（车辆工程专业论文）燃料电池城市客车的能量管理策略及优化研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 燃料电池电动客车由燃料电池作为主动力源，直接将氢化学能转变为电能， 并与来自蓄电池、超级电容器、飞轮储能器等辅助能量源的电能共同驱动客车。 它克服了纯电动客车车续驶里程短的缺陷，又具有能量转化效率高、污染排放少 等传统柴油客车不具备的优点，同时仍然保持了良好的加速爬坡性能和长途行驶 能力，因此其开发受到了各国政府、企业和科研院所的极大重视。在燃料电池电 动客车的研发热潮中，整车的多能源管理系统尤为受到人们的关注，它负责根据 不同的行驶工况安排不同的功率分配策略，这也是本文研究的核心所在。 基于这个核心，本文以扬子江公交客车为原型，在该车基础上配置燃料电池 + 蓄电池组+ 飞轮储能器的多能源动力系统，并根据这一动力布置结构进行动力 总成选型和参数匹配，对驱动电动机、燃料电池发动机、蓄电池组、飞轮储能器 和d c d c 变换器进行了原理分析和参数选择。在确定了动力总成参数之后，文 章对电动客车的各种驱动模式进行了分析，并探讨了相应的功率分配控制策略。 目前燃料电池电动客车的控制策略有很多，比如基于蓄电池s o c 的功率分配算 法、基于电流控制的能量管理策略，基于瞬时优化的能量管理策略等，本课题采 用的是基于s o c 和需求功率的模糊控制策略。通过后向仿真软件a d v i s o r 建 立燃料电池客车的仿真模型，并将基于客车的模糊控制器嵌入a d v i s o r 控制策 略库中，本文进行了模糊逻辑控制策略和传统逻辑门限值控制策略的对比仿真， 结果表明模糊控制策略在燃料电池客车多能源能量管理上具有更好的控制效果， 即：整车的燃油经济性和动力性都有所提升，辅助能量源的s o c 变化、工作电 流、输出功率更为平稳，燃料电池的转矩输出更为稳定、工作效率更高。 燃料电池电动客车控制策略的优化也是一个日益受到普遍关注的课题。目前 的优化策略层出不穷，比如神经网络、遗传算法等。本课题对等价结构神经网络 对模糊控制策略的优化进行了探讨，主要是对该神经网络的实现，包括隶属函数 的实现和网络模型的训练进行了阐述，并尝试研究了燃料电池客车模糊控制策略 利用神经网络进行优化的方法步骤。 关键词：燃料电池，飞轮储能器，模糊控制，仿真，神经网络，优化 武汉理 = 大学硕士学位论文 a b s tr a c t f u e lc e l le l e c t r i c a lb u sa d o p t sf u e lc e l la si t sc h i e fe n e r g ys o t l r c e ，w h i c hd i r e c t l y t r a n s f e r sh y d r o g e n sc h e m i c a le n e r g yi n t oe l e c t r i c i t y t h ee l e c t r i c i t y , t o g e t h e rw i t ht h e e l e c t r i c i t yf r o ma u x i l i a r ye n e r g ys o r r c el i k eb a t t e r y , u l t r ac a p a c i t o r , f l y w h e e le n e r g y s t o r a g e ( f e s ) ，m o t i v a t et h eb u s a sar e s u l t ，t h ee l e c t r i c a lv e h i c l e ss h o r t c o m i n gl i k ea r e s t r i c t e dm i l e a g ec o u l db ea v o i d e d ，a n dt h et r a d i t i o n a ld i e s e lb u s i n c a p a c i t yl i k ea l l i g he n e r g y - c o n v e r t i n gr a t ea n dal o we m i s s i o nc o u l db ea c c e s s e d ，w h i l e af i n e a c c e l e r a t i o na n dg r a d ea b i l i t yc o u l ds t i l lb em a i n t a i n e d f o rt h i sr e a s o n ，f u e lc e l l e l e c t r i c a lb u sh a sr e c e i v e dt r e m e n d o u sp o p u l a r i t yi ni t sr & da m o n gg o v e r n m e n t s ， c o m p a n i e sa n di n s t i t u t e sa r o u l l dt h ew o r l d a m o n ga l lt h o s ef e a t u r i n gaf