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1、精品论文基于电流模式的间接燃料电池汽车混合动力系统能量分配肖朋1,2,3，全书海1,2,3，谢长君1,25（1. 武汉理工大学自动化学院，武汉 430070；2. 武汉理工大学新能源检测与控制研究中心，武汉 430070；3. 武汉理工大学汽车工程学院，武汉 430070）摘要：如何分配燃料电池和蓄电池能量是燃料电池混合动力汽车的关键问题。燃料电池的输 出电压通过 DC/DC 变换器升压，DC/DC 变换器输出端正、负极与磷酸铁锂电池组的正、负10极相连，DC/DC 变换器执行整车 CAN 网络的电流命令控制 DC/DC 变换器输出电流，从而控制 DC/DC 变换器的输出功率，燃料电池的输出功
2、率得到控制，实现燃料电池和磷酸铁锂 电池组的功率分配。根据磷酸铁锂电池组的荷电状态（SOC），采取不同的分配比例。进行台架试验，对试验结果进行分析。关键词：燃料电池；燃料电池混合动力汽车；能量分配15中图分类号：U469.7Current control- based power distribution of indirect fuel cell hybrid vehicleXIAO Peng1,2,3, QUAN Shuhai1,2,3, XIE Changjun1,2(1. School of Automation,Wuhan University of Technology,Wuhan
3、 430070;202. Detection and Control of New Energy Research Center,Wuhan University ofTechnology,Wuhan 430070;3. School of Automotive Engineering,Wuhan University of Technology,Wuhan 430070) Abstract:How to distribute the power of fuel cell and the energy storage device is a key issue of the fuel cell
4、 hybrid vehicles.The output voltage of the fuel cell is boosted through the DC / DC25converter ,positive level and negative level of the output terminal of the DC / DC converter are connectedwith the positive terminal and negative terminal of the lithium iron phosphate batterygroup. Output current a
5、nd output power of the DC/DC converter are controlled by the vehicle CAN network,So the output power of the fuel cell is controlled.The power distribution between fuel cell and Lithium iron phosphate battery group is realized.Different proportional coefficient is30adopted according to different SOC
6、of the Lithium iron phosphate battery group .Key words: PEMFC;Hybrid fuel cellbattery vehicle;Power management0引言随着传统内燃机汽车造成的环境污染问题日趋严重，对清洁环保的质子交换膜燃料35电池混合动力汽车的研究成为学术界和工程界的热点，燃料电池与辅助能源（蓄电池或超级 电容）的能量分配是其中的关键问题之一1-6。国内外学者从仿真和实验的角度开展了燃料 电池与辅助能源功率分配的研究7-11。陈超等采用恒压式能量分配算法对一种直接燃料电池 汽车混合动力系统进行了试验12。燃料电池与电机
7、驱动系统之间直接相连，称为直接燃料电池混合动力系统；燃料电池与电机驱动系统之间通过 DC/DC 变换器间接相连，称为间接燃料基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金（20090143110004）；国家自然科学基金主任基金（51247003）； 国家自然科学基金青年基金（61004018/F030102）；国家 863 计划（2012AA110601） 作者简介：肖朋（1979-），男，讲师，主要研究方向：燃料电池混合动力汽车控制 通信联系人：全书海（1955-），男，教授，主要研究方向：燃料电池技术和电动汽车动力系统控制. E-mail:- 7 -40电池系统13。本文构建了以交流电力测功机
8、为负载的试验台架，实现了一种间接燃料电池汽车混合动力系统的基于电流模式的能量分配，控制方法简单，满足汽车动力需求，有一定实 用价值。1间接燃料电池汽车混合动力系统试验台架45间接燃料电池汽车混合动力系统试验台架结构如图 1 所示。牵引电机、转矩传感器和变 频电机固定在铸铁平台上，通过联轴器同轴联接。图 1间接燃料电池汽车混合动力系统试验台架结构Fig. 1 indirect fuel cell vehicles hybrid system test bench structure50表 1 间接燃料电池汽车混合动力系统试验台架参数Table 1 indirect fuel cell vehic
9、les hybrid system test bench parameters部件参数燃料电池(质子交换膜)额定功率：15kW 最大功率：18kW磷酸铁锂电池组（97 节串联）310V/40Ah，12.4kWh，型号：SE40AHA，重量：145.5kgDC/DC 变换器额定功率：15kW 最大功率：18kW 输入电压：120V-200V 输出电压200V-350V牵引电机（永磁无刷直流电机）额定电压：312V额定功率：11 kW 峰值功率：27 kW 额定转速：3000r/min最高转速：6000r/min转矩传感器型号：BRC-8200，量程 200Nm变频电机额定功率 30 kW、额定电
10、压 380V、额定电流 56A、额定扭矩 97Nm变频柜ABB 变频器型号 ACS800-04-0035牵引电机转矩T 与汽车道路行驶相关参数关系为：55T=rig i0h（ mgf+CD A u 221.15 a+ mgi +d m du ）dt(1)式(1)中 g 为重力加速度， i 为坡道斜度， CD 为风阻系数， m 为汽车质量， A 为汽车迎风面积，u 为汽车速度(m/s)，ua 为汽车平均速度（km/h）， f 为滚动阻力系数，d 为汽 车旋转质量换算系数。60牵引电机转速 n 为：(2)n=2.653ua ig i0r式（2）中 r 为汽车驱动轮半径， ig 为变速箱速比； i0
