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燃料电池客车动力系统参数匹配及控制策略研究韩经鲁张振东李泽滨孙玉萍

发布时间：2023-05-30T15:14:43.476Z来源：《科技新时代》2023年6期作者：韩经鲁张振东李泽滨孙玉萍

[导读]在燃料电池车辆的设计中，动力系统的参数匹配是一个非常关键的问题，它直接关系到车辆的功率和经济性。本论文主要针对一种

基于燃料电池技术的大巴，对该大巴的动力系统主要参数进行了分析，并基于该大巴的控制策略进行了研究。

中通客车股份有限公司山东省聊城市252000

摘要：在燃料电池车辆的设计中，动力系统的参数匹配是一个非常关键的问题，它直接关系到车辆的功率和经济性。本论文主要针对

一种基于燃料电池技术的大巴，对该大巴的动力系统主要参数进行了分析，并基于该大巴的控制策略进行了研究。最后，给出了一种新的

控制策略。基于MATLAB/Simulink软件，建立了汽车行驶过程的模拟平台，并对其进行了模拟和分析。研究结果显示，本课题所研制的大

巴动力系统具有较好的性能，能够满足大巴的动力性需求，并在此基础上，采用模糊控制方法对大巴进行能量管理，以确保大巴在运行中

的稳定性与安全性。模拟计算结果显示，该方法能在市区行驶时，有效地减少燃油消耗，减少尾气排放。

关键词：燃料电池；参数匹配；控制策略

引言

近年来，在我国节能减排与新能源汽车发展的背景下，利用燃料电池技术的车辆受到人们的高度重视与研究。与传统燃油汽车相比，

燃料电池汽车具有零排放、零噪音、高动力性能等优点，并且能够在电力和燃料两种模式之间进行灵活的切换，特别适用于城市公交、长

途客车等移动出行。在城市道路上行驶时，由于交通拥堵，造成了燃料电池车辆的油耗增加，尾气排放增加。

一、动力系统参数匹配

燃料电池客车的动力系统由发动机、燃料电池、动力电池组、驱动电机、变速器等构成，燃料电池和电机主要是通过驱动电机与变速

器相连，燃料电池与传动装置的联结方式是决定汽车最高车速及最大爬坡速度的关键因素。依据汽车设计参数，选择合适的燃料电池与电

动机，优化发动机与燃料电池性能曲线，使其设计成功率不断地变化，并根据不同的功率需求，调整发动机与燃料电池的工作点，使之能

够适应汽车动力性能的要求。

二、整车控制策略

燃料电池汽车动力系统控制策略是整车控制的基础，它是以整车的性能目标为依据，按照燃料电池汽车动力系统的性能指标要求，在

此基础上，利用模糊控制方法对动态系统的运行状态进行了有效的控制。在能量管理过程中，发动机工作状态的控制是一个关键环节。本

文以燃料电池车辆的动力系统为基础，采用功率跟踪控制方法，以满足燃料电池车辆的动力性和经济性，确保车辆行驶的平稳性和安全

性，并避免频繁启动，降低负载变化对车辆的使用寿命的影响。在大巴上，以PEMFC为主，效率较高的区域为中、低功率区域，选用80

kW功率的质子交换膜燃料电池，得到了它的性能曲线。为避免燃料电池在低效率范围内操作，46%@8kW以满足驱动燃料电池压缩机、电

气辅助设备，例如直流/直流基本要求，应该设置在最小容许操作点上。它被划分为3个区，也就是对应于12~32kW输出功率的53%~54%的

效率区和46%~53%的效率区。对应的功率是8-12千瓦，32千瓦至80千瓦，低于禁闭区的百分之四十六，对应的功率是8千瓦。在此基础上，

本项目提出了一种基于能量平衡原理的“能量平衡”控制方法，即在[8kW，80kW]范围内，实现了能量平衡。

图一燃料电池工作效率图

燃料电池的输出功率随需求而变化。首先，以驾驶员踩油门、刹车的开度及当前车速为依据，判断汽车所需功率；其次，以所需功率

为依据，结合现有动力电池的SOC，对两种类型的能源供给进行合理分配。汽车的正常运行主要包括四种运行状态：第一，汽车启动时，

燃料电池的功率响应较慢；但是发动起来，也要有一个过程，那就是要用到动力电池。二是轻载运行（需要的能量不超过30kW），使电池

的充放电能力保持在40%-80%。当动力电池SOC低于40%时，燃料电池在满足车辆行驶所需功率的同时，还需要对动力电池进行充电，该

系统工作在最高效率（30kW恒功率输出），直到锂离子电池SOC达到80%。在燃料电池充放电容量为40~80%的情况下，就可以根据车辆

的要求来工作。在轻载条件下，对电力的要求不高，因此，燃料电池一般都在高效率区域内运行。三是重负荷（要求的功率超过30kW），

此时汽车的行驶对功率要求相对较高，若动力电池SOC低于40%，则燃料电池可在满足汽车运转所需的前提