u e l c e l l e l e c t r i c a lb u s ，t h ev e h i c l e sm u l t i e n e r g ym a n a g e m e n ts y s t e ms h o u l db es t r e s s e d , s i n c ei td i s p o s e sd i f f e r e n tp o w e rd i s t r i b u t i o nt a c t i c si nt h el i g h to fd i v e r s ed r i v i n g c o n d i t i o n s r e l y i n go nt h i sh o ti s s u e ，t h ed i s s e r t a t i o nb u i l d sam u l t i e n e r g ys y s t e mo f f c + b a t t e 巧+ f e so nt h ep r o t o t y p ey a n g t s r i v e rc i t yb u s l a t e rt h e o r e t i c a la n a l y s i sa n d p a r a m e t e r ss e l e c t i o na r ec o n d u c t e dc o n c e r n i n gt h ed r i v i n gm o t o r , f u e lc e l le n g i n e ， b a t t e r yp i l e s ，f e s ，a n dd c d cc o n v e r t e r , a c c o r d i n gt ot h ea b o v e m e n t i o n e dp o w e r d i s p o s a ls n l l c t l l r e w h e nt h ep a r a m e t e r so ft h ep o w e rs y s t e ma r ed e t e r m i n e d ，t h e d i s s e r t a t i o nc a s t sl i g h to nt h em u l t i p l ed r i v i n gm o d e so ft h ee l e c t r i c a lb u s ，a n dt h e c o r r e s p o n d i n gp o w e rd i s t r i b u t i o n c o n t r o ls t r a t e g i e sa r ed i s c u s s e d a tp r e s e n t ，a n u m b e ro fc o n t r o ls t r a t e g i e sw i t hr e f e r e n c et of u e le e l le l e c t r i c a lb u sa r ea v a i l a b l e ，t o n a m eaf e w , t h eb a t t e r ys o c b a s e dp o w e rd i s t r i b u t i o na l g o r i s m ，t h ec i 盯e n t c o n t r 0 1 b a s e de n e r g ym a n a g e m e n ts t r a t e g y , t h ei n s t a n t a n e o u so p t i m i z a t i o n - b a s e d e n e r g ym a n a g e m e n ts t r a t e g y i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，af u z z yc o n t r o ls t r a t e g yb a s e do i l s o ca n dp o w e r - i n d e m a n di su t i l i z e d b ym e a n so fa d v i s o r , t h es i m u l a t i v em o d e l o ff u e lc e l le l e c t r i c a lb u si ss e tu p ，a n dm e a n w h i l et h eb u s - b a s e df u z z yc o n t r o l l e ri s i n t e g r a t e di n t ot h ea d v i s o rc o n t r o ls t r a t e g yt a n k s u b s e q u e n t l y , ac o n t r a s t i n g s i m u l a t i o ni sc o n d u c t e db e t w e e nt h ef u z z yl o g i cc o n t r o la n dl o g i cg a t e