维普资讯 http://www.cqvip.com 第３６卷第９期 ２００８年９月 同济大学学报（自然科学版） ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＴＯＮＧｊＩ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ（ＮＡｎ爪ＡＩ．ＳＣＩＥＮｃＥ） Ｖｏ１．３６Ｎｏ．９ Ｓｅｐ．２００８ 双动力系统燃料电池客车经济性优化设计 姚杰 一，钟再敏 ，孙泽昌 （１．同济大学汽车学院新能源工程中心，上海２０１８０４；２．上海汽车股份有限公司商用车技术中心，上海２００４３８） 摘要：以燃料电池大客车为研究对象，根据其经济性、可靠性以及低成本的需求，提出了一种包含两套独立的燃料 电池、直流／直流变换器及电机的双驱动动力系统结构形式．该结构在通过动力系统的冗余设计提高整车可靠性的 同时，为进一步提高整车经济性的控制方法提供了更为广阔的空间．在此基础上，采用了遗传算法的优化方法，提 出了一种双电机转矩优化分配控制策略，并通过路况实验验证了控制策略的有效性． 关键词：燃料电池客车；双动力系统；转矩优化 中图分类号：Ｕ ４７１．２３ 文献标识码：Ａ 文章编号：０２５３—３７４Ｘ（２００８）０９—１２４６—０４ ＥｃｏｎｏｍｉｃａＩ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ Ｄｅｓｉｇｎ ｆｏｒ Ｈｙｂｒｉｄ Ｐｏｗｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ＦｕｅＩ Ｃｅｌｌ Ｂｕｓ ＹＡＯＪｉｅ ，一，ＺＨＯＮＧＺａｉｍｉｎｇ ，ＳＵＮＺｅｃｈａｎｇ （１．Ｃｌｅａｎ Ｅｎｅｒｇｙ Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｅｎｔｅｒ，Ｔｏｎｇｊｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａ￣２０１８０４，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｃｏｍｍｅｒｃｉａｌ Ｖ＇ｅｈｉｃｅｌ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｃｅｎｔｅｒ，ＳＡＩＣ ｍｏｔｏｒ ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ ｌｉｍｉｔｅｄ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２００４３８，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｄｏｕｂｌｅ ｐｏｗｅｒ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｗｈｉｃｈ ｉｎｃｌｕｄｅｓ ｔｗｏ ｓｅｔｓ ｏｆ ｏｗｅｒ ｔｒｐａｉｎ ｓｙｓｔｅｍ（ＦＣＥ＋ＤＣ／ＤＣ＋ ｍｏｔｏｒ），ｉｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ｈｙｂｒｉｄ ｐｏｗｅｒ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ａ ｒｕｅｌ ｃｅｌｌ ｂｕｓ ｔｏ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ ｉｎ ｅｅｏｎｏ— ｍｙ，ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｌｏｗ ｃｏｓｔ．Ｔｈｅ ｂｕｓ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ｉｓ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｂｙ ｒｅｄｕｎｄａｎｃｙ ｏｗｅｒｐ ｓｙｓｔｅｍ，ｗｈｉｃｈ ａｌｓｏ ｐｒｏ— ｖｉｄｅｓ ｍｕｃｈ ｍｏｒｅ ｓｐａｃｅ ｆｏｒ ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｔｈｅ ｅｃｏｎｏｍｉｃａｌ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．