CN113111445A - 一种燃料电池汽车半实物仿真系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池汽车半实物仿真系统，所述仿真系统是基于Matlab/Simulink搭建的正向仿真模型，仿真系统包括工况模型、驾驶员模型、混合动力源模型、驱动电机模型、传动系统模型、车轮模型、纵向动力学模型，基于Simulink/Stateflow完成能量分配策略模型搭建，并利用Real‑Time Workshop Embedded Coder将能量分配策略模型自动转化成嵌入式C代码，将自动生成的代码加载到IDE环境，编译后下载到快速开发原型控制器，再将整车模型编译下载到dSPACE，利用dSPACE平台进行半实物硬件在环仿真验证。所述混合动力源模型包括燃料电池模型、动力电池模型。用户通过修改各模型属性中的参数完成所要设计车型的仿真平台搭建，就可直接对能量分配策略进行优化计算，简化了能量分配策略设计方法，提高设计效率。

Description

一种燃料电池汽车半实物仿真系统
技术领域
本发明涉及燃料电池汽车试验领域，具体涉及一种燃料电池汽车半实物仿真系统。
背景技术
目前随着汽车工业的不断发展与完善，全球的汽车保有量不断增加，汽车已经成为人类生产生活不可或缺的工具。但随着汽车产业的发展，人们对石油的需求量也在增加，资源匮乏和环境污染的问题越来越严重，已经危害到人们的日常生活和身体健康，所以世界各国和各大汽车生产厂商都投身于新能源汽车的研发中。
目前已经推广开的新能源汽车主要有三种，分别是纯电动汽车、插电式混合动力汽车和燃料电池汽车。纯电动汽车虽然有着清洁、效率高等优点，但是纯电动汽车也有充电速度慢、单次充电续驶里程有限和电池寿命短的缺点。插电式混合动力汽车虽解决了纯电动汽车的续驶里程短的问题，但其并未完全脱离石油消耗实现零排放，所以燃料电池汽车被认为是未来汽车工业的发展方向。
燃料电池汽车不仅能有效解决纯电动汽车续驶里程短和燃料补给慢的不足，也完全摆脱对化石燃料的依赖，彻底实现近零排放。除此之外，燃料电池汽车也具有无污染、高效节能和噪声低等优点。各国的汽车行业也在大力发展燃料电池汽车，从2007年到2015年间，欧盟投入74亿欧元来发展氢能和燃料电池技术。2017年底，日本政府颁布了“氢能源基本战略”，确定了2050年氢能社会建设的目标以及到2030年的具体行动计划。我国在《新能源汽车产业发展规划(2021－2035年)》中明确了燃料电池汽车的发展战略方向。
燃料电池汽车通常使用在燃料电池基础上增加一到两种其他动力源构成混合动力源系统，常用的是燃料电池加动力电池(FC+B)的双动力源系统，但是目前针对燃料电池加动力电池的测试仿真平台较少，大部分仿真平台是直接使用动力电池的仿真平台，或者是汽油机-动力电池的混合动力式仿真平台，较难满足FC+B双动力源方式的测试要求，且全计算机仿真系统难以满足燃料电池汽车能量管理策略的硬件在环实时测试与验证。
发明内容
本发明的目的在于提供一种燃料电池汽车半实物仿真系统，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：1.一种燃料电池汽车半实物仿真系统，其特征在于：所述仿真平台包括工况模型、驾驶员模型、基于模型设计的能量管理控制器、混合动力源模型、驱动电机模型、传动系统模型、纵向动力学模型，其中所述混合动力源模型包括燃料电池模型、动力电池模型；能量管理控制器内的存储器中存储能量分配策略模型信息；所述的半实物仿真系统进行仿真的方法为：
步骤a.所述的工况模型根据行驶工况信息表中的速度-时间表，查询各时刻车辆行驶的需求速度vreq，并将vreq传递给驾驶员模型；
