基于工况响应的氢燃料电池复合动力系统效率优化控制.pdf

2023 年 8 月2023 年第 8 期近年来能源短缺和环境污染问题日益严重，为发展高效率且无污染的清洁能源，各国展开了一系列的研究和分析。氢燃料作为高能量和无排放的资源，成为国际的研究热点，在城市客车等公共交通领域的应用已经得到了长足发展。但传统的氢燃料电池复合动力系统只考虑了经济性，无法保证电池的能量分配。刘强等1提出燃料电池系统的效率控制方法，主要采用Salp 群算法对效率进行优化控制，实现不同燃料电池之间的功率分配；该方法的提出主要是为了优化电池系统的整体效率，以保证整个系统的稳定运行，在平均分配功率的基础上，对电池系统增加下垂控制，使系统在整个运行期间均能达到功率的实时优化，提高了电池系统的工作效率，但在燃料电池的耐久性和抗扰动性能上没有做出进一步分析。杨琨等2以整体需求为基础，设计了氢燃料电池的效率控制方法，提出了新的效率优化控制策略，使燃料电池能避免长期处于低功率运行状态，电池使用寿命得到了一定的提升；该方法基于电池的能量控制策略，在分析氢燃料电池系统运行情况后，基于跟随型能量控制策略设定对应的控制方法，保证在各个区间内均可以维持电池的能量控制，但该控制方法在复合动力系统中的应用效果不理想。为保证氢燃料电池复合动力系统的持续工作，本文收稿日期：2023-03-06基金项目：潍坊市科学技术发展计划项目 渊 2020ZJ1004 冤第一作者简介：刘伟龙袁 1988 年生袁 男袁 河北衡水人袁 博士袁 高级工程师袁 主要从事新能源技术尧 车联网技术方面的研究遥基于工况响应的氢燃料电池复合动力系统效率优化控制刘伟龙1,3袁 李勇2袁 阎红亮1袁 张烨1,3袁 任骥3（1.北京机械设备研究所，北京 100854；2.北京科技大学机械工程学院，北京 100083；3.山东航天威能科技有限公司，山东 寿光 262700）摘要：氢燃料电池具有能量密度高和无排放的优势袁 以氢燃料电池为主的复合动力系统在多个领域得到了长足发展遥传统氢燃料电池复合动力系统未充分考虑工况特性袁 在效率转换和分配上具有波动性袁 因此基于工况响应研究氢燃料电池复合动力系统效率优化控制方法遥 以氢燃料电池的运行状态为基础袁 确定氢燃料电池复合动力系统实际功率需求遥 根据各部件的工作特性和参数袁 构建复合动力系统模型袁 以功率-效率模式划分控制区间遥 将电池安全性能作为响应目标袁基于工况响应理论控制复合动力系统效率袁 实现方法设计遥 实验以不同类型的氢燃料电池复合动力系统为测试对象袁 所研究方法的应用能将转换效率基本控制在 95%以上袁 保证系统在各个时间段内均可以稳定运行袁 该方法具有应用价值遥关键词：复合动力系统曰 工况响应曰 氢燃料电池曰 效率优化控制中图分类号：U469.72文献标志码：A文章编号：2095-0802-(2023)08-0001-04Efficiency Optimization Control of Composite Power System of Hydrogen Fuel CellBased on Operating Condition ResponseLIU Weilong1,3,LI Yong2,YAN Hongliang1,ZHANG Ye1,3,REN Ji3(1.Beijing Institute of Mechanical Equipment,Beijing 100854,China;2.School of Mechanical Engineering,University of Scienceand Technology Beijing,Beijing 100083,China;3.Shandong Aerospace Weineng Technology Co.,Ltd.,Shouguang 262700,Shandong,China)Abstract:Hydrogen fuel cells have the advantages of high energy density and no emissions.The composite power system basedon hydrogen fuel cell has been developed in many fields.The traditional composite power system of hydrogen fuel cell does notfully consider the characteristics of the operating condition,and has a fluctuation in