Ａ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｏｆ ｄｏｕｂｌｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｍｏｔｏｒｓ ｔｏｒｑｕｅ ｉｓ ｓｔｕｄｉｅｄ ｗｉｔｈ ＧＡ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｍｅｔｈｏｄｓ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ａｒｅ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｉＳ ｆｅａｓｉｂｌｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｆｕｅｌ ｅｅｌ】ｂｕｓ；ｄｏｕｂｌｅ ｐｏｗｅｒ ｓｔｕｃｔｕｒｅ；ｔｒｏｒｑｕｅ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ 鉴于目前日益严峻的能源短缺和环境污染的 形势，节能、环保和安全已经成为国际汽车工业发展 的三大主题，引领了汽车工业科技创新的主旋律，发 展包括燃料电池汽车等在内的新型汽车已成为全球 共识ｌ卜 ．燃料电池汽车是以燃料电池发动机为主 本文以燃料电池大客车为研究对象，鉴于燃料 电池汽车同样存在经济性和可靠性的要求，采用了 双动力系统结构．这种结构既可实现一般电动汽车 再生制动，又能通过双动力系统的冗余设计，提高整 车可靠性，同时为进一步提高整车经济性的控制方 法提供了更为广阔的空间．在这种结构的基础上，采 用理论分析和计算机仿真分析的方法，提出了一种 要动力源的电动车辆．由于燃料电池本身的特性，燃 料电池还需要和其他能源混合使用才能满足车辆的 需要．现在一般采用燃料电池和高功率动力蓄电池 双电机转矩优化分配控制策略，并通过路况实验，验 证了控制策略的有效性． 的混合动力系统． 收稿日期：２００６～１２—１１ 基金项目：国家“八六三”高技术研究发展计划资助项目（２００５ＡＡ５０１０００） 作者简介：姚杰（１９７１一），男，工程师，工学博士，博士后，主要研究方向为汽车电子．Ｅ—ｍａｉｌ：ｅｉｊｏａｙ＠１２６．ｃｏｍ 维普资讯 http://www.cqvip.com 第９期 姚杰，等：双动力系统燃料电池客车经济性优化设计 另一套动力系统仍能保证车辆跛行回家．同样的功 １ 基本组成 目前，我国的燃料电池系统普遍存在体积大、噪 声高等缺点，而客车相对于轿车有较为宽阔的内部 空间，更便于改型设计．这也为燃料电池大客车的动 力系统整体设计方案提供了更多的选择． 燃料电池客车多能源动力系统有多种结构形 率需求下，两组电机根据其效率场特性的优化组合 输出，也为进一步提高整车经济性提供了新的途径． 另外，因与轿车燃料电池、Ｄｃ／［）Ｃ等零部件有通用 性，为目前整体规模相对较小的燃料电池汽车业设 计、维修以及降低成本等提供条件． ２双动力系统转矩优化分配策略 式，如“燃料电池＋蓄电池”【３ｌ、“燃料电池＋超级电 容”【４ｌ、“燃料电池＋蓄电池＋超级电容”等ｌ ５１．本文 研究的动力系统以“燃料电池＋蓄电池”为基本形 式，采用了双动力系统结构方案．其组成如图１所 示．主动力源为两个独立的燃料电池发动机，为客车 行驶提供基本的功率需求；由于燃料电池发动机具 有输出特性偏软的特点，选择高功率动力蓄电池作 为辅助动力源，在加速等瞬态工况下能起辅助动力 作用，同时实现再生制动能量的回收．动力系统各模 块均有自己的控制器，通过车载ＣＡＮ（ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ａｒｅａ ｎｅｔｗｏｒｋ）通信网络与动力系统总成控制器交换 信息．总成控制器（Ａｕｔｏｂｏｘ实现）是动力系统控制 核心，根据驾驶员的指令和各子控制器反馈的信息 进行决策，使各子控制器根据总成控制器的指令和 自身的状态控制模块． ＿Ｌ 上 Ｔ Ｔ 图１燃料电池大客车的基本组成 Ｆｉｇ．１ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｆｕｅｌ ｃｅｌｌ ｂｕｓ 这种结构形式，在满足客车高功率、加减速等瞬 态工况频繁需求的基础上，一定程度地实现了动力 系统的冗余设计，相对提高了整车的可靠性．即在某 一套动力系统出现引起停车的故障而被迫关断后， 在电动汽车的研发过程中，作为提高整车经济 性的重要手段，混合动力汽车的多动力源的能量管 理控制策略是动力总成控制系统的一个研究重 点 ６．双动力系统的燃料电池客车的能量管理控制 策略的经济性优化方案可分为两个层次，首先是根 据驾驶员意愿，在相同的总功率需求下，两组电机根 据效率场特性优化组合输出；其次是每一套动力系 统在整个行驶工况中，通过ＤＣ／ＤＣ协调燃料电池 和蓄电池组的输出，尽量使燃料电池工作在高效区 域，提高经济性．这两个步骤可依次独立完成，共同 提高整车经济性．这里仅以两组电机的优化组合输 出作为研究重点． 图２所示为所用电机的效率特性场，即等效率 曲线．从图２可以看出，在电机工作的不同区域，效 率特性存在较大的区别，在同一速度下，效率与转矩 呈现非线性关系．因此，在某一速度下，为保证不影 响整车的动力性，即在保持两个电机输出转矩和不 变的情况下，根据电机的效率场，适当分配两个电机 的输出，可以较通常的双电机转矩平均分配提高整 车经济性．