w a yc o n t r o l ， t h er e s u l to fw h i c hi n d i c a t e sab e t t e re n e r g ym a n a g e m e n te f f e c tp r o m p t e db yf u z z y l o g i c ：t h eo v e r a l lf u e le c o n o m ya n dm o b i l i t yp e r f o r m a n c e 砌ee n h a n c e d ，t h es o c a l t e r a t i o n , w o r k i n gc u r r e n t ，p o w e ro u t p u to fa u x i l i a r ye n e r g ys o u l c ea r em o r es t a b l e ， t h et o r q u eo u t p u to ff u e lc e l li sm o r es t a b l e ，a n dt h ew o r k i n ge f f i c i e n c yo ff u e lc e l li s h i g h e r n 武汉理工大学硕士学位论文 m o r e o v e r , t h ec o n t r o ls t r a t e g yo p t i m i z a t i o no ff u e lc e l le l e c t r i c a lb u si sat h e m e u n d e re x t e n s i v ea t t e n t i o n f o rt h et i m eb e i n g ，n u m e r o u so p t i m i z a t i o ns t r a t e g i e sh a v e e m e r g e d ，s u c ha sn e u r a ln e t w o r k ，g e n e t i ca l g o r i s ma n ds of o r t h t h ed i s s e r t a t i o n b r i n g st h en e u r a ln e t w o r ko p t i m i z a t i o no nf u z z yl o g i cc o n t r o li n t od i s c u s s i o n ，w h i c h g e n e r a l l yc o v e r st h er e a l i z a t i o no ft h en e u r a ln e t w o r k ，i n c l u d i n gt h er e a l i z a t i o no f m e m b e r s h i pf u n c t i o na n dt r a i n i n go fn e t w o r km o d e l ；i na d d i t i o n ，t h en e u r a ln e t w o r k o p t i m i z a t i o n sp r o c e d u r e sa r et e n t a t i v e l ys t u d i e d k e yw o r d s ：f u e lc e l l ，f e s ，f u z z yl o g i c ，s i m u l a t i o n , n e u r a ln e t w o r k ，o p t i m i z a t i o n i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：日期： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保 留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名：日期： 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 选题的目的及意义 改革开放以来，特别是自1 9 8 5 年起至今的二十多年间，中国城市公交经历 了三个发展阶段。第一阶段( 1 9 8 5 年1 9 9 2 年) 是快速发展阶段，城市公交车辆 保有量由4 3 万辆发展到7 7 万辆；第二阶段( 1 9 9 3 年 2 0 0 2 年) 是突破性进展阶 段，城市公交车辆保有量增长到2 4 6 万余辆；第三阶段( 2 0 0 3 年至今) 是科学发 展新阶段，截至2 0 0 6 年年底，全国城市公交年客运总量达到4 8 0 亿多人次，运 营线路总长度为1 6 万公里，车辆保有量超过3 3 万辆。二十年来，城市客车保有 量( 不含更新车辆数量) 增幅3 2 8 ，平均每年增幅1 4 9 。 以武汉为例，2 0 0 6 年，武汉常规公交运营车辆达到5 1 2 4 辆，全年完成公交 客运量约1 2 3 亿人次。公交线网长度和运行线路长度分别达到8 4 5 6 公里和 4 1 5 1 5 公里。