步骤b.所述驾驶员模型根据需求车速vreq与车辆当前实际车速vact的差值，通过PID调节模拟加速踏板和刹车踏板的开度大小，控制车辆加速和减速，并将踏板信号uPID传递给能量分配策略模型；
步骤c.所述能量分配策略模型根据驾驶员模型传递的踏板信号uPID和电机转速ω相结合，计算出车辆行驶的需求功率Power_drive_req，将Power_drive_req和汽车行驶时的辅件功耗Power_acc_req相加得到整车总的需求功率P_n；依据P_n和车辆各模块的状态，按照能量分配策略，实时计算出燃料电池需求功率P_FC、动力电池需求功率P_batt，并将两个计算值传递给混合动力源模型；
步骤d.所述混合动力源模型包括燃料电池模型和动力电池模型，依据燃料电池需求功率P_FC和动力电池需求功率P_batt，模拟燃料电池和动力电池的动态过程，计算燃料电池实际输出功率Pfc、动力电池实际输出功率Pbatt和动力电池荷电状态SOC，并得到混合动力源实际输出功率Ptotal，然后将混合动力源实际输出功率传递给驱动电机模型；将计算出的动力电池荷电状态SOC参数值反馈给步骤c；
步骤e.所述驱动电机模型根据混合动力源实际输出功率Ptotal和根据从车辆当前实际车速vact计算出的电机转速ω，计算出驱动电机实际输出的转矩Tm，并将Tm传递给传动系统模型；
步骤f.所述传动系统模型根据驱动电机输出的转矩Tm、传动系统的传动比和传动效率，计算出传动系统实际输出转矩Tt，并将Tt传递给车轮模型；
步骤g.所述车轮模型根据传动系统的实际转矩Tt，计算出车辆的牵引力Fw，并将Fw传递给纵向动力学模型；
步骤h.所述纵向动力学模型根据车轮模型计算出的车辆牵引力Fw和汽车行驶阻力得到汽车纵向合力，根据牛顿第二定律计算出车辆当前行驶的加速度
Figure BDA0003061668630000031
然后对加速度积分得到车辆当前实际车速vact，并根据vact计算出电机转速ω；将实际车速vact反馈到驾驶员模型，将电机转速ω反馈到电机模型和能量管理策略模型。
优选的，所述步骤a中，工况模型是基于MATLAB/Simulink搭建的中国汽车行驶工况速度-时间对应表或实际道路行驶工况速度-时间对应表，可以获得各时刻对应的需求车速vreq，并将vreq传递给驾驶员模型；
所述步骤b中，驾驶员模型根据需求车速vreq与实际车速vact的差值，调节加速踏板和刹车踏板开度大小，以模拟驾驶员的操作；所述驾驶员模型采用PID驾驶员模型，该模型计算公式如下；
Figure BDA0003061668630000032
式(1-1)中，uPID∈[-1,1]，Kp，Ki，Kd分别表示驾驶员模型的比例、积分、微分系数，vreq为需求车速，vact为实际车速，vact初始值为0；
式(1-1)计算结果判断为：uPID<0表示驾驶员踩下制动踏板，uPID>0表示驾驶员踩下加速踏板；
所述步骤c中，能量分配策略模型根据步骤b计算出的踏板信号uPID和电机转速ω计算出车辆行驶的需求功率Power_drive_req，用式(1-2)表示；
Figure BDA0003061668630000033
P_n＝Power_drive+Power_acc_req (1-3)
式(1-2)～(1-3)中，T(ω)表示根据电机效率MAP图，利用电机转速ω查询得到的对应电机转矩；Power_acc_req为汽车行驶时的辅件功耗，单位为kW；Power_acc_req数值由车辆本身参数决定，一般为固定值；
所述步骤d中，混合动力源模型中的燃料电池模型模拟燃料电池随电流变化的动态过程，通过对燃料电池系统输入的控制，实时计算出当前电流下燃料电池实际输出功率Pfc和燃料电池输出电压Vstack，用式(1-4)～(1-9)表示；
Vcell＝Eoc-Va-Vohm (1-4)
Eoc＝Kc(En-Vc) (1-5)
