能量管理策略对燃料电池客车热管理系统性能的影响

doi:10.3969/j.issn.1674-8484.2022.03.014

汽车安全与节能学报 ›› 2022, Vol. 13 ›› Issue (3): 526-534.DOI: 10.3969/j.issn.1674-8484.2022.03.014

能量管理策略对燃料电池客车热管理系统性能的影响

宋波¹(), 孙凯¹, 车志钊¹, 陈锐¹^,², 刘怀宇¹, 任美林¹^,³, 王天友¹^,^*()

1.天津大学,内燃机燃烧学国家重点实验室,天津 300072,中国
2.拉夫堡大学航空与汽车工程系,拉夫堡 LE11 3TU,英国
3.中汽研汽车检验中心（天津）有限公司,天津 300300,中国

收稿日期:2021-12-31 修回日期:2022-03-14 出版日期:2022-09-30 发布日期:2022-10-04
通讯作者: 王天友
作者简介:* 王天友,教授。E-mail： wangtianyou@tju.edu.cn。
宋波（1996—）,男（汉）,山西,硕士研究生。E-mail： songbo2015@tju.edu.cn。
基金资助:
国家自然科学基金重点国际（地区）合作研究项目(51920105010);国家自然科学基金创新群体项目(51921004)

Influence of the energy management strategy on the thermal management system performance of fuel cell bus

SONG Bo¹(), SUN Kai¹, CHE Zhizhao¹, CHEN Rui¹^,², LIU Huaiyu¹, REN Meilin¹^,³, WANG Tianyou¹^,^*()

1. State Key Laboratory of Engines, Tianjin University, Tianjin 300072, China
2. Department of Aeronautical and Automotive Engineering, Loughborough University, Loughborough LE11 3TU, United Kingdom
3. CATARC Automotive Test Center (Tianjin) Co., Ltd., Tianjin 300300 China

Received:2021-12-31 Revised:2022-03-14 Online:2022-09-30 Published:2022-10-04
Contact: WANG Tianyou

摘要/Abstract

摘要：

提出了基于 2种典型能量管理策略的优化方案, 以研究基于开关模式和基于功率跟随这2种典型能量管理策略对整车热管理系统性能的影响。以燃料电池客车为研究对象,基于Matlab/Simulink软件建立了其热管理系统模型;在基于开关模式和基于功率跟随的行驶循环工况中进行数值模拟。结果表明：在环境温度40 ℃且满载质量13.5 t的工况下,与基于功率跟随的控制策略相比,基于开关模式的控制策略下,燃料电池等热源部件功率变化更平稳;热管理系统的整体最高产热速率下降了33.41%,产热量下降了13.56%。在室温、环境 40 ℃,且不同车辆载质量的极限工况下,基于开关模式控制策略下的热管理系统的产热也下降了10%。

关键词: 燃料电池客车, 热管理系统, 能量管理策略, 数值模拟

Abstract:

An optimization scheme was proposed based on two typical energy management strategies to investigate the influence of two typical energy management strategies on the performances of vehicle thermal management system. A thermal management system model was established taking fuel cell bus as the research object and based on Matlab/Simulink software. Numerical simulations were carried out in driving cycle conditions based on the thermostat and the power-follower mode control strategy. The results show that the control strategy based on thermostat mode makes the fuel cell power change and other heat source components more stable under the condition of ambient temperature of 40 ℃ and full load of 13.5 t, compared with the control strategy based on power-follower mode. The overall maximum heat production rate of the thermal management system decreased by 33.41%, and the heat production decreased by 13.56%. The heat production of the thermal management system based on the switch-mode control strategy is decreased by 10% under the extreme conditions of room temperature, ambient temperature of 40 ℃, and different vehicle loading masses.

Key words: fuel cell bus, thermal management system, energy management strategy, numerical simulation

中图分类号:

U469.7

宋波, 孙凯, 车志钊, 陈锐, 刘怀宇, 任美林, 王天友. 能量管理策略对燃料电池客车热管理系统性能的影响[J]. 汽车安全与节能学报, 2022, 13(3): 526-534.

SONG Bo, SUN Kai, CHE Zhizhao, CHEN Rui, LIU Huaiyu, REN Meilin, WANG Tianyou. Influence of the energy management strategy on the thermal management system performance of fuel cell bus[J]. Journal of Automotive Safety and Energy, 2022, 13(3): 526-534.

图/表 19

参考文献 14

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车型尺寸	8.645 m×2.500 m×3.400 m
m_v（整备）	8.9 t
m_v（满载）	13.5 t
f	0.012
C_D	0.65
A_V	8.13 m²
δ	1.16
λ	≤20 %

车型尺寸	8.645 m×2.500 m×3.400 m
m_v（整备）	8.9 t
m_v（满载）	13.5 t
f	0.012
C_D	0.65
A_V	8.13 m²
δ	1.16
λ	≤20 %

额定输出功率	40.5 kW
最大净输出功率	46 kW
可工作温度范围	-30~85 ℃
外形尺寸	0.848 m×0.645 m×0.665 m
电堆质量	155 kg
输出电压范围	82~180 V

额定输出功率	40.5 kW
最大净输出功率	46 kW
可工作温度范围	-30~85 ℃
外形尺寸	0.848 m×0.645 m×0.665 m
电堆质量	155 kg
输出电压范围	82~180 V

电池组标称电压	521.6 V
电池组额定输出电流	173 A
标称容量	173 Ah
储电量	90.2 kWh
充放电工作温度范围	-35~50 ℃
SOC工作范围	20%~100%

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Influence of the energy management strategy on the thermal management system performance of fuel cell bus

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控制策略	SOC /%	对燃料电池电堆操作	对动力电池操作
开关模式	90~100	停机	根据需求工况放电,无充电
	30~90	高效率区恒定功率	根据需求功率与电堆功率大小进行充放电与制动能量回收
	20~30	最大功率工作	充电不放电
功率跟随	90~100	停机	根据需求功率放电,无充电
	70~90	根据需求功率工作	当P_tot> P_FC0max,放电;制动时进行制动能量回收;其余工况,不工作。
	30~70	大于需求功率工作	当P_tot> P_FC0max,放电;其余工况,充电。
	20~30	最大功率工作	充电不放电

各回路	最大产热速率/kW
各回路	开关模式	功率跟随
燃料电池回路	22.24	64.98
电机回路	36.38	39.31
动力电池回路	22.61	16.96
系统整体	77.12	115.81

热源部件	产热量 / MJ
热源部件	开关模式	功率跟随
燃料电池	29.229	36.444
电机	4.649	4.649
PCU	4.476	4.478
空压机	1.575	1.891
动力电池	1.659	0.648
总产热量	41.588	48.110

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