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商用车燃料电池混合动力系统的组合尺寸及EMS优化

【摘要】在过去的几年里，基于燃料电池的动力系统在减少车辆相关温室气体（GHG）排放方面受到了商用车辆制造商的广泛关注。与电池电动汽车（BEV）相比，燃料电池的动力系统具有续航里程长的强大优势，这对于具有高占空比能量要求的商用车而言至关重要。在不同的燃料电池类型中，质子交换膜燃料电池（PEMFC）由于其相对较高的技术成熟度、市场可用性和氢燃料利用率，在汽车应用中具有最大的潜力。此外，由于轻烃燃料或重烃燃料（如柴油）的现有再燃料基础设施，固体氧化物燃料电池（SOFC）显示出良好的潜力。本文研究了PEMFCs和柴油燃料SOFC在商用车燃料电池混合动力汽车（FCHEV）结构中的应用，对象目标2.5t-3.5t重量范围内的货车、客车和三轴牵引式长途卡车，它们都是能量驱动型汽车，燃料电池系统的高能量密度值非常适合这些应用。由于车辆应用类型和系统配置的数量很多，并且由于这种混合架构的复杂性，动力系统设计循环非常耗时，因此基于模型的系统工程变得非常必要。本研究提出一个以模型为基础的元件尺寸调整与能量管理策略（EMS）优化相结合的方法，以确定动力系统的性能与系统总成本。在所提出的方法中，基于初始估计、固定部件效率和车辆性能要求，将最初考虑的设计空间缩减为较低数量的可行电源组合，然后对不同驱动循环下的所有可行组合使用优化算法，即基于时间的交付货车WLTP驱动循环和基于改进距离的客车和长途卡车VECTO驱动循环，根据英国市场，分析并提出了FCHEV动力总成结构的设计方法。

引言

在欧洲，如图1所示，2015年卡车和公共汽车仅产生约27%的道路运输二氧化碳排放量[1]，到2030年，由于货运活动的增加和乘用车二氧化碳排放量的减少，这一比例可能增加到37-41%[2]。降低商用车部门的二氧化碳排放量对于整个二氧化碳减排目标至关重要，零排放汽车（ZEV）技术将是这一减排的关键组成部分。即使商用车的ZEV技术略有提高，也将对环境产生重大影响。以燃料电池汽车为研究对象，本研究有助于加速ZEV在商用车领域的发展速度。随着车辆重量、所需范围和所需有效载荷的增加，燃料电池汽车技术被认为与电池电动汽车（BEV）技术相比具有越来越强的竞争力，尤其对于具有高能量要求的应用，BEV需要过大的电池尺寸[3]。目前基于燃料电池的汽车状态仍主要处于原型阶段，例如乘用车和客车的应用上。早期的应用程序可以通过为特定的业务案例设计工具来创造积极的商业机会。

图一：2015年欧洲运输温室气体排放份额[1]

基于燃料电池的动力系统结构通常包括燃料电池系统（燃料电池组、燃料储存罐、燃料电池辅助部件和燃料电池控制单元）、能量储存系统（例如高压锂离子电池系统，包括电池管理系统）和一个或多个DC/DC转换器（通常是一个燃料电池系统输出端的DC/DC转换器[4,5,6,7]。由于部件数量的增加和对功率分配控制的要求，与传统的动力系统结构相比，这种动力系统结构变得更加复杂。在早期的开发阶段，这需要几个耗时的设计循环，使得系统的开发更加困难。因此，系统设计和动力系统性能仿真工具通常被用于部件尺寸的选择和能量管理策略（EMS）的早期开发。

本研究的目的是提出一个基于动态规划（DP）的综合能量管理系统，优化燃料电池混合动力系统和动力系统部件尺寸以提高动力系统和寿命，降低成本，并在此基础上进行燃料电池和电池尺寸的选择。首先，介绍商用车的应用类型和适合的燃料电池混合动力系统结构。此外，给出了每种商用车应用类型主要的系统要求，提出构件尺寸和EMS优化方法，将尺寸和优化方法应用于三种选定的车辆应用类型。最后，确定每个应用程序类型的结果和系统生存期成本。最终结论将在文末给出。

1.应用类型和系统定义

在本节中，将介绍应用程序类型和正在考虑的系统。第一节介绍了为本研究选择的商用车应用类型，下一节介绍了所提出的设计方法如何应用于燃料电池混合动力系统。

1.1商用车类型

考虑三种商用车应用类型：2.5t-3.5t重量范围内的N1级货车、单层客车和三轴牵引式长途卡车。送货车的2.5t-3.5t重量范围选择是基于英国的销售百分比而来，在英国销售的约70%的货车为2.5t-3.5t货车[8]。对于客车和载重汽车应用，选择上述长途运输类型，因为它们是能源驱动型，非常适合采用燃料电池系统，而BEV的优势则并不明显。从电池尺寸或充电频率要求来看，BEV的动力总成结构无论是体积还是成本想要符合期望都非常困难。此外，必须提及的是，就子类别而言，长途客车和长途卡车的选择也基于以下事实：（a）在英国销售的大多数长途客车（~60%）为单层车[9]，（b）在英国销售的大多数重型（HD）卡车（~60%）为牵引车类型[10]。

