燃料电池汽车功率分流控制策略的比较分析

燃料电池汽车功率分流控制策略的比较分析

燃料电池汽车因其具有高效率和零排放而得到了广泛关注。常用的燃料电池包括酸性燃料电池、碱性燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固态氧化物燃料电池和质子交换膜燃料电池。其中，质子交换膜燃料电池具有功率密度高、工作温度低以及电解液对CO2不敏感等优点，因而是最具发展前途的燃料电池。但是，质子交换膜燃料电池在汽车瞬态工况中反应较慢，不能及时遵循汽车功率需求的变化，且这种瞬态变化会降低质子交换膜燃料电池反应堆的使用寿命。通过并联储能电池可解决该问题，实现时需要考虑燃料电池和储能电池之间的功率分配，即功率分流。功率分流常用的控制策略包括基于确定性规则的控制策略和最优控制策略，并对它们进行了比较分析。

选用基于确定性规则的控制策略是，汽车功率需求出现瞬态变化时，由储能电池提供或回收功率需求变化的部分，燃料电池则始终提供恒定的功率。选用的最优控制策略包括动态规划（DP）和模型预测控制（MPC）。对这3种控制策略进行对比时，首先控制模型的开发，包括汽车纵向动力学模型、燃料电池堆反应模型和储能电池模型；之后分别应用这3种控制策略，并记录不同控制策略在城市循环工况下产生的燃油消耗。需要注意的是，在应用MPC控制策略时，预测时间是该策略下的一个可变参数，因而设定预测时间的范围为1～10s，间隔为1s。分析结果显示：①MPC控制策略预测时间的长短对其性能具有较大影响；②与MPC控制策略预测时间为2s时的燃油消耗相比，DP控制策略的燃油消耗降低了12%，而当MPC控制策略的预测时间设定为7s甚至更大值时，这两种最优控制策略的燃油消耗大致相等；③与基于确定性规则的控制策略产生的燃油消耗相比，DP控制策略的燃油消耗降低了5%。

Arya Yazdanietal.SAE 2016-01-1189.

编译：李臣