efficiency conversion and distribution.Therefore,the efficiency optimization control method of composite power system of hydrogen fuel cell was studied based on theoperating condition response.Based on the running state of hydrogen fuel cell,the actual power requirements of the compositepower system of hydrogen fuel cell were determined.According to the working characteristics and parameters of each component,a composite power system model was constructed,and the control interval was divided by power-efficiency mode.Taking thesafety performance of cell as the response objective,the method design was realized based on the theory of operating conditionresponse to control the efficiency of the composite power system.The experiment took different types of composite power system ofhydrogen fuel cell as the test object.The application of the research method can control most of the efficiency conversion above95%,and ensure the stable operation of the system in various time periods.The method is of application value.Key words:composite power system;operating condition response;hydrogen fuel cell;efficiency optimization control（总第 215 期）本刊特稿12023 年第 8 期2023 年 8 月以工况响应理论为基础设计新的控制方法，为氢燃料电池复合动力系统效率优化提供理论支持。1确定氢燃料电池复合动力系统实际输出功率氢燃料电池复合动力系统在运行过程中会受到多种因素的影响，如果启动性能差，则需要用多个设备辅助运行，辅助设备的能量也由氢燃料电池提供。实际输出功率的获取中，需要先对辅助设备的需求功率进行计算。氢燃料电池的工作效率与其系统内的化学反应速度相关，即产生的电流与化学反应有直接联系。氢燃料电池功率公式为：Pf=2UfFMH2淄H2，(1)并且：淄H2=MH212F，(2)淄O2=MO214F，(3)式中：Pf为氢燃料电池功率，Uf为氢燃料电池电压，F为法拉第常数，MH2为 H2摩尔质量，淄H2为 H2消耗速度，淄O2为 O2消耗速度，MO2为 O2摩尔质量3。将获取的输出功率与辅助设备的需求功率相减，才可以真实反映氢燃料电池的实际输出功率P：P=Pf-Pz，(4)式中：Pz为辅助设备需求功率。氢燃料电池复合动力系统的工作效率与其运行状态有关，氢燃料电池的工作效率公式为：浊f=PPH2，(5)式中：浊f为氢燃料电池工作效率，PH2为当前流速下 H2完全反应所产生的功率。从能量管理角度看，大多数动力系统的效率优化控制需要建立等效电路，此次以构建的复合动力系统模型为基础，对氢燃料电池的电压进行划分。2构建复合动力系统模型划分控制电压对氢燃料电池复合动力系统的效率进行控制，需要对动力系统的各个部件进行模型搭建。利用 Adviso工具构建氢燃料电池复合动力系统模型，保证结构同时具备能量源和电机（见图 1）。其中，能量源为系统运行提供能量，电机装置对能量进行传递，再将电能转化为机械能驱动系统运行。如图 1 所示，氢燃料电池复合动力系统以氢燃料电池为主要能量源，还包含其他能量源。从功率密度方面看，由高到低为超级电容、锂电池、氢燃料电池；从能量密度方面看，由高到低为氢燃料电池、锂电池、超级电容4。