“十一五”期间，武汉市计划投资1 2 5 4 亿元，更新和增加公交车 3 5 0 0 辆，其中空调车将占5 0 以上，清洁能源车将占8 0 以上。通过合理布局 以及公交优先措施的实施，武汉市内环线以内的公交平均车速将达到1 8 2 0 公里 小时，内环线以外的达到2 3 - 2 5 公里4 , 时，准点率将达到9 0 以上。除了武汉 之外，其他主要城市也在大力发展公交客车，如北京2 0 0 7 年将更新公交客车2 5 8 0 辆，其中九成是清洁能源车；上海计划在2 0 1 0 年世博会前拥有8 0 0 0 辆高档公交 车；杭州计划在2 0 1 0 年使当地每万人公交车拥有量达到2 5 辆，公交出行分担率 达到3 5 ；深圳计划在2 0 1 0 之前新增4 0 0 0 辆新能源大中型公交车；沈阳计划 2 0 1 0 年全市标准公交车将达到7 1 0 0 辆，市民乘坐公交出行比例将达到3 0 。 据统计，一辆大型城市公交车百公里平均油耗约为4 0 升，而其一般是在固 定道路上按固定时间运行，每日运行的总里程大多在3 0 0 左右，由此计算每 天的油耗约为1 2 0 升，年油耗高达4 0 余吨。如采用新能源客车，武汉现在运营 的6 0 0 0 余辆公交车，每年可节省燃油2 0 余万吨。此外，由于城市交通拥挤，公 交客车时走时停，行车速度慢，尾气排放污染严重，而如果用零排放或超低排放 客车来取代普通柴油客车，每置换一辆就相当于消除7 7 辆轿车排放的氮氧化物， 加上种植1 3 公顷树林带来的环境效益。 近年来，中国经济迅猛发展，国内的能源生产加工已经远远不能满足本国工 业生产和人民生活的需要，中国也由能源出口大国变成了进口大国，积极从苏丹、 委内瑞拉、哈萨克斯坦等国谋求石油资源。另一方面，由于在北京、上海等大城 市，机动车尾气污染已成为空气污染的主要来源，政府对环境污染也越来越重视， 国内的排放法规越来越严格，一些鼓励用户购买低排放汽车的优惠政策相继出 武汉理工大学硕士学位论文 台，力求遏制城市空气质量日益恶化的势头。因此，能源和环保越来越成为汽车 产业和技术发展的两大挑战。在这种背景下，研发低油耗、低排放的新型汽车越 来越成为世界各大汽车制造商和相关科研院所的紧迫任务。经过对各种新能源和 新动力的探索，人们逐渐把目光聚集在电动汽车，尤其是燃料电池电动汽车之上。 这是因为，考虑到电池的能量密度、寿命、充电速度、价格、稳定性上存在的缺 陷，纯电动汽车的性价比偏低而难以在短期之内实现商品化；而混合动力电动汽 车无法像纯电动汽车和燃料电池电动汽车一样接近或实现零排放，特别是在长距 离高速行驶时，仍需要消耗大量的燃油，并排出大量废气。因此，燃料电池电动 汽车凭借着其高效率、低排放、低噪音、氢燃料几乎取之不竭等诸多优点，逐渐 成为2 1 世纪电动汽车发展的一个趋势。 燃料电池是一种将氢和氧的化学能通过电极反应直接转换成电能的装置。由 于反应过程不涉及燃烧和热机做功，因此其能量转换效率不受“卡诺循环”的限 制，可以达到6 0 - - 7 0 。在燃料电池中，质子交换膜燃料电池被认为是替代传 统内燃机的最理想的动力源，因为其最佳工作温度区间处于8 0 9 0 之间， 在室温下也可以正常工作，所以特别适合用作交通车辆的移动电源。 然而，目前的燃料电池动力系统不支持能量双向流动、动态性能不佳、无法 吸收汽车制动回馈能量，这些缺点决定了目前它还无法作为一个独立的动力源驱 动车辆行驶，而必须与蓄电池、超级电容器、飞轮储能器等相结合，构成一个多 能源系统。燃料电池发动机提供汽车行驶的基本功率，辅助能源在加速、爬坡等 瞬态工况下起辅助动力作用，同时还要削去功率尖峰对燃料电池的冲击，并进行 再生制动能量的回收。这样就能使燃料电池充分发挥其供电时间长、效率高的优 势，并利用辅助电源响应快、能吸收回馈能量等特点，大大提高汽车的动力性能。 此外，汽车行驶时驱动功率有较大变化，这与燃料电池偏软的输出特性相互矛盾， 所以必须配置d c d c 转换器对燃料电池的输出电流和功率进行合理控制。 因此，积极研究燃料电池电动客车，特别是其能量管理控制和优化策略，对 我国节能减排的战略有着重大意义。 1 2 燃料电池客车的发展概况 燃料电池电动客车的开发在世界各国都开展的如火如荼，在各国政府的支持 下，客车企业和科研院校相联手，开发了大量的燃料电池技术验证客车，其中很 多都进行了长时间长距离的试运行，积累了宝贵的数据。 在北美，加拿大巴拉德动力系统公司于1 9 9 3 年研制了全球第一辆质子交换 膜燃料电池大客车，车长9 7 米，功率9 2 千瓦，乘坐2 0 人，在洛杉矶机场进行 展示性运行。其后，巴拉德动力系统公司与美国芝加哥市公交局合作研制了三辆 2 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 米长的燃料电池大客车。该车首先进行15 0 0 公里无乘客的运行试验，考验整 个系统的性能和安全、可靠性及培训司机，并于1 9 9 8 年3 月正式加入车队，实 行售票运行。该车燃料电池的能量转换效率低负荷时为6 0 ，满负荷时为4 0 。 1 9 9 8 年6 月，另外三辆同类燃料电池大客车在加拿大温哥华市开始展示性运行。 两者不同的是：芝加哥用液氢，在外地生产，用汽车运至芝加哥的加氢站，变为 高压氢气加入瓶内，温哥华则用太阳能电解水就地供氢。