燃料电池汽车混合动力系统参数匹配与优化
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新能源汽车
燃料电池汽车混合动力系统参数匹配与优化
王 平 黄小枫 (武汉理工大学, 武汉 430070)
=摘要 > 首先分析燃料电池的特性 得出了 动力总 成结构 配置的优 化解决 方案, 并且根 据设计 性能要 求
进行动力总成主要部件基本参数设计 ; 最后基于典型的客车循环工况, 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对混合动力系 统的两种能量管理策略进行优化仿真, 其结果符合设 计要求。
并联结构的混合动力客车及其纯电动 汽车, 电压
等级为 300~ 650 V。
作为混合动力系统的 PPS, 蓄电池最大放电功
率必须满足:
P BA \
P maxr Gm
+
PA
-
P FCE
= 122 kW
( 10)
同时蓄电 池还必须具备一定的充电 功率, 以
吸收制动时的回馈能量。考虑到电池的特性和电
机的回馈功率, 充电功率应大于 70 kW。
增加峰值功率 系统 ( PPS), 不仅可以 吸收回馈能 量、降低成本, 而且可以弥补 FCE 启动时间长、动 态响应差的缺点。采用这种结构的动力系统称为 燃料电池混合动力系统。
/ 燃料电池 + 动力蓄电池 0是目前研发的燃 料电池混合动力系 统主要构型 [ 2] , 主要有如 图 1 所示 4种结构 。结构 ( a)、( b)和 ( c)中, 燃料电 池和驱动系统都是间接连接, 可以在一些特定条 件下的场地车上使用, 但受目前燃料电池技术水 平的限制, 这 3种动力 系统结构难以在功率需求 和功率波动都比较大的车型上实现。结构 ( d)的 优点是: 蓄电池可回收 再生制动的能量和吸收燃 料电池富裕的能量; 蓄 电池组作为燃料电池发动 机的输出功率平衡器, 调节燃料电池发动机的效 率与动态特性, 改善整车燃料经济性, 提高动态响 应速度。
额定功率:
PN
=
1 GT
(
Gfu 3 600
+
CD 76
Au3 1 40
)
=
46
kW
( 7)
2. 1. 2 电机额定转速和最高转速确定
电机的最高转速对电机的额定转矩和传动系
尺寸都有影响。在额定功 率一定的前提下, 最高
转速越低, 对应的电机额定转矩越大, 一方面对电
机的支撑要求越高, 另一方面要求更大的电机电
80 整车满载总质量 ( kg) 14 960
30
迎风面积 ( A /m2 )
6. 15
20 空气阻力系数 (CD ) 0. 65
0. 48
主减速比 ( i0 )
6. 5
2 燃料电池混合动力系统参数匹配
2. 1 电机参数设计 目前, 可用作车用驱动电机的有直流电机、交
流感应电机、永磁同步电机、直流无刷电机、开关 磁阻电机等。交流异步电 机由于结构简单、坚固 且控制性能好, 被欧美 国家广泛采用。永磁同步 电机和直流无刷电机能量密 度和效率较高, 在日 本得到广泛应用。开关磁阻电机应用较少 [ 3] 。
电压等级、功率需求和能量需求。
首先, 电池电压等级要与电机的 电压等级保
持一致, 其次就是最大 充放电功率要满足电机的
功率需求和能量需求。理论上, 电机的峰值功率
越大, 电气系统的电压等级越高, 对保证电流不超
过一定限值是有利的, 但是电压等级也不能超过 电气系统的 最高电压限值。研究统计表 明 [ 4] , 串
=Ab strac t> F irstly, a configuration scheme of hybrid powertra in system is adopted based on the analysis of the characteristic of fuel cel.l Then according to the performance requ irements of fuel cell veh icle, the appropriate types of ma jor power components are selected and the ir basic parameters are defined. F inally, based on the typ ical bus driving cycle, an optim izat ion model for the powertrain of FCV is buil.t By using sequent ial quadrat ic programm ing algorithm, an optim ization simu lation on two d ifferen t energymanagement strategies for a fue l cell vehic le is conducted. The resu lts meet the pract i2 ca l design requ irements.
