燃料电池车(FCHEV)动力经济性建模与仿真

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质子交换膜

燃料电池电动汽车上运用最多的电池为质子交换膜燃料电池（PEMFC），包括质子交换膜、催化剂、扩散层、双极板（阴、阳极板）。其工作原理是：氢气与水蒸汽（加湿，防止膜的阳极面过干）的混合气一同输入扩散到阳极催化剂层，在催化剂作用下发生氧化反应，一个氢分子分解为两个氢质子和两个电子。电子通过外电路形成电流，而氢质子则通过交换膜到达阴极，在阴极催化剂作用下与氧气、电子结合，生成水并释放热量。其中生成的热量和部分水随气流被带出电池内部, 另一部分水则在电渗力等作用下通过膜向阳极方向移动。

车载系统的组成

系统的组成包含了氢气罐、压缩机、电堆、动力电池、电机等。压缩机提供的氧气与高压氢气提供的氢气，在电堆中通过质子交换膜反应。得到电能与水。储能单元部分除了燃料电池组外，还需要一个动力动力电池。配合燃料电池组实现多种不同的驱动模式。能量管理策略要对燃料电池组与动力电池的能量进行合理的调度。

建模与仿真

本例选用的仿真软件为AVL-CRUISE v2015，当然也可以使用其他的仿真软件来实现，详情可以了稍早发布的文章：部分仿真软件对比介绍

UISE整车模型同上，主要的动力原件参数如下（仅供研究参考用）：

动力电池：320V/5.6Ah；电机峰值扭矩240Nm；电机峰值功率70kW；燃料电池组最大输出功率73kW；DCDC最大转换功率80kW。

外部电源模块介绍

由于本次使用的是2015版CRUISE，还不支持燃料电池模块。但是另外提供了一个外部电源模块。

ExternalBattery外部电源模块的神器之处在于，只要你有一个合理的电能转换模型。无论时燃料电池、同位素电池甚至钢铁侠的冷聚变反应堆，都想将其在Simulink中实现并通过CRUISE软件来调用。

对于燃料电池而已需要在模型中实现压缩机、质子交换、催化等复杂电化学反应过程。所以氢燃料电池模型建议大家使用研究机构或者供应商的资源获得，这样燃料电池才能有较高的准确性。

外部电池【External Battery】与Matlab DLL一样都需要引用Simulink编译的Dll文件，这部分联合仿真的介绍可以请大家关注早前的文章：CRUISE与Simulink联合仿真介绍

在模块的数据总线中定义输入与输出参数，除了输出电压是必备选项外，还需要额外的输出燃料电池组的功率、氢气与氧气的消耗率。

DC/DC模块

CRUISE软件提供了一个DCDC模块，主要作用：

1、直流电中不同电压之间的转换。如：320V转48V、320V转560V；

2、电流方向的控制，可以控制电流由低压侧流向高压侧或者从高压侧流向低压侧；

3、可以通过电压控制或者电流控制的行驶来实现对转换功率的控制。

本次的模型中，外部电源模块通过一个DCDC模块与整个高压电网连接。通过DCDC模块首先控制电流只能从燃料电池组侧流向电机侧，并且可以通过PID控制算法使得燃料电池的输出功率受控制。

能量管理策略的建立

能量管理策略在Simulink中完成建模，通过Matlab Dll模块完成Simulink与CRUISE的联合仿真。

由于AVL-CRUISE只做动力经济性仿真，能量管理策略只涉及到车型行驶状态下，不会有停车充电这样的待机模式。控制模型中工作模式一共有5个具体如下：

燃点电池组模式：电机需求功率由燃料电池单独提供，策略通过计算电网的电压与电流计算需求功率，通过PID控制DCDC转换相应的功率；

纯电动模式： 由动力电池单独提供电能，用于需求功率较低且SOC较高的工况下此时燃料电池组处于OFF状态；或者燃料电池组正处于WakeUp阶段；

行车充电模式：该模式下动力电池SOC较低，燃料电池提供电机的需求功率外，还对蓄电池进行充电；

联合驱动模式：当车辆处于爬坡或紧急加速下，电机需求功率大。此时燃料电池与动力电池共同提供功率；

制动能量回收：动力电池用于保存制动回收的电能，DCDC处于关闭状态不进行能量转换；

在【行车充电】与【联合驱动】模式中，对燃料电池组的控制中。可以根据燃料电池厂家提供的特性曲线，选定单功率值或者多功率值进行控制。本文采用的例中从功率平衡的角度，燃料电池/动力电池（FCHEV）能量系统的结构采用了负载补偿性和负载跟随型两种方式，即燃料电池输出功率跟随电池SOC的变化而变化。这部分就根据实际的需求进行设计。

最后将策略编译后，运行NEDC循环

上图为速度与燃料电池组输出功率数据

上图为燃料电池组氢气与氧气消耗曲线，以及电流变化曲线

总结

很多人会说燃料电池汽车动力经济性仿真其他工具也能做。不管AMESim、GT Suit等都有自带的燃料电池组及其控制模块。选择CRUISE主要还是因为该软件比较专注于动力经济性仿真领域，输出的结果有一定的代表性，然后就是【思想】对这款软件比较了解。CRUISE在2017版以后已经开始支持燃料电池模块。

质子交换膜与压缩机等数学模型封装成独立的一个模块，用户可以根据供应商提供的数据修改参数。并且提供了一个自带模型，手里有新版CRUISE的小伙伴可以赶紧学习起来。

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