这6 辆燃料电池大客车 每辆造价为1 5 0 万美元，在运行两年半以后，在2 0 0 1 年停止运行，进行解体检 测。 美国加州燃料电池合作计划于2 0 0 3 年底在加州三个地区用2 0 辆燃料电池大 客车进行运营试验。这个项目的第一辆燃料电池大客车( 1 2 米) 于2 0 0 0 年9 月交 付当地公交公司开始运行试验。该车装用巴拉德公司的m k 7 0 0 型质子交换膜燃 料电池堆，功率为2 0 5 千瓦，可载乘客4 8 人。除了电解水制氢设备外，车上还 有用天然气制氢的设备。在总运行8 6 5 小时、行驶2 3 8 4 0 公里后，该车于2 0 0 1 年停止运行进行解体检测。2 0 0 1 年1 2 月由美国华盛顿乔治城大学负责研制的一 辆1 2 米长的燃料电池大客车开始在萨克拉门托地区进行展示性运行。它由甲醇 重整供氢，由巴拉德公司的10 0 k w 质子交换膜燃料电池堆和铅酸电池组提供动 力，由交流电机进行驱动，并配有先进的整车能量管理系统。该车有4 0 个座位， 最高车速为1 0 5 公里小时，0 4 8 公里小时加速时间为1 4 5 秒，一次加燃料 可以行驶5 6 0 公里。加州燃料电池合作计划还向巴拉德动力系统公司订购了一批 装用m i c 9 0 2 电池堆的新一代燃料电池大客车，投入运行。 在欧洲，奔驰公司专门安排旗下的e v o b u s 公司以奔驰的c i t a r o 低地板大 客车为基础改装燃料电池客车。c i t a r o 燃料电池客车车顶上布置有9 个用碳纤维 缠绕的2 0 0 l 氢气瓶，可储装3 5 m p a 的氢气4 3 k g ，安装在氢气瓶之后的是来自 巴拉德公司的1 9 6 0 个m k 9 0 2 质子交换膜燃料电池单元。每个燃料电池单元在 6 0 - 8 0 这样一个相对较低的温度下工作，可提供1 8 v 电压。先串联之后，这 些燃料电池单元组成两个电池堆，每个电池堆功率为2 5 0 k w ，电压为6 0 0 v 。靠 近燃料电池装置胖还装有气体湿润器、气泵、过滤器及热交换器等重要总成。为 使燃料电池无论在什么气候条件下都能发挥最好的效率，在车顶还装有两个直径 约9 0 c m 的通风扇及一套电加热装置。布置在车顶上的高压氢气瓶、燃料电池、 空调设备等总重达2 吨左右，因此须对车顶结构进行加强。c i t a r o 客车的电动机 为中央r e u l a n dc 0 0 0 型异步电动机( 额定功率及扭矩分别为2 2 5 k w 和1 0 4 5 n m ) ； 传动系统采用z fh f 6 0 0 型6 档自动变速器，后轮常规驱动，最高车速可达 7 0 k m h ，续驶里程为2 0 0 3 0 0 k m ：行驶系统中，前轴为带两个空气弹簧气囊及 减振器的高强度拳形轴，后轴为带4 个空气弹簧气囊的外行星轴，前后轴均设电 武汉理【：人学砸十学位论文 子控制的摆动点头控制器以提高稳定性。客车空载质量与允许总质量分别为 1 3 7 0 0 k g 和1 9 0 0 0 k g ，载客人数可达7 0 人。为了积累燃料电池客车在日常运行中 的经验，奔驰公司特意在全球1 2 座城市投放了3 6 辆该型客车，其中有三辆被投 入到北京的公交线路中运行了一年多，它们为是终达成切实可行的零排放交通运 输解决力案提供了大量数据经验。 尼奥普兰公司主要的燃料电池客车产品是n 8 0 0 8 f c 中型客车，用于城市客 运和旅游。该车型的设计模型脱胎于尼奥普兰的低地板紧凑型客车，晟丈成员数 为4 7 人，1 2 个坐位，3 7 个站位。该车型的动力系统是4 0 k w p e m 燃料电池( 3 块) 和一块2 1 k w 的蓄电池，采用可再生制动系统。燃料电池使用氢燃料，存储 于4 个项置式炭素纤维罐内，该车可以连续行驶6 0 0 公里。到了2 0 0 0 年5 月， 尼奥普兰再次推出一款双燃料电池客车，该车使用8 0 k w 的p e m 燃料电池，以 及功率能达到1 0 0 k w 的飞轮动力系统以便在车辆加速或者爬坡时能提供附加的 动力。 在t ：l 本，2 0 0 1 年丰田公司推出了其第一辆燃料电池客车，该车为低地板双 燃料电池客车，原型是日野的低地板城市客车，采用9 0 k w 的镍氢燃料电池以及 可再生制动器，使用压缩氢燃料，顶置式储气罐，行驶里程可以达到1 8 0 英里。 2 0 0 2 年，丰田推出了一款改进型的燃料电池客车，称为第二代f c h v 。浚车使 用两块丰田出品的9 0 k w 燃料电池和双驱动系统。有两个电动机，每个电机的最 大功率达到8 0 k w ，最大扭力可以达到2 6 0 n m ，使用压缩氢燃料，其结构如图 1 1 所示。2 0 0 3 年，该车在东京投入营业性运行，乘客人数可以达到6 0 人。2 0 0 5 年，丰m 推出第三代燃料电池客车，并且在日本a i c h i 举行的博览会上进行展示。 潭 謦 图1 1 丰田汽车的第二代燃料电池客车结构图 中国的燃料电池客车的研究也取得了大量成果。