Figure BDA0003061668630000041
Vohm＝Rohmifc (1-7)
Vstack＝N·Vcell (1-8)
Pfc＝ifcVstack (1-9)
式(1-4)～(1-9)中，En为能斯特电压，单位为V；Va为活化过电压，单位为V；Vohm为欧姆过电压，单位为V；Kc为电压常数；Vc为反应气体浓度下降产生的电压降；ifc为燃料电池电流，单位为A；i0为交流电流，单位为A；Rohm为燃料电池内阻，单位为Ω；Vcell为单片燃料电池输出电压，单位为V；s为传递函数符号；Td为电堆响应时间；N为电池数量；A为塔菲尔斜率；Vstack为燃料电池输出电压，单位为V；Pfc为燃料电池实际输出功率，单位为kW；
所述步骤d中，燃料电池模型搭建完毕后，可得到燃料电池输出极化特性曲线图，将该曲线数据导入为查表模型；根据步骤c得到的燃料电池需求输出功率P_FC，将P_FC代入查表模型得到此功率对应下的燃料电池电流ifc，从而控制燃料电池实际输出功率Pfc；
所述步骤d中，混合动力源模型中的动力电池模型使用Shepherd方程描述动力电池端电压与时间之间的定量关系，动力电池荷电状态SOC、输出电压Vbatt和实际输出功率Pbatt用式(1-10)～(1-13)表示；
Figure BDA0003061668630000051
Figure BDA0003061668630000052
Pbatt＝Vbatt×i (1-12)
Ptotal＝Pfc+Pbatt (1-13)
式(1-10)～(1-13)中，i表示动力电池放电电流，单位为A；Q表示动力电池额定容量，单位为Ah；以上两项数据由测试人员在动力电池工作过程中使用电流表测得；Pbatt为动力电池实际输出功率，单位为kW；Ptotal为混合动力源模型实际输出功率，单位为kW；
所述步骤e中，驱动电机模型使用基于电机效率MAP的静态模型，并通过施加一阶惯性环节反应电机实际输出转矩的建立过程，完成驱动电机模型的建立；根据车辆当前实际车速vact计算出的电机转速ω，然后根据混合动力源模型实际输出功率Ptotal和ω计算出电机需求转矩Tm_req，进一步计算出电机实际输出转矩Tm，用式(1-14)～(1-16)表示：
Figure BDA0003061668630000053
Figure BDA0003061668630000054
Ptotal＝Pfc+Pbatt (1-16)
式(1-14)～(1-16)中，Tm为电机实际输出转矩，单位为N·m；Tm_req为电机需求转矩，单位为N·m；Tmax_dis与Tmax_char分别表示电机处于驱动或制动状态时，当前转速下的最大转矩，单位为N·m；vact表示汽车当前行驶速度，单位为m/s；
所述步骤f中，传动系统模型将电机实际输出转矩Tm经过式(1-17)计算得到传动系统实际输出转矩Tt，并将Tt传递给车轮模型；
Tt＝Tm×gear_ratio×gear_eff (1-17)
式(1-17)中，gear_eff为传动效率；gear_ratio表示传动系统传动比；
所述步骤g中，车轮模型将传动系统实际输出扭矩Tt经过式(1-18)计算得到车轮模型输出牵引力Fw，并将Fw传递给纵向动力学模型；
Figure BDA0003061668630000061
式(1-18)中，wh_radius表示车轮半径，单位为m；
所述步骤h中，纵向动力学模型依据车轮模型的输出牵引力Fw，并结合车辆行驶阻力，计算出汽车纵向的合力，根据牛顿第二定律计算出汽车的加速度，并对加速度积分计算出车辆当前实时车速vact；车辆纵向动力学的阻力主要包括空气阻力、滚动阻力、坡道阻力和加速阻力，公式表述如式(1-19)～(1-24)所示：
Figure BDA0003061668630000062