优化设计以满足动力性指标为前 提, 以给定
的循环工况作为输入, 以燃料消耗量最小为优化
目标, 即:
M in- e(P FCE- out ( t) )
t
Q 其中 e(P FCE ( t) )
=
0
P
FCE_ou t
GFCE (
(t t)
)
d
t
有以下 5个约束条件:
( 11) ( 12)
( 1)由能量守恒得:
率只代表当电机的转 速高于基速时的过载能力,
电机以最大功率连 续运转的时间不 能超过 30 ~
60 s, 因此车辆实际行驶过程中要求电机的过载时
间不能太长。
初步选 定电 机额 定功率 100 kW, 最大 功率
160 kW, 额 定 转 速 为 1 860 r /m in, 最 高 转速 为
4 800 r/m in, 额 定 转 矩 为 650 Nm, 最 大 转 矩 为
)
=
93
kW
( 3)
( 2)若给出最大爬坡度, 则满足车辆爬坡性能
时忽略空气阻力和加速阻力:
PC
=
1 GT
(
Gf 3
u stab 600
+
G iu stab 3 600
)
=
155
kW
( 4)
式中, ustab为最小稳定车速。 基于以上计算, 取 P max = 160 kW ( 3)若要满足车辆的加速性能要求, 则在水平
加速时间为 23. 8 s, 则此电机的功率满足车辆的加
速性能要求。
电机额定功率的选取要考虑到车辆的实际行
驶状况, 使车辆的经常 行驶功率与电机的经济区
上海汽车 20101 03
对应, 即车辆经常使用工况下电机能以经济的负
载率运行。通常, 电机额定功率可按照巡航车速
来选取, 巡航车速一般为 0. 6~ 0. 8umax。以巡航车 速 u= 50 km /h 行驶时所需的功率为驱动电机的
=主题词 > 混合动力 燃料电池 汽车 动力系统
1 燃料电池汽车动力系统结构配置
燃料电池作为车用动力电源有效 率高、污染 小、动力传动系统结构简单等诸多优点, 但在实际 应用中也存在一些问题 [ 1] 。
( 1)燃料电 池的输 出特性 偏软, 作为 车用电 源, 无法满足负载频繁剧烈的变化, 因此必须在电 机控制器和燃料电池之间增加必要的功率部件进 行阻抗匹配。
燃料电池电动客车电机的最大功率的 确定,
# 8#
图 2 电机外特性
必须按照性能指标的要求, 满足最 高车速时的功
率要求 P e; 并且能为车辆提供加 速功率 P a 和爬
坡功率 P c, 因此功率参数的选择要依照车辆具体
的行驶工况, 对比 各工况 下的需 求功率 值, 考虑
传动系效率, 选择其中的最大值作 为最大功率值
蓄电池 (镍氢 )
160 额 定电压 ( V )
315
100 额定容量 (A h)
30
4 800 最大放电功率 ( kW ) 130
1 860 最大充电功率 ( kW ) 80
燃料电池发动机 额定功率 ( kW ) 100 最大功率 ( kW ) 120
3 燃料电池混合动力系统优化
3. 1 优化模型
良好路面上, 车辆的行驶加速度计算式为:
du dt
=
F
t-
Fw Dm
Ff
=
Pt
-
Pw uDm
Pf
( 5)
则车辆由起步加速到车速 u 的加速时间为:
Q Q t =
1 3. 6
u 0
(ddut )du
=
1u 3. 6 0
Pt u
-
Dm Fw -
du Ff
( 6)
应用计算机编程, 电机功率取额定值, 计算得
率; Gm 为电机及其逆变器效率; P A 为辅助设备功
率消耗。
考虑燃料电池的制造成本和比 功率等因素,
在满足设计性能要求的基础 上, 应尽可能降低其
上海汽车 20101 03
新能源汽车
功率级别。
混合型式 下, 燃料电池功率满足 车辆持续最
高车速行驶时的功率需求即可:
P FCE
=
1 GDCF Gm
(
有瞬间大电流充放电的能力, 虽然充放电电流很
大, 但由于持续时间都较短, 因此电池 SOC 的波动
范围不大。
目前可以作为车用辅助动力源的蓄 电池有:
铅酸电池、镍氢电池、锂离子电池。其中锂离子电
池具有较出色的功率能量性能, 但存在使用安全 的问题 [ 1 ] 。
对蓄电池的参 数设计主要有 3个性 能要求:
( 2)车用燃料电池作为单一电源其启动时间 长、动态响应速度较慢, 无法满足车辆运行过程中 负载的快速变化需求; 燃料电池功率密度较低、成 本高, 若仅以燃料电池满足峰值功率需求, 势必会 造成整备质量和成本的增加; 无法吸收回馈能量, 不能实现制动能量的回收。
在燃料电池发动机 ( FCE )和电机控制器之间
电机是燃料电池汽车驱动的唯一 动力, 需要 满足起步、怠速、加速、匀速、减速、爬坡等工况的 要求。通常适用于电动车辆使用的电机外特性如 图 2所示。在额定转速 nN 以下, 以恒转矩模式工 作, 在额定转速 nN 以上, 以恒功率模 式工作。相 应电机的参数选择包括: 电机额定功率 PN、电机最 大功率 P max、电机额 定转速 nN、和电机 最高转速 nm ax。 2. 1. 1 电机最大功率和额定功率的确定
辅助动力 模式情况下, 对蓄电池 的能量要求
不像功率要求那么严格, 一般可以满足需要。
通过以上匹配计算确定混合动力系统主要部
件参数, 如表 2所示。
# 9#
新能源汽车
表 2 燃料电池 混合动力系统主要部件参数
交流电机 峰值功率 ( kw ) 额定功率 ( kw ) 最高转速 ( r/min) 额定转速 ( r/min)
850 Nm, 额定效率 94% 。
2. 2 燃料电池发动机参数设计
研究成果表明能作为车用电源的最佳燃料电 池是质子交换膜型燃料电池 ( PEMFC ) [ 3] 。
燃料电池作为单 一电源的净输出功率 PFCE
Байду номын сангаас
应满足:
P FCE GDCF \
P maxr Gm
+
PA
=
187 kW
( 8)
式中, GDCF为 DC /DC效率; P max r为最大需求功
即:
P m axMax(P e, P a, P c)
( 1)
汽车行驶功率平衡方程式如下:
p=
1 GT
(
3G6fu00+
3G6iu00 +
CD 76
Au 3 140
+
Dmu du 3 600dt
)
( 2)
( 1)若给出最高车速, 忽略加速阻力和上坡阻
力:
Pe
=
1 GT
(
Gfumax 3 600
+
CDAum3 ax 76 140
Gfum ax 3 600
+
CD Aum3 ax 76 140
)
= 99 kW
( 9)
2. 3 动力蓄电池参数设计
混合动力电动汽车上的动力蓄电池有两种工
作模式: 辅助动力模式和双动 力模式。前者偏重
蓄电池的功率特性, 后 者还要求蓄电池具有一定
的能量特性。本动力系统采用辅助动力模式。
辅助动力 模式下的动力蓄电池, 要求电池具
流和电力电子设备电流, 增加了功率变换器的尺
寸和损耗。但车辆起步加速和稳定运行需要电机
额定转矩减小, 只能通过选用高速电机来解决, 这
又会增加传动系尺寸, 所以必须综合考虑最高车
速和传动系尺寸。
通过上式计算结果, 考虑到电机的负荷率、负
载变化范围大、车辆应有一定的加速爬坡能力等
因素, 电机的功率应比 计算值大。电机的最大功
P FCE GDCE Gm Gtrain + pbat Gm Gtra in - pwhe ( 2)维持蓄电池 SOC 值运行前后不变:
对于本文 所研究的燃料电池汽车, 其车型的
收稿日期: 2010- 01- 05 上海汽车 20101 03
# 7#
新能源汽车
图 1 燃料电池混合动力系统结构
整车参数及动力性指标如表 1所示。
表 1 整车参数和设计性能要求
最高车速 ( km /h )
加速时间 ( 0~ 50 km / h / s) 最大爬坡度 (% ) 车轮滚动半径 ( m)
燃料电池汽车混合动力系统参数匹配与优化
王 平 黄小枫 (武汉理工大学, 武汉 430070)
=摘要 > 首先分析燃料电池的特性 得出了 动力总 成结构 配置的优 化解决 方案, 并且根 据设计 性能要 求
进行动力总成主要部件基本参数设计 ; 最后基于典型的客车循环工况, 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对混合动力系 统的两种能量管理策略进行优化仿真, 其结果符合设 计要求。
并联结构的混合动力客车及其纯电动 汽车, 电压
等级为 300~ 650 V。
