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燃料电池乘用车能源管理优化策略综述

Teng Tenga, Xin Zhanga, Han Dongb, Qicheng Xue

摘要

随着燃料电池汽车技术的逐渐成熟，它为乘用车的应用提供了更好的机会。本文首次总结了燃料电池乘用车（FCPV）的能源管理优化策略。本文首先对FCPV的拓扑结构进行了系统分类。提出了FCPV的优化目标，能耗和燃料电池寿命。然后基于以上优化目标对能源管理策略（EMS）进行了说明和分析。针对FCPV行驶条件的复杂性和可变性，讨论并总结了依赖于驾驶信息预测技术的最新燃料电池乘用车能源管理优化策略。本文的目的是为开发新一代FCPV能源管理优化策略提供参考。

介绍

氢作为一种清洁的可再生能源，适合用作汽车燃料。当前，氢燃料汽车主要采用两种技术路线：一种是通过内燃机直接燃烧氢燃料，另一种是燃料电池发电。在氢燃烧领域，Sun等人【1-4】进行了大量相关研究。在氢燃料电池领域，特别是燃料电池汽车领域，研究和探索的热情从未消减。为了促进氢和燃料电池的生产，主要的国家，工会和地区已经提出了氢生产和应用的蓝图、路线图【5-10】。由于全球在节能和环保方面的压力日益严峻，燃料电池混合动力汽车（FCHEV）由于其零排放和高能效的优势而受到了广泛的关注【11】。随着燃料电池堆技术的快速迭代，动力电池等的改进，燃料电池汽车的技术方案正在成熟。作为前提，长途行驶距离和快速加油也使其更适用于乘用车【12】。开发新一代燃料电池汽车能源管理策略（EMS）以提高能源利用率，延长燃料电池堆的使用寿命并优化汽车性能将成为每个国家的下一个热点研究领域（参见表1-3，图3）。

燃料电池通过电化学过程将化学能直接转化为电能【13】。质子交换膜燃料电池（PEMFC）具有工作温度低，启动速度快和效率高的优点，已在汽车中得到广泛应用【14】。当燃料电池堆处于负载波动状态或启停状态等过渡状态时，反应气体的响应速率低于负荷的变化速率，而这些过渡状态操作将导致氧化剂不足，从而影响燃料电池的耐用性和可靠性。因此，限制燃料电池的启停和瞬态波动可以帮助延长燃料电池的使用寿命。

将燃料电池与储能系统（电池和超级电容器）混合使用，是减少氢消耗，燃料电池尺寸和电力系统成本的关键【17】。电池可作为辅助电源提供峰值功率和再生制动能量，也可作为燃料电池混合动力汽车的主要电源【18】。同时，超级电容器（SC）是提供峰值功率或恢复高制动能量的理想选择【19】。目前，加氢基础设施短缺，氢燃料成本较高。由于EMS的制定不当，FCPV电源之间的能量分配不合理或PEMFC不在高效工作区等，这将导致整车能耗的增加。因此，减少FCPV的氢燃料消耗和提高电力系统的耐久性是EMS旨在解决的最重要的问题【20】。

作为一种混合动力电动汽车（HEV），FCPV具有多个动力源【21】。EMS在决定应激活或拔出电源方面起着重要的作用【22】。优秀的EMS不仅可以保证车辆的正常运行，而且可以使各种动力源具有更好的性能，满足动力源的物理约束，提高动力源的耐用性和可靠性，并减少总燃料消耗【23】。由于FCPV属于FCHEV，因此对FCHEV的EMS的评价相对比较普遍，尽管FCHEV在配置，电源组成和能量补充方面存在一些差异，但作为FEV的一种特殊形式，EMS的配电可以模仿典型的混合动力车。与也属于FCHEV的燃料电池商用车（FCCV）相比，FCPV驾驶场景更加复杂，多变，并且对实时能源管理的要求也更高。由于有关燃料电池乘用车能源管理优化策略的文献数量有限，因此大多数文献都没有详细说明燃料电池汽车的应用（乘用车还是商用），但同时也讨论了与FCPV相同的配置文献。本文首次重点关注FCPV车辆配置，以对相关EMS进行详细的检查和分析。

图1-FCPV的配置。

图2-用于能源消耗和燃料电池寿命的EMS。

本文的其余部分安排如下。在FCPV的分类部分中，对不同类型的FCPV进行了系统分类。在“能源管理优化策略”部分中，围绕FCPV的两个优化目标对能源管理优化策略进行了分析和总结。针对乘用车复杂的运行环境和对EMS的实时性的要求，系统分析了FCPV在多信息融合环境下的驾驶信息预测EMS的最新研究。结语和建议得出本文的结论。

图3-DP EMS迭代过程的流程图[54]

FCPV的分类

FCPV的电源配置等效于串联混合动力电动汽车，即所谓的燃料电池-电池混合动力电动汽车。FCHEV的设备二次能源，例如电池和超级电容器，其设计用于在短时期的高峰需求（例如爬升或加速）期间提供电力。粗暴的加速需要高功率密度和高能量密度【31】。超级电容器的能量密度通常小于电池结构【32】。由于乘用车的相对紧凑的结构和有限的布局空间，以及存储稳定性和成本因素，常规电池如磷酸铁锂电池通常用于FCPV的二次能量。戴姆勒的梅赛德斯-奔驰，通用汽车的Chevrolet Volt，丰田的FCHV和本田的FCX都是混合动力电动汽车，其能源系统由燃料电池和动力电池组成【33】。SC在FCHEV中与动力电池起着相似的作用，尽管它们很少安装在FCPV中。但是，SC仍有望成为FCCV的潜在电源。因此，带有SC的FCEV模型仍可在下面引用的EMS中使用。

图4-PMP EMS迭代过程的流程图[55]

高压储氢和醇重整

就燃料类型而言，FCPV可分为两种技术路线，即高压氢存储版本和醇重整版本【34】。大多数FCPV将高压氢气直接用作PEMFC的燃料。当前，醇重整类型的采用很少，例如，Gumpert AIWAYS Nathalie用甲醇重整氢来驱动5kW的PEMFC。日产电动生物燃料电池使用重整的乙醇为固体氧化物燃料电池（SOFC）提供氢气。高压氢的储存，运输和加油困难，但能量转化率高，适合大功率PEMFC燃料的供应。酒精可以更安全，更稳定地存储，但车载改型结构需要额外的能量并产生二氧化碳排放。本文以高压储氢FCPV模型为重点进行了分析。

直接类型和间接类型

就电力系统结构而言，FCPV可以分为直接类型和间接类型。燃料电池直接连接到车辆系统总线的直接类型配置【35】。电力系统相对简单，系统效率高。但是，存在以下问题。首先，在高功率变化率的情况下，燃料电池不得不应对公交车负载的波动，这不利于燃料电池的使用寿命。其次，车辆未能充分利用燃料电池的低电压和高电流特性。结果，限制了相同额定功率的电动机的模型选择，这导致燃料电池和电动机的尺寸相对较大。这种结构模型通常用于早期的FCPV中，例如Toyota的Miari第一代，FIAT Elettra和Ford Edge Plug-in。

嵌入式和非嵌入式FCPV

FCPV可以分为两种类型：嵌入式和非嵌入式引用【38-41】。非嵌入式FCPV通常配备较小尺寸的动力电池，可协助车辆启动和停止并应对较大的负载变化波动，从而延长燃料电池堆的使用寿命【42】。

嵌入式FCPV配备了更大的动力电池，以适应启停，负载波动的情况，大容量动力电池通常可以满足纯电动模式下的行驶范围。以相同的里程从电网补充电力的成本远

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