除了 2 种主要结构外，DC/DC 转换器装置也较为重要，该结构可将多个能量源进行连接，使氢燃料电池电压与总线电压一致。氢燃料电池能量源为一个整块的电池，根据相关理论表示其电压U，并对电压划分控制区间。U的表达式为：U=Uo-Ua-Ur-Ue，(6)式中：Uo为当前大气压下的氢燃料电池开路电压，Ua为活性电压，Ur为电阻电压，Ue为额定电压5。根据上一阶段获取的氢燃料电池实际功率需求划分区间，对不同的电压参数进行求解，表达式为：Uo=U0-RTnFlnpH2OpH2pO2姨蓸蔀，(7)Ua=ijlnIf+Iexi0蓸蔀，(8)Ur=IfRf，(9)Ue=Utransexp（JtransIf），(10)式中：U0为标准大气压下氢燃料电池开路电压的数值，单位 V；R为气体常数，8.314 J/（mol K）；T为热力学温度的数值，单位 K；n为反应物种类数量；pH2O为大气压下 H2O 分子反应局部压力的数值，单位 Pa；pH2为大气压下 H2分子反应局部压力的数值，单位 Pa；pO2为大气压下 O2分子反应局部压力的数值，单位 Pa；ij为电极反应速度的数值，单位 A/cm2；If为氢燃料电池电流的数值，单位 A；Iex为交换电流的数值，单位 A；i0为交换电流密度的数值，单位 A/cm2；Rf为氢燃料电池电阻的数值，单位赘；Utrans为电流交换电压的数值，取310-5V；Jtrans为电流交换电能的数值，取 8 A/cm2 6。根据氢燃料电池能量源的组成结构，以反应过程产生的电压为基础进行复合动力系统控制，实现氢燃料电池复合动力系统的效率优化。3基于工况响应控制复合动力系统效率在控制氢燃料电池复合动力系统的效率时，需要对系统运行过程进行透彻分析，将相互关联和具有隶属关系的因素进行划分，构建一个具有层次的控制结构7。此次将氢燃料电池的安全性能作为响应目标，将它作DC/DC双向控制超级电容锂电池氢燃料电池单向控制电机DC/DC直流/直流。图 1氢燃料电池复合动力系统模型22023 年 8 月2023 年第 8 期12345行驶时间/hA2；A4。1007550250A1；A3；图 2氢燃料电池复合动力系统转换效率为目标层进行控制，以汽车碰撞工况为分析前提，对影响氢燃料电池复合动力系统的因素进行权重比较。影响氢燃料电池复合动力系统碰撞工况的安全指标较多，且各个因素的占比不容易量化。直接用层次分析法进行比较，建立判断矩阵，矩阵标度如表 1 所示8。表 1控制指标判断矩阵标度根据表 1，对影响氢燃料电池复合动力系统的因素进行选择。将氢燃料电池模组电阻、加速度、转换功率、电压区间这 4 组因素作为评判指标，具体情况如表 2表 3 所示9。表 2侧面碰撞工况矩阵标度表 3刚性碰撞工况矩阵标度如表 2表 3 所示，按照侧面碰撞工况和刚性碰撞工况进行响应分类，各控制方案对指标因素的判断矩阵为：Z=1223121123122121313121杉删山山山山山山山山山山山山山山山山山山山山山煽闪衫衫衫衫衫衫衫衫衫衫衫衫衫衫衫衫衫衫衫衫衫，(11)X=1243121221412112131221杉删山山山山山山山山山山山山山山山山山山山山山煽闪衫衫衫衫衫衫衫衫衫衫衫衫衫衫衫衫衫衫衫衫衫，(12)式中：Z为侧面碰撞工况的控制判断矩阵，X为刚性碰撞工况的控制判断矩阵。在不同的碰撞工况下对氢燃料电池模组进行影响指标重要度排序，以实现对氢燃料电池的效率控制，保障汽车动力系统安全运行。通过不同的工况响应矩阵标度，能判断氢燃料复合动力系统的效率转换情况，并从侧面和刚性碰撞 2 个角度进行分析，实现标准状态下的控制判断。至此，通过工况响应完成效率控制方法设计。4实验测试分析通过工况响应理论设计了一个新的控制方法。为了验证新方法能对氢燃料电池复合动力系统进行效率优化，采用对比测试的方法加以论证。分别将基于 Salp群算法的控制方法和基于动力需求的控制方法作为对照组，与所提出的方法进行比较，验证不同方法的应用效果。4.1测试环境与数据准备为保证测试的真实性与准确性，将电动汽车实际应用的氢燃料电池复合动力系统作为测试对象，在不同品牌的电动汽车中选择对应的复合动力系统进行效率优化控制。氢燃料燃烧过程具有不稳定的特性，效率波动会影响电动汽车的行驶状态，为保证复合动力系统的持续应用，需要对其转换效率进行控制。以行驶时间为效率转换基础，分别对 4 组不同类型复合动力系统的转换效率进行统计，具体情况如图 2 所示。