Figure BDA0003061668630000063
Fr＝mgfcosθ (1-21)
Fg＝mgsinθ (1-22)
Figure BDA0003061668630000064
Figure BDA0003061668630000065
式(1-19)～(1-24)中，Fw为车轮驱动力，单位为N；Fa(va)为空气阻力，单位为N；Fr为滚动阻力，单位为N；Fg为坡道阻力，单位为N；Fi为加速阻力，单位为N；cd为空气阻力系数，Af为迎风面积，单位为m2；va为vact经单位转换后的车速，单位为km/h；vact为车辆当前实际车速，单位为m/s；m为整车质量，单位为kg；f为滚动阻力系数；θ为道路坡度，单位为rad；δ为车辆旋转质量转换系数；g为重力加速度，单位为；
Figure BDA0003061668630000071
为汽车纵向加速度，单位为m/s2；ω为电机转速，单位为r/min。
优选的，所述步骤c中，能量分配的策略是：当动力电池SOC≥50％时，动力电池有优先输出，否则燃料电池优先输出；
优选的，所述步骤c中，能量分配的策略是：
分配策略具体控制逻辑按如下流程进行控制：
Power_drive_req为车辆行驶的需求功率；Power_acc_req为汽车行驶时的辅件功耗，主要包括空调、大灯和控制信号等辅件用电功耗；整车总的需求功率P_n＝Power_drive+Power_acc_req；Batt_SOC为动力电池当前的荷电状态；BatPwrDischrgLim为对动力电池放电功率的限制；BatPwrChrgLim为对动力电池充电功率的限制；Power_FC_max为燃料电池系统的最大输出功率；P_FC为能量分配策略分配后，燃料电池系统输出功率；P_batt为能量分配策略分配后，动力电池系统输出功率；
步骤I，判断汽车需求功率P_n，当P_n≥0时，表示汽车处于驱动状态，则进入步骤II；当P_n<0时，表示汽车处于制动状态，则进入步骤V；
步骤II，进一步判断动力电池值Batt_SOC是否大于50％，若Batt_SOC≥50％，则进入步骤III，若Batt_SOC<50％，则进入步骤IV；
步骤III，此时动力电池优先输出功率，进一步判断需求功率P_n与动力电池最大放电功率BatPwrDischrgLim的大小，若P_n≤BatPwrDischrgLim，表示动力电池足以单独提供整车需求功率，此时燃料电池输出功率P_FC＝0，动力电池输出功率P_batt＝P_n；若P_n>BatPwrDischrgLim，表示动力电池不足以单独提供整车需求功率，进一步判断P_n与动力电池最大放电功率BatPwrDischrgLim和燃料电池最大输出功率Power_FC_max之和的大小，若P_n≥BatPwrDischrgLim+Power_FC_max，则燃料电池输出功率P_FC＝Power_FC_max，动力电池输出功率P_batt＝BatPwrDischrgLim；若P_n<BatPwrDischrgLim+Power_FC_max，则燃料电池输出功率池P_FC＝P_n-P_batt，动力电池输出功率P_batt＝BatPwrDischrgLim；
步骤IV，此时燃料电池优先输出功率；若P_n≤Power_FC_max时，表示燃料电池能够单独提供汽车行驶需求功率，动力电池不工作，此时燃料电池输出功率P_FC＝P_n，动力电池输出功率P_batt＝0；若P_n>Power_FC_max时，表示燃料电池不足以单独提供汽车行驶功率，此时进一步判断，若Power_FC_max<P_n≤BatPwrDischrgLim+Power_FC_max，再判断动力电池SOC值，若Batt_SOC<20％，为了保护电池使用寿命，电池不工作；汽车