例如，清华大学研制的清能 3 号客车采用了1 0 0 k w 质子交换膜燃料电池、8 0 a h 镍氢蓄电池、直接转矩控制 武汉理工大学硕士学位论文 交流感应驱动电机、双向d c d c 变换器的功率混合型动力系统；燃料电池系统 采用模块化设计方案，提高了系统的可靠性，并可充分利用车上的布置空间；储 氢瓶采用了布置于车顶前部的安全设计；整车采用基于c a n 网络的数据采集、 显示与故障诊断系统；传动机构采用两档变速箱；转向助力泵和制动空压机进行 了电动化改造，其中在国内率先将电动化螺杆式制动空压机技术应用于大客车 上，使空压机工作噪声明显降低。整车设计最高车速大于等于6 5 k m h ，0 5 0 k m h 加速时间小于3 0 s ，最大爬坡度1 2 ，续驶里程大于2 0 0 k m 。而在实测中这四项 指标则分别达到了7 0 k m h 、2 7 s 、1 4 和2 5 0 k i n 。清华大学还与苏州金龙联合研 制燃料电池客车，在苏州金龙的k l q 6 1 2 9 g q h 2 低地板城市客车上装备功率为 8 0 千瓦燃料电池发动机系统，最高车速达到8 5 公里，可持续行程4 0 0 公里以上， 且尾气排放为零。此外，上海神力科技、北汽福田等公司也纷纷推出自己的燃料 电池客车产品。 1 3 燃料电池客车的关键技术 燃料电池电动客车作为机械、自动控制、化学电源、计算机、新能源、电子 技术等多学科交叉的高科技产物，其关键技术主要有燃料电池技术，新型辅助 能源技术，电动机及其控制技术，分布式控制系统和网络通讯技术，控制策略和 算法设计技术，多能源管理技术，动力系统平台的集成设计技术，整车电气安全 和氢安全系统技术等。其中，多能源管理技术作为燃料电池客车关键技术中的核 心，将在下一节中详细讨论，本节只对关键技术中的其他方面进行简介。 燃料电池是燃料电池电动客车的动力源，目前汽车上主要采用的是质子交换 膜燃料电池，其技术上亟待改进提高的方面如下：( 1 ) 尽量减少昂贵的催化剂铂 的用量，并寻找新的价格较低的非贵金属催化剂，从而降低制造成本。( 2 ) 利用 重整技术，采用改质型燃料电池( 如甲醇燃料电池等) ，以提高燃料的储存、保管、 充加、随带的方便性和安全性。( 3 ) 减少燃料电池系统技术设施的体积和质量， 以提高燃料电池的比能量等。 辅助能源作为燃料电池的重要补充，不仅需要具有高能量密度、高功率密度， 还要具备体积小、重量轻、充放电效率高、成本低、寿命长等优点。除了采用新 型材料的蓄电池，目前超级电容器和飞轮储能器也日益成为燃料电池电动汽车上 的重要辅助能量源。飞轮储能器又称电动机械电池，它是用物理方法来实现储能 的。飞轮储能器中有一个电动机，充电时，电机带动飞轮高速旋转，即用电给飞 轮储能器“充电”，即增加飞轮的转速从而增大其动能；放电时，电机在飞轮的 带动下向外输出电能。飞轮储能器中的飞轮是在真空环境下运转的，转速可达 2 0 0 ，0 0 0 r m i n ，但这也对构成材料的强度密度比提出了更高的要求。目前，飞轮 5 武汉理工大学硕士学位论文 储能器难以推广应用的原因是其昂贵的价格以及使用过程中的安全可靠性能，其 关键技术包括：飞轮转子设计、磁轴承技术、电动发电机及能量转换。超级电 容器是一种新型高功率密度的储能元件，其放电电流可高达几千安培，能量密度 是电解电容的数百倍，瞬时放电功率是蓄电池的十倍以上，且充放电效率高，循 环使用寿命长。但是单纯作为储能元件，超级电容的能量密度还远远达不到应用 水平。此外，超级电容的端电压随着储能的改变波动较大，在使用过程中需要双 向d c d c 变换器来进行功率变换。 驱动电动机作为燃料电池电动客车的心脏，正向着大功率、高转速、高效率 和小型化方向发展。在设计和选择驱动电机时应满足以下技术要求：( 1 ) 电机的 转矩转速特性与整车负载特性匹配良好。( 2 ) 电机转矩的动态性能好，能够迅速 和平滑地控制电机的转矩，适应电动汽车经常起动、停车加速和减速的要求。( 3 ) 保证恒速、恒功率、变工况、制动能量回收都应当有较高的效率。( 4 ) 功率密度 高，自身质量和体积小。 由于燃料电池城市客车的动力系统采用了大量的电力电子元器件和数字化 电控单元，整车的电控系统比传统汽车的驱动系统更加复杂，所以需要先进的 c a n 总线技术来满足驱动系统的各子系统之间的通信，这种总线技术最大的优 点是大大减少了汽车接插件的数量和信号线束的长度。 1 4 燃料电池客车能量管理策略的研究现状 由于燃料电池电动客车上的动力系统是多能源动力总成系统，其部件包括燃 料电池发动机、动力电池组、驱动电动机、电动发电机，甚至超级电容器、飞 轮储能器等。为了保证客车以良好的性能运行，既要对燃料电池发动机系统( 包 括燃料供给与循环系统、氧化剂供给系统、水热管理系统等) 进行控制，又要 对驱动电动机系统( 包括动力电池组、d c d c 转换器、驱动电动机以及电动发 电机等) 进行控制，还要对超级电容器或飞轮储能器进行控制。可见，多能源动 力总成系统的能量管理是燃料电池电动客车关键技术中的重中之重，其目的是通 过合理的控制策略对客车动力系统的能量转换和传输过程进行控制并优化，从而 达到期望的系统相应，均衡各部件的工作负担，实现系统的能量驱动效率最优。 目前适用于燃料电池电动客车的能量管理策略有很多，如恒压浮充功率分配 算法，基于母线电压的离线m a p 图功率分配算法，基于蓄电池s o c 的功率分 配算法，基于蓄电池s o c 及负载大小的模糊分配算法，基于电流控制的能量管 理策略，基于瞬时优化的能量管理策略，基于动态规划算法进行全局优化的模糊 控制策略等等。 