这个问题是一个多约束单目标优化问题． 传统的优化方法可能要求目标函数连续、可微等条 件，而对于本文研究的问题，这些条件较难满足．遗 传算法（ＧＡ）是一种模仿生物进化过程的搜索算法， 由于对目标函数没有限制要求，已广泛应用于优化 等各个领域．这里也将其作为本文进行双电机转矩 的分配优化的基本方法． 转矩优化分配的约束条件是，在一定的转速下， 两电机的转矩输出之和为一个常数值，即驾驶员某 地某时刻的转矩需求，最大值不能超出该转速下的 双电机最大转矩输出．优化目标是两电机的输入功 率和最小，即在两电机输出转矩和速度已知的情况 下，计算输出功率，再结合电机效率（查表），得到该 时刻电机输入功率． 遗传算法参数的取值如下：种群数３０，最大终止 代数１００，交叉算子０．８，变异概率５％，终止条件适应 维普资讯 http://www.cqvip.com
同济大学学报（自然科学版） 第３６卷 度不超过０．０００ １．图３为速度为１ ０００ ｒ・ｍｉｎ～，两转 其转矩分配结果为３９８ Ｎ・ｍ，４０２ Ｎ・ｍ，较两电机平 矩输出和为２×４００ Ｎ・ｍ时，两转矩的优化分配历程， 均转矩分配优化目标减少０．４６５ ｋＷ． 图２燃料电池大客车电机的效率曲线 Ｆｉｇ．２ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｍａｐ ｏｆ ｔｈｅ ｆｕｅｌ ｃｅｌｌ ｂｕｓ ｍｏｔｏｒ ４ ０００ 至３ ０００ ２ ０００ 蜊 纂１册 ０００ 稠 Ｏ ５００ ｌ ０００ １ ５００ ２ ０００ 双 时间／Ｓ 电 ａ电机转速 湖 矩 燃 图３两转矩的优化分配历程 Ｆｉｇ．３ Ｓｔｅｐ ｏｆ ｔｗｏ ｔｏｒｑｕｅ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ 墓 ㈣ ３转矩优化分配策略的在线实现 ６００ 由于在线寻优时间较长，难以分配控制实时转 暑４００ Ｚ 矩，因此，采用离线优化在线查表的方式来实现系统 ２００ 的在线优化控制．即通过把速度以及转矩和作为遗 癣 传算法的约束条件，优化计算所有的组合，得到两张 Ｏ ５００ １ ０００ ｌ ５００ ２ ０００ 较为完整的三维表，两个输入轴都为速度以及转矩 时间／Ｓ ｃ电机ｌ转矩 和，输出轴分别为优化后较小的转矩输出和较大的 转矩输出．为了避免两燃料电池的输出长期不平衡 导致寿命的差距，在整个系统的控制策略中，需要对 双电机的输出进行周期性的调整． 图４，５，６是一段正常行驶路况（路况１）实验和 ～ 两组加减速（路况２，３）优化分配与平均转矩分配实 时间／Ｓ ｄ电机２转矩 验对比．根据实测的结果计算，优化分配较平均的转 矩分配，三种路况的经济性分别提高２．１６％， 图４路况１的两转矩优化分配 Ｆｉｇ．４ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｗｏ ｔｏｒｑｕｅ ｉｎ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ １ ３．０５％．２．８９％． 维普资讯 http://www.cqvip.com 第９期 姚杰，等：双动力系统燃料电池客车经济性优化设计 １２４９ （＿Ｉ＿ｕ｛】）／ 【Ⅲ． ＼墩车毒 霉 弓 ～ 时间／ｓ 时间／ｓ ａ电机转速 ｂ双电机平均转矩 ２００ ３００ １５Ｏ 乏２００ １ＯＯ ５Ｏ 啦ｌＯＯ Ｏ ２５ ５Ｏ ７５ Ｏ 时间／ｓ 时问／ｓ ｃ电机１转矩 ｄ电机２转矩 图５路况２的两转矩优化分配 ｉＦｇ・５ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｗｏ ｔｏｒｑｕｅ ｉｎ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ２ ４ ０００ ３ ０００ ２ ０００ ｌ ０００ ０ ２００ ４００ ６００ ８００ 时间／ｓ ａ电机转速 ６００ ４００ ２００ Ｏ －ｌＪ＿ Ｉ ｌＩＪ Ｉ ２００ ４００ ６００ ８００ 时间／ｓ ６００ ｂ双电机平均转矩 ４００ ２００ Ｏ １ ＩｌＩ 。 １ １Ｉｌ“ ２００ ４００ ６００ ８００ 时间／ｓ ｃ电机ｌ转矩 ８００ ０ ６００ Ｚ ４００ 辩２００ Ｏ ２００ ４００ ６００ ８ｏ０ 时间／ｓ ｄ电机２转矩 图６路况３的两转矩优化分配 Ｆｉｇ．６ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆｔｗｏｔｏｒｑｕｅｉｎ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ３ 一【＿ｃｌⅧＪ】＼增毒毒 ４结语 一山．ＮＪ＼墩毒毒 本文针对燃料电池大客车的特点，出于提高经 济性、可靠性以及低成本的要求，提出一种双动力系 统结构．