作为混合动力系统的 PPS, 蓄电池最大放电功
率必须满足:
P BA \
P maxr Gm
+
PA
-
P FCE
= 122 kW
( 10)
同时蓄电 池还必须具备一定的充电 功率, 以
吸收制动时的回馈能量。考虑到电池的特性和电
机的回馈功率, 充电功率应大于 70 kW。
增加峰值功率 系统 ( PPS), 不仅可以 吸收回馈能 量、降低成本, 而且可以弥补 FCE 启动时间长、动 态响应差的缺点。采用这种结构的动力系统称为 燃料电池混合动力系统。
/ 燃料电池 + 动力蓄电池 0是目前研发的燃 料电池混合动力系 统主要构型 [ 2] , 主要有如 图 1 所示 4种结构 。结构 ( a)、( b)和 ( c)中, 燃料电 池和驱动系统都是间接连接, 可以在一些特定条 件下的场地车上使用, 但受目前燃料电池技术水 平的限制, 这 3种动力 系统结构难以在功率需求 和功率波动都比较大的车型上实现。结构 ( d)的 优点是: 蓄电池可回收 再生制动的能量和吸收燃 料电池富裕的能量; 蓄 电池组作为燃料电池发动 机的输出功率平衡器, 调节燃料电池发动机的效 率与动态特性, 改善整车燃料经济性, 提高动态响 应速度。
额定功率:
PN
=
1 GT
(
Gfu 3 600
+
CD 76
Au3 1 40
)
=
46
kW
( 7)
2. 1. 2 电机额定转速和最高转速确定
电机的最高转速对电机的额定转矩和传动系
尺寸都有影响。在额定功 率一定的前提下, 最高
转速越低, 对应的电机额定转矩越大, 一方面对电
机的支撑要求越高, 另一方面要求更大的电机电
80 整车满载总质量 ( kg) 14 960
30
迎风面积 ( A /m2 )
6. 15
20 空气阻力系数 (CD ) 0. 65
0. 48
主减速比 ( i0 )
6. 5
2 燃料电池混合动力系统参数匹配
2. 1 电机参数设计 目前, 可用作车用驱动电机的有直流电机、交
流感应电机、永磁同步电机、直流无刷电机、开关 磁阻电机等。交流异步电 机由于结构简单、坚固 且控制性能好, 被欧美 国家广泛采用。永磁同步 电机和直流无刷电机能量密 度和效率较高, 在日 本得到广泛应用。开关磁阻电机应用较少 [ 3] 。
电压等级、功率需求和能量需求。
首先, 电池电压等级要与电机的 电压等级保
持一致, 其次就是最大 充放电功率要满足电机的
功率需求和能量需求。理论上, 电机的峰值功率
越大, 电气系统的电压等级越高, 对保证电流不超
过一定限值是有利的, 但是电压等级也不能超过 电气系统的 最高电压限值。研究统计表 明 [ 4] , 串
=Ab strac t> F irstly, a configuration scheme of hybrid powertra in system is adopted based on the analysis of the characteristic of fuel cel.l Then according to the performance requ irements of fuel cell veh icle, the appropriate types of ma jor power components are selected and the ir basic parameters are defined. F inally, based on the typ ical bus driving cycle, an optim izat ion model for the powertrain of FCV is buil.t By using sequent ial quadrat ic programm ing algorithm, an optim ization simu lation on two d ifferen t energymanagement strategies for a fue l cell vehic le is conducted. The resu lts meet the pract i2 ca l design requ irements.