恒压浮充功率分配算法【1 】是基于蓄电池限流恒压充电方式提出的。在该控制 6 武汉理工大学硕士学位论文 方式下，d c d c 控制母线电压恒定在某一电压。稳态工况时燃料电池优先提供 能量。在过渡工况下，由于d c d c 特性母线电压下降，蓄电池起辅助动力作用。 当监测到母线电压长期低于恒定值时，需采取保护措施，减小电动机需求功率， 防止汽车长期过载运行，使蓄电池过放。同时通过控制d c d c 来防止充电过流。 该方法控制简单，能量在发动机和蓄电池之间进行自动分配，母线恒定值限制了 蓄电池的过放。但如果f c 发动机的动态性能比较差，结果可能因保护作用使 d c d c 频繁切断。 在基于母线电压的离线m a p 图功率分配算法【2 】中，p u b u s 离线分配为离线 查能量分配表的控制方法。d c d c 监测母线电压查表控制发动机功率输出。这 里采用基于一条功率曲线的离线控制，如图1 2 所示。稳态工况由发动机和蓄电 池共同提供驱动功率，负荷增大时，母线电压下降，d c d c 输出功率增大。蓄 电池兼有主动力和辅助动力的作用，在恶劣的行驶工况下，可能过放，对其损害 较大。d c d c 输出功率存在一定的震荡，控制频率要求比较高：另外，对电压 噪声信号比较敏感，需进行滤波，防止系统失稳。 喜 毒 * 隹 碍 霄 董 总线电压 图1 2 基于母线电压的能量分配m a p 图 基于蓄电池s o c 修正控制策略【3 】是以蓄电池s o c 为控制目标，来确定蓄电 池期望的充放电功率，最后用该功率对d c d c 输出功率进行修正。需对s o c 进 行较精确的估计，同时修正曲线也需进行优化标定方能取得好的燃油经济性，在 未进行优化的条件下燃油经济性不甚理想，与恒压浮充相当。 基于蓄电池s o c 和负载大小的模糊控制算法【4 】是一个双输入单输出的模糊 控制器，输入量为蓄电池s o c 值和电动机需求功率，输出变量为d c d c 输出功 率。因为采用的是模糊算法，其鲁棒性较强，对s o c 不太敏感，同时对工况的 适应性也会比其他策略好。再且通过优化控制规则，也能获得较好的燃油经济性。 是一种较为理想的控制策略。 曹桂军等提出了基于电流控制的能量管理策略1 5 】，由于蓄电池输出电流对总 线电压的变化敏感，使得基于电压控制的能量管理策略在实际中应用效果并不理 想，而基于电流控制的能量管理策略更适合能量混合型燃料电池城市客车。基于 7 武汉理工大学硕士学位论文 电流控制的能量管理策略包括能量分配和动态滤波两个部分，这种策略构成能够 保证燃料电池发动机平稳运行和蓄电池组的合理使用。 石英乔等提出的基于瞬时优化的能量管理策略【6 l ，以提高燃料经济性为目 标，采用基于瞬时优化的方法开展能量分配策略研究，并引入了蓄电池等价燃料 消耗理论，将蓄电池电能消耗或者电能补充，等效为燃料电池发动机的燃料消耗 量，并由此建立系统瞬时燃料消耗量函数。为保证蓄电池工作在最优的范围内， 引入蓄电池的充电保持策略。 金振华等提出的基于动态规划算法进行全局优化的模糊控制策略【7 】，采用动 态规划算法对目标驾驶循环进行全局优化，对最优能量分配策略进行分析，提取 相应的控制规则，并设计了基于模糊控制的燃料电池混合动力系统实时控制策 略。 1 5 本文主要研究内容 本文主要研究了适用于城市公交的燃料电池电动客车的驱动系统模型，制定 了多能源动力总成系统的模糊能量管理策略，将其与逻辑门限值控制策略进行对 比仿真，并探讨了该控制策略的神经网络优化，其主要内容如下： ( 1 ) 介绍了国内外燃料电池客车的发展概况，发展燃料电池客车的关键技术， 以及燃料电池客车能量管理策略的研究现状。 ( 2 ) 根据城市公交行驶工况，确定燃料电池客车的驱动型式和布置方案，并 提出设计性能指标。 ( 3 ) 根据设计性能指标匹配燃料电池客车动力总成参数，对电动机、燃料电 池发动机、蓄电池、飞轮储能器和d c d c 变换器进行选型和参数设计。 ( 4 ) 对燃料电池客车各工况下的驱动模式进行分析，在此基础上设计了模糊 逻辑控制策略，并与目前广泛使用的逻辑门限值控制策略进行对比仿真，仿真结 果证明采用模糊控制策略可以提升整车的燃油经济性和加速爬坡性能，优化燃料 电池和辅助能量源的输出性能。 ( 5 ) 对等价结构神经网络在优化燃料电池客车模糊控制策略方面的应用进行 了阐述，并尝试研究了优化方法和步骤。 ( 6 ) 对燃料电池客车的能量管理策略和优化研究进行总结和展望。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章燃料电池客车总体方案 燃料电池电动客车性能的好坏不仅取决于动力系统参数的匹配、能量管理策 略和优化算法，还取决于整车的驱动型式和结构布置方案。本章主要介绍燃料电 池客车驱动型式和结构布置的分类及特点，并通过分析城市公交工况来确定燃料 电池城市客车的驱动系统结构。 