这种动力系统结构形式，在同一转矩的需求 下，由两个电机共同输出．根据电机的效率曲线，可 在总转矩不变的情况下，对双电矩进行转矩优化，同 时，这种结构也在一定程度上实现了动力系统的冗 余设计．该结构通过双动力系统的冗余设计，在提高 整车可靠性的基础上，为进一步提高整车经济性的 控制方法提供了更为丰富的手段．并在此基础上，采 用了遗传算法的优化方法，提出了一种双电机转矩 优化分配控制策略，并通过路况实验，验证了控制策 略的有效性． 参考文献： ［１］ Ｃｂａｎ Ｃ Ｃ．Ｔｈｅ ｐｒｅｓｅｎｔ ｓｔａｔｕｓ ａｎｄ ｆｕｔｕｒｅ ｔｒｅｎｄｓ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｖｅｈｉ— ｄｅｓ［Ｃ］ｆ／／ＦｉｒｓｔＣｉｒｃｕｌａｒｏｆＣｈｉｎａＪａｐａｎＥｌｅｃｔｒｉｃＶｅｈｉｃｌｅ ＪｏｉｎｔＣｏｎ— ｆｅｒｅｎｃｅ．Ｂｅｉｊｉｎｇ：Ｂｅｉｊｉｎｇ ｉｓｎｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｐｒｅｓｓ，２００１：１００ —１０７． ［２］Ｍｉｎ Ｊ Ｋ，Ｈｕｅｉ Ｐ．Ｔｅｓｔｉｎｇ，Ｍｏｄｅｌｉｎｇ，ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ａ Ｆｕｅｌ Ｃｄｌ Ｈｙｂｒｉｄ Ｖｅｈｉｃｌｅ［Ｃ］∥Ａｍｅｉｒｃａｎ Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｃｏｎｔｏｒｌ ｏＣｕｎｃｉｌ．２００５ Ａｍｅｒｉｃａｎ ｏＣｎｔｒｏｌ ｏＣｎｆｅｒｅｎｃｅ．Ｗａｒ￣ｗ：［ｓ．ｎ．］，２００５：１４３—１５０． ［３］Ｏｇｂｕｍ Ｍ Ｊ．Ｓｙｓｔｅｍｓ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ，ｍｏｄｅｌｉｎｇ，ａｎｄ ｖａｌｉｄａｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｆｕ— ｅｌ ｃｅｌｌ ｈｙｂｒｉｄ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｖｅｈｉｃｌｅ［Ｄ］．Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ：Ｖｉｒｇｉｎｉａ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ａｎｄ Ｓｔａｔｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０００． ［４］Ｉ￣ｕｅｒ Ｋ Ｈ．Ｎｕｍｅｉｒｃａｌ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ｔｗｏ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ Ｕｌｔｒａ Ｃａｐａｃｉ． ｔｏｒ Ｈｙｂｒｉｄ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｖｅｈｉｃｌｅｓ［Ｃ］∥ＥＶＳ１８一Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ．Ｂｅｒｌｉｎ：Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｕｎｉｕｅｒｓｉｙｔ Ｂｅｒｌｉｎ．２００１：１１４—１１８． ［５］Ｎａｐｏｌｉ Ａ Ｄ Ｆ．Ｕｌｔｒａｃａｐａｃｉｔｏｒ ａｎｄ ｂａｔｔｅｒｙ ｓｔｏｒａｇｅ ｓｙｓｔｅｍ ｓｕｐｐｏｒｔｉｇｎｆｕｅｌ ｃｅｌｌ ｐｏｗｅｒｅｄ ｖｅｈｉｃｌｅｓ［Ｃ］／／ＥＶＳ１８一Ｅｌｃｅｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ Ｓｙｍｐｏｓｉｍｕ．Ｂｅｒｌｉｎ：Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｕｎｉｕｅｒｓｉｔｙ Ｂｅｒｌｉｎ，２００１：８４ —８８． ［６］孙泽昌．燃料电池汽车动力系统功率平衡控制策略［Ｊ］．机械工 程学报，２００５，４１（１２）：３０． ＳＵＮ Ｚｅｃｈａｎｇ．Ｐｏｗｅｒ ｂａｌｎａｃｅ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｏｆ ｐｏｗｅｒ ｔｒａｉｎ ｉｎ ｆｕｅｌ ｃｅｌｌ ｖｅｈｉｃｌｅ［Ｊ］．Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃｌａ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００５，４１ （１２）：３０． 一Ｅ