行驶功率由燃料电池单独提供，此时燃料电池输出功率P_FC＝Power_FC_max，动力电池输出功率P_batt＝0；若Batt_SOC≥20％，则汽车行驶功率由燃料电池和动力电池一起提供，此时燃料电池输出功率为P_FC＝Power_FC_max，动力电池输出功率为P_batt＝P_n-Power_FC_max；若P_n>BatPwrDischrgLim+Power_FC_max，再判断动力电池SOC值；若Batt_SOC<20％，为了保护电池使用寿命，电池不工作，汽车行驶功率由燃料电池单独提供，此时燃料电池输出功率P_FC＝Power_FC_max，动力电池输出功率P_batt＝0；若Batt_SOC≥20％，则汽车行驶功率由燃料电池和动力电池一起提供，此时燃料电池输出功率为P_FC＝Power_FC_max，动力电池输出功率为P_batt＝BatPwrDischrgLim；
步骤V，此时进一步判断动力电池SOC值，若Batt_SOC≥80％，为了保护动力电池寿命，防止过充现象发生，燃料电池输出功率P_FC＝0，动力电池输出功率P_batt＝0；若Batt_SOC<80％进一步判断回收制动能量功率P_n与电池的最大充电功率BatPwrChrgLim之间的大小；若P_n>BatPwrChrgLim，则燃料电池输出功率P_FC＝0，动力电池输出功率P_batt＝P_n；若P_n≤BatPwrChrgLim，则燃料电池输出功率P_FC＝0，动力电池输出功率P_batt＝BatPwrChrgLim；
优选的，所述的能量管理控制器为stm32单片机或AT89C52单片机或PLC工业控制器。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：用户通过修改各模型参数，建立所要设计车型的模型，有效提高了燃料电池汽车整车参数优化能力，提高仿真平台的搭建效率。利用半实物仿真系统对真实环境条件进行模拟，可以模拟在极限条件下对整车性能进行测试，实现无污染的测试。
附图说明
图1为燃料电池混合动力汽车半实物仿真系统结构图；
图2为能量管理策略模式逻辑控制流程图；
图3为能量管理策略模型Simulink/Stateflow建模示意图；
图4为工况模型(CHTC-C工况)速度-时间图；
图5为燃料电池极化特性曲线图；
图6为燃料电池输出功率图；
图7为动力电池输出功率图；
图8为动力电池SOC变化曲线图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅附图1～8，本发明实施例中，一种燃料电池汽车半实物仿真系统，所述仿真平台包括工况模型、驾驶员模型、基于模型设计的能量管理控制器、混合动力源模型、驱动电机模型、传动系统模型、纵向动力学模型，其中所述混合动力源模型包括燃料电池模型、动力电池模型；能量管理控制器内的存储器中存储能量分配策略模型信息；所述的能量管理控制器为stm32单片机或AT89C52单片机或PLC工业控制器。
所述的半实物仿真系统进行仿真的方法为：
步骤a.所述的工况模型根据行驶工况信息表中的速度-时间表，查询各时刻车辆行驶的需求速度vreq，并将vreq传递给驾驶员模型；
步骤b.所述驾驶员模型根据需求车速vreq与车辆当前实际车速vact的差值，通过PID调节模拟加速踏板和刹车踏板的开度大小，控制车辆加速和减速，并将踏板信号uPID传递给能量分配策略模型；
步骤c.所述能量分配策略模型根据驾驶员模型传递的踏板信号uPID和电机转速ω相结合，计算出车辆行驶的需求功率Power_drive_req，将Power_drive_req和汽车行驶时的辅件功耗Power_acc_req相加得到整车总的需求功率P_n；依据P_n和车辆各模块的状态，按照能量分配策略，实时计算出燃料电池需求功率P_FC、动力电池需求功率P_batt，并将两个计算值传递给混合动力源模型；
