燃料电池汽车仿真研究

燃料电池汽车整车建模的难点在于燃料电池系统的建模。对燃料电池本身建模方法的研究可分为两种。一种是在电化学、热力学、流体力学等理论的基础上，建立比较复杂的分布参数模型。这种模型的优点是：通过参数设置可以模拟不同燃料电池的动态特性；可模拟燃料电池的内部状态以帮助设计者对燃料电池展开进一步优化。其缺点是模型复杂，不直观，运算速度慢。另一种则采用经验模型，此类模型以能量守恒理论和实验数据为基础，从系统的角度分析燃料电池的工作特性，更为贴近工程应用。但该模型中存在大量的待定参数和表格，因此建模需要较耗时的实验测试。本书以工程实验为基础，采用第二种方法，建立可用于整车仿真的非线性燃料电池模型。

在比较和优化设计方案、测试各种控制策略的实际效果时，实车实验的方法不仅需要耗费大量的人力、物力和财力，而且延长了设计周期。另外，对于燃料电池汽车的研发，很多厂家尚处于起步阶段，具有知识积累较少、研发人才相对稀缺（与传统汽车相比）、投资风险较大和资金回报周期较长等不足。燃料电池汽车整车仿真旨在仿真分析燃料电池系统乃至整个汽车动力系统的工作情况，进而根据仿真结果优化整车系统。在燃料电池汽车前期研发过程中，采用仿真研究的方法能大大提高燃料电池汽车设计的前瞻能力，有效缩短产品开发周期和降低研发成本。

按照仿真过程中控制信号与能量流的传递路径，可将仿真结构划分为两大类：后向仿真与前向仿真[5]（图1−7）。

图1−7 仿真结构

（a）后向仿真；（b）前向仿真

后向仿真从系统需求出发，假定车辆按指定工况行驶。在这种仿真结构中，整车行驶所需驱动力矩按照工况要求的车速进行实时计算，传递计算方向与实际转矩传递路线相反；控制器则根据制定的能量管理策略，将整车需求功率进行相应分配，以需求值的形式传递给各动力源，从而实现对整车的控制。

前向仿真结构中引入驾驶员模型，其功能在于可根据工况需求车速与仿真所得车速来实时调整加速和制动踏板的开度，从而使控制器按驾驶员的意图进行能量管理与分配。在仿真过程中，驾驶员对踏板的调整通常是以转矩的形式体现的。控制器按照驾驶员需求计算出驱动装置应提供的转矩或功率，并决定相关部件的工作状态，然后发送控制指令至相应部件，从而实现对整车的控制。整个仿真系统中的控制信号与能量流完全遵照与实车相同的传递路线，即从驱动装置到传动部件，最后到达车轮。

虽然后向仿真未考虑驾驶员的意图，但它在计算过程中大量采用了数据查表的简化计算方法，忽略了传动系统实际的瞬态变化过程，进而大大降低了对积分运算的要求，故仿真速度较快。而后向仿真最大的不足在于，仿真一开始就假定车辆能够达到和满足行驶工况的需求。因此，此方法尤其不适于整车动力性的计算。例如，在计算最高车速或加速能力时，一旦所需求的最大车速或加速能力超出了车辆本身的实际能力，则往往会在反复迭代的过程中导致计算错误。同时，后向仿真结构也不适于整车控制策略的开发与调试。

前向仿真结构与实际系统结构类似，结构中各单元如控制器和部件的动、静态参数在运行前需预设，控制信号的生成与传递方式、传动部件的输出扭矩特性等直接影响仿真结果。因此，这种仿真结构更利于高效地进行整车控制器的开发和测试。由于具有这种优势，在前向仿真结构中可以建立包括离合器和变速器等非线性环节在内的传动系统动态过程模型。另外，在前向仿真结构中进行整车动力性的计算也相对容易，只需将加速踏板开度值设置为最大即可。前向仿真结构涉及车速以及相关传动部件动态变化过程的计算，因而对积分运算提出了较高要求；为了提高仿真的精度与准确度，通常需要减小仿真步长，所以仿真速度较慢，且仿真过程中需保存的数据量大大增加。当循环工况时间大于10 min时，这一不足表现得尤为明显。

鉴于后向仿真与前向仿真各自的特点，在燃料电池汽车设计过程中，后向仿真一般被用于初期的系统预估，即对所需开发的燃料电池汽车整车结构及相应的控制策略作初步的筛选与评估；前向仿真则用于实车系统联调前的开发过程，通过对已选定的部件进行精细设计和动态模拟，在寻求并优化与之匹配的整车控制策略的原则指导下，适当改进相应部件的设计参数，以达到整车性能满足设计要求的目的。

随着电动汽车建模技术的不断发展，许多研究机构和公司都推出了自己的仿真软件，如表1−1所示，近几年常用的主要有ADVISOR、PAST、FCVSim、Cruise、LFM等。由于篇幅限制，本书不再对其他软件一一进行介绍，下面简单介绍ADVISOR软件。

表1−1 电动汽车仿真软件介绍[6]

ADVISOR是基于MATLAB/Simulink环境开发的高级车辆仿真软件，是目前世界上可免费下载和用户数量最多的汽车仿真软件。该软件从1994年11月开始进行开发和使用，最初用来帮助美国能源部（DOE）开发某项混合动力汽车的动力系统，随后其功能逐渐扩展，现可对传统汽车、纯电动汽车和混合动力汽车的各种性能作快速分析。2003年，ADVISOR软件被奥地利的李斯特内燃机及测试设备公司（简称“AVL 公司”）收购，收购前最新的一个免费版本是ADVISOR 2002。

ADVISOR 建模软件基于模块化的设计思想，采用后向仿真为主、前向仿真为辅的混合仿真方法，兼顾了运算速度和仿真精度。同时，它提供方便的应用程序接口，可配合其他多种软件进行联合仿真。但ADVISOR的缺点也比较明显：准静态的部件模型使其不能精确到1/10 s以内，同时该软件也不能仿真机械振动、电磁振荡等动态特性。

2000年，Ogburn和Nelson等[106]运用ADVISOR软件建立了五座位燃料电池轿车的模型，采用 EPA 城市行驶循环和高速公路行驶循环进行仿真，并根据实际车辆的运行结果验证了该模型的正确性。2004 年，Maxoulis 和Tsinoglou等[107]将一个已有的半经验半机理模型嵌入ADVISOR中，使得燃料电池模型可以运行在不同的行驶工况中，并考虑了电堆温度的变化。用户可以通过改变电堆最大功率、催化活性及流道中水浓度等参数来观察特定车辆的运行情况。Haraldsson 和 Alvfors 等[108]在 ADVISOR 中建立了车用PEMFC 电堆模型，并分析了周围环境的变化（如纬度、环境温度、相对湿度等）对电堆性能的影响。

尽管已经出现上述针对燃料电池汽车整车仿真的软件，但是截至目前尚无一款软件能实现通用化。国内外各研究单位一般是基于MATLAB/Simulink软件搭建适合自身研发需要的仿真平台。本书正是针对此问题向读者介绍一种基于MATLAB/Simulink软件的燃料电池汽车整车仿真平台。