关于考虑的三种车辆应用类型的驱动循环，基于时域的WLTP驱动循环被考虑用于厢式车辆应用类型，如图2所示。而基于距离域的VECTO驱动循环被考虑用于客车和长途卡车车辆应用类型。与WLTP驱动循环相反，VECTO驱动循环包括距离域内的坡度剖面，如图3所示（客车）和图4所示（长途卡车）。VECTO驱动循环根据车轮水平方向上的特定牵引力和制动力特性进行了修改。为了本研究的目的，将模拟结果与确定所开发的测试周期是否代表具有良好质量的时间序列剖面的某些准则进行比较。生成基于时间的速度曲线时，应满足驱动循环的标准是：

1. 总停站时间分别为基于VECTO距离的驱动循环所定义的目标行程时间的2.7%和4.6%[11]，即客车的总停站时间为400秒，长途卡车车辆应用类型的总停站时间为210秒（预先确定的要求）。

2. 总行程时间小于或等于目标行程时间的105%（主要标准）。

3. 车速在plusmn;3 km/h范围内的总距离小于或等于总距离的5%（次要标准）。

图二：本研究所考虑之货车应用类型及相应之驾驶循环（WLTP速度及坡度）

表一：三种商用车应用类型的车辆规范

图三：本研究所考虑的客车应用类型及相应的驱动循环（VECTO客车速度及坡度）

图四：三轴牵引式长途汽车的应用类型及相应的驱动循环（本研究考虑了VECTO长途汽车的速度和坡度）

表1给出了本研究中所考虑选择的车辆规格。

1.2系统/性能要求

表2给出了EMS优化中用于最小化初始设计空间的系统级性能要求和限制，以及随后可行设计组合的定义。选择系统/性能要求是为了使燃料电池车辆能够提供与具有表1中先前定义的规格的传统车辆相似的性能。

1.3 FC混合动力系统组合

基于燃料电池的汽车结构有几种类别，主要是全燃料电池汽车、燃料电池混合动力汽车（FCHEV）、插电式混合动力汽车（PHEV）和增程式燃料电池（FCREx）汽车。在全燃料电池汽车中，燃料电池的尺寸非常接近最大功率需求，其输出功率随负载而变化。小型储能装置可用于捕捉再生制动能量和支持燃料电池动力学，但不能外部充电。在FCHEV架构中，燃料电池系统是主要的动力源，中小型电池用于提供高功率峰值和捕获部分再生制动能量。电池的大小取决于燃料电池的大小，并且如果电池可以外部充电，例如，如果FCHEV属于PHEV类别，电池系统的输出将适合更高的功率额定值。在这种情况下，FC系统的输出适合较低的额定功率。在FCREx车辆结构中，燃料电池的输出应能提供平均驱动功率，并且在电池的SoC较低时能保持电池的荷电状态（SoC）。这允许以仅使用电池（BEV模式）运行几公里，但通常需要从外部电源充电，因为SoC会随着时间耗尽。

在本研究中，考虑了燃料电池混合动力汽车（FCHEV）、插电式混合动力汽车（PHEV）和增程式燃料电池（FCREx）汽车的动力系统结构，其中插电式混合动力电动汽车（PHEV）和增程式燃料电池汽车的电池为外部充电。为了便于区分不同的配置，PHEV类别与FCREx类别合并，即所有的仿真结果均参考两种动力系统架构，即FCHEV和FCREx。从二者初始设计空间的定义来看，主要区别在于对燃料储存需求的初始估计。对于FCHEV而言，燃料储存的质量来自于每个应用的初始能量需求、燃料电池系统的平均效率值（PEMFC的55%基于[12]和柴油燃料的SOFC的35%基于[13]）、燃料的较低热值（柴油的42.6MJ/k，120MJ/kg以及燃料储罐的重量能量密度。这一估计假定了一个维持电荷的EMS，即电池的SoC从驱动循环的开始到结束都没有耗尽，因此旅程所需的所有能量都存储在燃料中。在FCREx的情况下，允许电池的SoC耗尽，并从初始能量需求中减去电池系统中存储的初始能量。这种能量差被认为储存在燃料中。对于每个燃料电池组合，电池系统中存储的能量是根据电池尺寸和电池系统假设的重量功率和能量密度计算的。

表二：三种商用车应用类型的选定性能要求

在燃料电池类型的选择方面，质子交换膜燃料电池（PEMFC）和固体氧化物燃料电池（SOFC）被认为是满足车辆应用要求的最有前途的技术[14]。质子交换膜燃料电池由于其相对较高的技术成熟度、市场可用性和氢燃料利用率，在汽车应用中具有最大的潜力。此外，与其他燃料电池类型相比，质子交换膜燃料电池具有要求相对较低的工作温度（低温质子交换膜燃料电池约为80摄氏度）和高功率密度[15,16]的优点，这使得它们适合于车辆应用，并提供更好的热循环特性。基于PEMFC的系统的主要缺点是复杂的水管理要求[17]和储氢罐的容积要求，这可能会限制行驶距离或增加能量驱动车辆应用类型（如长途公共汽车和卡车）的重新加油频率。本研究中燃料电池类型的第二个选择，SOFC，由于使用了多种轻烃和重烃燃料，显示出良好的汽车应用潜力[18]。此外，现有的重烃燃料再燃料基础设施（本研究中考虑了柴油和外部燃料重整）为在汽车领域使用此类系统带来了灵活性，特别是对于需要长时间运行和夜间辅助运行的应用。基于SOFC的系统的主要缺点是排放物（只要不使用氢燃料）及其有限的热循环性（主要用于冷启动）。当外部重整用于重烃的利用（如本研究中所述）时，系统的总效率可以接近或高于内燃机（ICE）的效率值。

2.基于模型的尺寸和优化

2.1系统选择方法

在本节中，介绍了系统参数确定和优化方

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