2 1 驱动型式和结构布置的选择 2 1 1 燃料电池客车驱动型式可选方案 根据驱动型式不同，燃料电池电动客车主要可以分为：纯燃料电池驱动( f c ) 、 燃料电池和蓄电池联合驱动( f c + b ) 、燃料电池和超级电容器联合驱动( f c + c ) 、 燃料电池加蓄电池加超级电容器联合驱动( f c + b + c ) 和燃料电池加蓄电池加飞 轮储能器联合驱动( f c + b + f ) 五种型式【8 l ( 见图2 1 ) 。 图2 1 燃料电池汽车的五种驱动型式 ( 1 ) 纯燃料电池驱动意味着客车上必须配备大功率高成本燃料电池，且客车 的制动能量无法回收，整车冷启动时间也将变得很长，所以这种驱动型式仅在巴 拉德公司早期开发的燃料电池客车上采用过。 ( 2 ) 目前应用相当广泛的f c + b 结构是通过在纯燃料电池驱动模式上增加了 蓄电池组和d c d c 变换器实现的。燃料电池输出的功率经过转换和控制直接输 入到电机驱动车轮，当需求功率过大时，蓄电池起辅助作用，在车辆制动时还可 以回收部分制动能量，所有工况下蓄电池的工作均由电池管理系统统一管理。 ( 3 ) 然而，在一些特殊工况下，例如起步、急加速时，车辆的储备功率有时 会显得捉襟见肘；另外在急刹车时，能量回收产生的瞬间高强度电流对蓄电池将 产生极大的伤害。相比之下，超级电容器比功率大，充放电速度快，基于这些原 因，f c + c 的驱动结构诞生了。在燃料电池基础上增加了一个超级电容，两个能 量源的输出功率通过d c d c 变换器进行匹配以共同驱动电机进行工作。燃料电 9 武汉理工大学硕士学位论文 池只输出功率，制动能量由超级电容器来回收，并在车辆启动时可以提供瞬时大 功率，而寿命短、成本高、使用要求复杂的蓄电池被摒弃了。 ( 4 ) 尽管超级电容器优点众多，但是它比能量小，同等重量的超级电容器续 驶里程仅为铅酸电池的1 3 ，为了弥补这一缺陷，工程师们又发明了f c + b + c 结 构的燃料电池汽车。该结构特点是在f c + b 的基础上，在电压总线上再并联一组 超级电容器，它可以提供加速时所需的尖峰电流或吸收紧急制动的尖峰电流，既 减轻了燃料电池的负担，又起到保护蓄电池的作用。 ( 5 ) n s 轮储能器具有高比能量、高比功率、长循环寿命、体积小、充电快等 优点。从表2 1 中可以看出，在镍氢蓄电池、超级电容器、飞轮储能器三者中， 飞轮储能器的性能指标几乎是最优异的。考虑到飞轮储能器在价格和安全稳定性 上还有不足，而蓄电池价格低廉、性能稳定，因此f c + b + f 的驱动结构可以充分 发挥两种辅助能源在技术性能上的互补性，大大提升燃料电池客车的动力性能。 表2 1 辅助能量源性能指标对比【9 1 性能镍氢蓄电池超级电容器飞轮储能器 循环寿命( 次) 5 0 0 ，0 0 0 1 0 0 ，0 0 0 充放电效率 7 0 - - - 9 0 9 0 9 5 9 0 充电时间数小时几分钟十分钟 工作温度范围1 0 - - 4 5 4 0 - - 7 0 4 0 - - 6 0 比能量( w h k g ) 6 0 - - 7 05 1 01 0 0 2 3 0 比功率( k w k g ) 0 1 o 52 1 05 1 0 2 1 2 结构布置可选方案 驱动型式只是燃料电池客车总体方案选型的一方面，在确定驱动型式之后， 还应确定具体的结构布置方案，这主要涉及到燃料电池与辅助能量源分别是如何 接入直流母线的。以燃料电池、蓄电池、飞轮储能器组成的f c + b + f 混合系统为 例，其具体结构可选方案有三种，分别是蓄电池组直接并联混合结构、非直接并 联混合结构、燃料电池直接并联混合结构【1 0 】。 图2 2 蓄电池组直接并联混合结构 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 蓄电池组直接并联混合结构 如图2 2 所示，蓄电池组与经单向d c d c 转换器的燃料电池和经双向d c d c 转换器的飞轮储能器直接并联，并通过电机控制器为电机提供电能。控制方案一 般采用功率取电方式，通过相应工况下的踏板信号给定负载的功率需求，使单向 斩波控制燃料电池的输出功率，并与蓄电池组、飞轮储能器并联，共同向电机供 电。引入的单向d c d c 转换器将燃料电池的输出电压和系统电压分开，驱动系 统电压可以设计得比较高，这样可以降低系统电流值，有利于延长各电力元件的 寿命。同时高的系统电压可以充分满足蓄电池的需要。但是由于燃料电池的能量 输出需要通过d c d c 转换器才能进入直流母线，导致系统的效率比较低，特别 是对于连续负载来说不是最优化设计。 图2 3 非直接并联混合结构 ( 2 ) 非直接并联混合结构 如图2 3 所示，该方案在前一方案的基础上在蓄电池组与直流母线间也增加 了一个双向d c d c 转换器，对辅助能源的输出加以控制，这是考虑了蓄电池特 性后为使其安全稳定工作的改进方案。但是此方案仍采用功率取电方式工作，因 此并未对上一方案的有实质改进，并且增加的一套双向d c d c 转换器降低了蓄 电池组的能量转换效率，也增加了系统开发的成本。 图2 4 燃料电池直接并联混合结构 武汉理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 燃料电池直接并联混合结构 如图2 4 所示，该方案的燃料电池与电机控制器之间能量是单向流动的，蓄