优化设计以满足动力性指标为前 提, 以给定
的循环工况作为输入, 以燃料消耗量最小为优化
目标, 即:
M in- e(P FCE- out ( t) )
t
Q 其中 e(P FCE ( t) )
=
0
P
FCE_ou t
GFCE (
(t t)
)
d
t
有以下 5个约束条件:
( 11) ( 12)
( 1)由能量守恒得:
率只代表当电机的转 速高于基速时的过载能力,
电机以最大功率连 续运转的时间不 能超过 30 ~
60 s, 因此车辆实际行驶过程中要求电机的过载时
间不能太长。
初步选 定电 机额 定功率 100 kW, 最大 功率
160 kW, 额 定 转 速 为 1 860 r /m in, 最 高 转速 为
4 800 r/m in, 额 定 转 矩 为 650 Nm, 最 大 转 矩 为
)
=
93
kW
( 3)
( 2)若给出最大爬坡度, 则满足车辆爬坡性能
时忽略空气阻力和加速阻力:
PC
=
1 GT
(
Gf 3
u stab 600
+
G iu stab 3 600
)
=
155
kW
( 4)
式中, ustab为最小稳定车速。 基于以上计算, 取 P max = 160 kW ( 3)若要满足车辆的加速性能要求, 则在水平
加速时间为 23. 8 s, 则此电机的功率满足车辆的加
速性能要求。
电机额定功率的选取要考虑到车辆的实际行
驶状况, 使车辆的经常 行驶功率与电机的经济区
上海汽车 20101 03
对应, 即车辆经常使用工况下电机能以经济的负
载率运行。通常, 电机额定功率可按照巡航车速
来选取, 巡航车速一般为 0. 6~ 0. 8umax。以巡航车 速 u= 50 km /h 行驶时所需的功率为驱动电机的
=主题词 > 混合动力 燃料电池 汽车 动力系统
1 燃料电池汽车动力系统结构配置
燃料电池作为车用动力电源有效 率高、污染 小、动力传动系统结构简单等诸多优点, 但在实际 应用中也存在一些问题 [ 1] 。
( 1)燃料电 池的输 出特性 偏软, 作为 车用电 源, 无法满足负载频繁剧烈的变化, 因此必须在电 机控制器和燃料电池之间增加必要的功率部件进 行阻抗匹配。
燃料电池电动客车电机的最大功率的 确定,
# 8#
图 2 电机外特性
必须按照性能指标的要求, 满足最 高车速时的功
率要求 P e; 并且能为车辆提供加 速功率 P a 和爬
坡功率 P c, 因此功率参数的选择要依照车辆具体
的行驶工况, 对比 各工况 下的需 求功率 值, 考虑
传动系效率, 选择其中的最大值作 为最大功率值
蓄电池 (镍氢 )
160 额 定电压 ( V )
315
100 额定容量 (A h)
30
4 800 最大放电功率 ( kW ) 130
1 860 最大充电功率 ( kW ) 80
燃料电池发动机 额定功率 ( kW ) 100 最大功率 ( kW ) 120
3 燃料电池混合动力系统优化
3. 1 优化模型
良好路面上, 车辆的行驶加速度计算式为:
du dt
=
F
t-
Fw Dm
Ff
=
Pt
-
Pw uDm
Pf
( 5)
则车辆由起步加速到车速 u 的加速时间为:
Q Q t =
1 3. 6
u 0
(ddut )du
=
1u 3. 6 0
Pt u
-
Dm Fw -
du Ff
( 6)
应用计算机编程, 电机功率取额定值, 计算得
率; Gm 为电机及其逆变器效率; P A 为辅助设备功
率消耗。
考虑燃料电池的制造成本和比 功率等因素,
在满足设计性能要求的基础 上, 应尽可能降低其
上海汽车 20101 03
新能源汽车
功率级别。
混合型式 下, 燃料电池功率满足 车辆持续最
高车速行驶时的功率需求即可:
P FCE
=
1 GDCF Gm
(
有瞬间大电流充放电的能力, 虽然充放电电流很
大, 但由于持续时间都较短, 因此电池 SOC 的波动
范围不大。
目前可以作为车用辅助动力源的蓄 电池有:
铅酸电池、镍氢电池、锂离子电池。其中锂离子电
池具有较出色的功率能量性能, 但存在使用安全 的问题 [ 1 ] 。
对蓄电池的参 数设计主要有 3个性 能要求:
( 2)车用燃料电池作为单一电源其启动时间 长、动态响应速度较慢, 无法满足车辆运行过程中 负载的快速变化需求; 燃料电池功率密度较低、成 本高, 若仅以燃料电池满足峰值功率需求, 势必会 造成整备质量和成本的增加; 无法吸收回馈能量, 不能实现制动能量的回收。
在燃料电池发动机 ( FCE )和电机控制器之间
电机是燃料电池汽车驱动的唯一 动力, 需要 满足起步、怠速、加速、匀速、减速、爬坡等工况的 要求。通常适用于电动车辆使用的电机外特性如 图 2所示。在额定转速 nN 以下, 以恒转矩模式工 作, 在额定转速 nN 以上, 以恒功率模 式工作。相 应电机的参数选择包括: 电机额定功率 PN、电机最 大功率 P max、电机额 定转速 nN、和电机 最高转速 nm ax。 2. 1. 1 电机最大功率和额定功率的确定
辅助动力 模式情况下, 对蓄电池 的能量要求
不像功率要求那么严格, 一般可以满足需要。
通过以上匹配计算确定混合动力系统主要部
件参数, 如表 2所示。
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表 2 燃料电池 混合动力系统主要部件参数
交流电机 峰值功率 ( kw ) 额定功率 ( kw ) 最高转速 ( r/min) 额定转速 ( r/min)
850 Nm, 额定效率 94% 。
2. 2 燃料电池发动机参数设计
研究成果表明能作为车用电源的最佳燃料电 池是质子交换膜型燃料电池 ( PEMFC ) [ 3] 。
燃料电池作为单 一电源的净输出功率 PFCE
Байду номын сангаас
应满足:
P FCE GDCF \
P maxr Gm
+
PA
=
187 kW
( 8)
式中, GDCF为 DC /DC效率; P max r为最大需求功
即:
P m axMax(P e, P a, P c)
( 1)
汽车行驶功率平衡方程式如下:
p=
1 GT
(
3G6fu00+
3G6iu00 +
CD 76
Au 3 140
+
Dmu du 3 600dt
)
( 2)
( 1)若给出最高车速, 忽略加速阻力和上坡阻
力:
Pe
=
1 GT
(
Gfumax 3 600
+
CDAum3 ax 76 140
Gfum ax 3 600
+
CD Aum3 ax 76 140
)
= 99 kW
( 9)
2. 3 动力蓄电池参数设计
混合动力电动汽车上的动力蓄电池有两种工
作模式: 辅助动力模式和双动 力模式。前者偏重
蓄电池的功率特性, 后 者还要求蓄电池具有一定
的能量特性。本动力系统采用辅助动力模式。
辅助动力 模式下的动力蓄电池, 要求电池具
流和电力电子设备电流, 增加了功率变换器的尺
寸和损耗。但车辆起步加速和稳定运行需要电机
额定转矩减小, 只能通过选用高速电机来解决, 这
又会增加传动系尺寸, 所以必须综合考虑最高车
速和传动系尺寸。
通过上式计算结果, 考虑到电机的负荷率、负
载变化范围大、车辆应有一定的加速爬坡能力等
因素, 电机的功率应比 计算值大。电机的最大功
P FCE GDCE Gm Gtrain + pbat Gm Gtra in - pwhe ( 2)维持蓄电池 SOC 值运行前后不变:
对于本文 所研究的燃料电池汽车, 其车型的
收稿日期: 2010- 01- 05 上海汽车 20101 03
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新能源汽车
图 1 燃料电池混合动力系统结构
整车参数及动力性指标如表 1所示。
表 1 整车参数和设计性能要求
最高车速 ( km /h )
加速时间 ( 0~ 50 km / h / s) 最大爬坡度 (% ) 车轮滚动半径 ( m)