11、 为主减速比；h 为传动效率。牵引电机功率为：65T * nPM = 9559（3）2基于电流模式的能量分配锂电池组管理系统监测锂电池组单体电压、锂电池组端电压、输出电流，荷电状态（SOC)等信息。燃料电池主控制器监测燃料电池输出电压、输出电流等信息。工控机通过 CAN 网络 与燃料电池主控制器、锂电池组管理系统、DC/DC 主控制器、电机控制器、变频柜等进行同70步通讯。基于电流模式的间接燃料电池汽车混合动力系统能量分配如图 2 所示，UFC 、I FC 、 PFC 分别为燃料电池输出电压、输出电流和输出功率。U DC 、 I DC 、 PDC 分别为 DC/DC 变换 器的输出电压、输出电
12、流和输出功率。U LiB 、 I LiB 、 PLiB 分别为锂电池组输出电压、输出电流和输出功率， PM 为牵引电机功率。hDC 为 DCDC 变换器转换效率。U DC 与U LiB 、U 的值相等。75图 2 间接燃料电池汽车混合动力系统能量分配图Fig. 2 indirect fuel cell vehicles hybrid system power distributionPDC = U DC I DC(4)PDC = PFC80 hDC（5）h /U (6)I DC = PFC DCDC基于电流模式的间接燃料电池汽车混合动力能量分配的特征为：锂电池组电压输出的正负极分别通过开关与牵
13、引电机的控制器输入电压的正、负极以及 DC/DC 转换器输出电压的 正、负极相连；辅助蓄电池为容量较大的磷酸铁锂电池组，磷酸铁锂电池组的端电压能与电 机控制器的输入电压相匹配；磷酸铁锂电池组容量较大，可以单独驱动汽车；DC/DC 变换器85只能单向输出能量，DC/DC 转换器执行来自工控机 CAN 网络的电流命令，通过控制输出电流 I DC 控制 DC/DC 转换器的输出功率，从而控制燃料电池的输出功率；锂电池组输出能量可双 向流动且能快速跟随牵引电机功率变化，当牵引电机工作在驱动状态需要功率时锂电池组能快速提供能量，当牵引电机工作在制动状态回馈能量时锂电池组吸收回馈能量；汽车行车过 程中，锂
14、电池组荷电状态（SOC）应保持基本均衡，尽量保持在锂电池组高效 SOC 区间。FC90为了延长锂电池组使用寿命，磷酸铁锂电池组充电电量应不超过 90%，放电电量应不超 过 80%。锂电池组高效 SOC 范围为 55%-65%。设燃料电池输出功率 P 与电机功率 PM 的比例 为a 。根据经验得出，汽车正常行驶时，根据不同的 SOC 值，a 取值如表 2 所示。95表 2 不同 SOC 值时a 取值规则Table 2a value rule according to the different SOC valuesSOC0%-20%20%-40%40%-55%55%-65%65%-80%80%-
15、90%90%-100%a1.41.251.110.850.60.2100当a 大于 1 时，燃料电池不仅给牵引电机供电，同时给锂电池组充电。当a 小于 1 时， 燃料电池和锂电池组共同给牵引电机供电。当a 等于 1 时，主要由燃料电池给牵引电机供电， 锂电池组进行功率微调。由式（6）得，DC M DCI =a P hDC /U（7）DC锂电池组端电压U LiB 变化范围较小，一般为 300.7V-329.8V，燃料电池额定功率为 15kW ， 试验可得hDC 范围为 0.92-0.96，由式（7）计算可得 I 的值不超过 47.88A。基于电流模式的间接燃料电池汽车混合动力能量分配方式为：根据
16、汽车参数和工况数据105由式（1）和式（2）计算T 和 n ，由式（3）计算 PM ，查表 2 得到a ，由式（7）计算3台架试验I DC 。22f试验主要参数：r = 0.343m；CD = 0.3； A = 2m ； m = 1150kg； g = 9.8 m/s ；=0.012；110i = i0 * ig = 4；h =0.9。试验采取工况运行模式，运行时间 1184 秒。牵引电机转速如图 3 所 示；牵引电机功率、燃料电池输出功率、锂电池组输出功率如图 4 所示，当牵引电机启动时，燃料电池起动较慢，锂电池组可快速供电，当牵引电机需求功率跃增时，锂电池组快速供电；燃料电池输出电流、DC
17、/DC 变换器输出电流、锂电池组输出电流如图 5 所示，当 I LiB 为正时，锂电池组放电，当 I LiB 为负时，锂电池组充电；锂电池组荷电状态（SOC）如图 6 所示。115120图 3 牵引电机转速Fig. 3 traction motor speed图 4 牵引电机功率、燃料电池输出功率、锂电池组输出功率Fig. 4 traction motor power, fuel cell output power and lithium battery group output power图 5 燃料电池输出电流、锂电池组输出电流Fig. 5 fuel cell output current
18、 and lithium battery group output current1254结语图 5 锂电池组 SOCFig. 6lithium battery group SOC130135本文提出了一种基于电流模式的间接燃料电池汽车混合动力系统能量分配方法并在台 架上进行了试验，方法简单实用，可有效保护燃料电池，满足汽车动力需求。在今后的研究 中，将分析汽车的氢气消耗量，结合燃料电池特性，在保证汽车动力性能的基础上提高经济 性。参考文献 (References)1 Zheng, C.H. ,Kim, N.W. ,Cha, S.W. .Optimal control in the power
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26、ne to Online and Experimental Results J.IEEE transactions on vehiculartechnology ,2012, 7(61):2452-245712Chen Chao,Cao Guijun,Lu Languang et al. Constant Voltage Energy Distribution Algorithm for PowerSystem of Power-type Fuel Cell VehicleJ . Automotive Engineering，2007,29（2）: 101-104. (in Chinese)16513 Qin KongjianGao DaweiLu Qingchun et al. Study on Configuration of the Hybrid Power System of FuelCell Electric VehiclesJ .Automobile Technology,2005，4: 24-27. (in Chinese)