干扰的燃料电池轿车动力系统线性二次型最优动力控制算法。离线仿真和实车转鼓试验证明,该算法能够充分考虑动力系统主要部件的动力性和经济性,具有一定的实用价值。