标度含义12 组指标同样重要3前一个指标比后一个指标更重要5前一个指标明显重要于后一个指标7前一个指标十分重要9前一个指标绝对重要2，4，6，8后一组指标的重要度在临界值项别电池模组电阻电池模组加速度电池模组转换功率电池模组电压区间电池模组转换功率1223电池模组电压区间1/211/23电池模组加速度1/2212电池模组电阻1/31/31/21项别电池模组加速度电池模组电阻电池模组转换功率电池模组电压区间电池模组加速度1243电池模组电阻1/2122电池模组转换功率1/41/211/2电池模组电压区间1/31/221刘伟龙，等：基于工况响应的氢燃料电池复合动力系统效率优化控制32023 年第 8 期2023 年 8 月行驶时间/h系统编号本文方法结果/%基于 Salp 群算法的控制方法结果/%基于动力需求的控制方法结果/%1A197.5287.2485.24A297.6387.1285.36A398.0187.2385.24A498.1288.1285.632A197.5287.0285.42A297.3587.2485.36A397.2587.2186.02A495.6986.6985.263A197.2686.5784.36A297.2487.2585.36A398.0287.3685.24A492.1287.2585.214A195.9687.2485.16A295.7887.2586.01A396.2587.2185.49A495.8587.2385.69A197.2187.3685.36A297.2386.6984.69A395.6886.5485.985A497.2187.2185.366A197.2287.2485.12A298.2586.5284.22A395.2486.5085.55A497.2686.8385.017A197.2287.0284.85A298.1686.4184.01A395.2286.4285.26A497.2585.7884.958A197.1186.9584.65A298.1586.3484.01A395.2186.2185.12A497.2086.6584.16根据图 2，所选择的 4 组复合动力系统具有差异性，在不同运行时间段内的转换效率各不相同。其中，A1 系统在短期内转换效率较高，而 A2 系统在后期的转换效率较高，A3 和 A4 系统在不同的行驶时间内变化较为平稳；但无论哪一组系统的转换效率均没有超过 75%，需要对系统进行效率优化控制，因此选择的对象符合测试条件。将上述情况上传至 MATLAB 软件测试平台，分别采取 3 组控制方法，对各个复合动力系统的转换效率进行控制，验证不同方法的应用效果。4.2不同方法效率控制效果分析只有保证氢燃料的持续燃烧，才能使氢燃料化学成分充分转换，当其充分燃烧且充分转换后，才可以充分支撑复合动力系统的运行。将选择的 4 组复合动力系统作为测试对象，以各种控制方法进行氢燃料电池的效率优化，越接近 100%的转换效率说明控制效果越好，能将燃料充分利用。将连续行驶 8 h 作为监测基础，分别通过测试平台进行验证。不同方法的效率控制结果如表 4 所示。表 4不同方法的效率控制结果如表 4 所示，不同方法对转换效率的控制效果不相同。本文方法的应用能将不同类型氢燃料电池复合动力系统的转换效率基本控制在 95%以上，与 100%较为接近，并且在连续应用过程中能实现工作效率的有效管控，在设定的测试时间段内均可以达到较高的转换效率。而 2 组传统方法的控制效果没有达到 90%，分别平均为 87%和 85%，与本文方法相比有一定的差距。综合结果来看，本文方法以工况响应理论为基础，对不同类型氢燃料电池的工作状态进行分析，使其燃料能充分燃烧，持续地为动力系统的运行提供动力保证，具有应用价值。5结束语以工况响应为研究基础，设计了氢燃料电池复合动力系统的效率控制方法，并取得了一定的应用效果。新方法的效率控制结果较比传统方法的提高了约 10%，具有推广和应用价值。但由于研究时间有限，在测试过程中设定的对比指标过于单一，只分析了效率的转换效果，没有对持续时间进行分析，具有一定的不足之处。后续研究会针对问题所在，进一步分析氢燃料电池复合动力系统的效率优化控制方法，为保证动力系统的持续运行提供理论支持。参考文献：1刘强，李奇，王天宏，等.基于 Salp 群算法的多堆燃料电池系统效率优化控制方法 J.中国电机工程学报，2021，41(22)：7730-7740.2杨琨，郭凤刚.基于整车动力需求的氢燃料电池跟随型能量控制策略研究与优化 J.客车技术与研究，2022，44(6)：1-5.3李晓东.基于氢燃料电池底盘汽车的混合动力控制系统关键技术综述 J/OL.专用汽车，2022(12)：12-15 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