步骤d.所述混合动力源模型包括燃料电池模型和动力电池模型，依据燃料电池需求功率P_FC和动力电池需求功率P_batt，模拟燃料电池和动力电池的动态过程，计算燃料电池实际输出功率Pfc、动力电池实际输出功率Pbatt和动力电池荷电状态SOC，并得到混合动力源实际输出功率Ptotal，然后将混合动力源实际输出功率传递给驱动电机模型；将计算出的动力电池荷电状态SOC参数值反馈给步骤c；
步骤e.所述驱动电机模型根据混合动力源实际输出功率Ptotal和根据从车辆当前实际车速vact计算出的电机转速ω，计算出驱动电机实际输出的转矩Tm，并将Tm传递给传动系统模型；
步骤f.所述传动系统模型根据驱动电机输出的转矩Tm、传动系统的传动比和传动效率，计算出传动系统实际输出转矩Tt，并将Tt传递给车轮模型；
步骤g.所述车轮模型根据传动系统的实际转矩Tt，计算出车辆的牵引力Fw，并将Fw传递给纵向动力学模型；
步骤h.所述纵向动力学模型根据车轮模型计算出的车辆牵引力Fw和汽车行驶阻力得到汽车纵向合力，根据牛顿第二定律计算出车辆当前行驶的加速度
Figure BDA0003061668630000101
然后对加速度积分得到车辆当前实际车速vact，并根据vact计算出电机转速ω；将实际车速vact反馈到驾驶员模型，将电机转速ω反馈到电机模型和能量管理策略模型。
图1为燃料电池混合动力汽车半实物仿真系统结构图，其中包含整车系统模型、能量控制策略、快速原型控制器和dSPACE。其中将能量管理策略编译下载到快速原型控制器中，将整车模型编译下载到dSPACE中联合仿真；
图2为能量管理策略模式逻辑控制流程图；
图3为能量管理策略模型Simulink/Stateflow建模示意图，使用Simulink/Stateflow搭建能量管理策略模型；
上述各步骤中，具体的计算方法使用前向仿真方式，按照能量传输的相同方向，从所述的工况模型到车辆纵向动力学模型依次计算出各模型的需求量；各模型的需求量计算方法如下：
所述步骤a中，工况模型是基于MATLAB/Simulink搭建的中国汽车行驶工况速度-时间对应表或实际道路行驶工况速度-时间对应表，可以获得各时刻对应的需求车速vreq，并将vreq传递给驾驶员模型；
所述步骤b中，驾驶员模型根据需求车速vreq与实际车速vact的差值，调节加速踏板和刹车踏板开度大小，以模拟驾驶员的操作；所述驾驶员模型采用PID驾驶员模型，该模型计算公式如下；
Figure BDA0003061668630000111
式(1-1)中，uPID∈[-1,1]，Kp，Ki，Kd分别表示驾驶员模型的比例、积分、微分系数，vreq为需求车速，vact为实际车速，vact初始值为0；
式(1-1)计算结果判断为：uPID<0表示驾驶员踩下制动踏板，uPID>0表示驾驶员踩下加速踏板；
所述步骤c中，能量分配策略模型根据步骤b计算出的踏板信号uPID和电机转速ω计算出车辆行驶的需求功率Power_drive_req，用式(1-2)表示；
Figure BDA0003061668630000112
P_n＝Power_drive+Power_acc_req (1-3)
式(1-2)～(1-3)中，T(ω)表示根据电机效率MAP图，利用电机转速ω查询得到的对应电机转矩；Power_acc_req为汽车行驶时的辅件功耗，单位为kW；Power_acc_req数值由车辆本身参数决定，一般为固定值；
所述步骤d中，混合动力源模型中的燃料电池模型模拟燃料电池随电流变化的动态过程，通过对燃料电池系统输入的控制，实时计算出当前电流下燃料电池实际输出功率Pfc和燃料电池输出电压Vstack，用式(1-4)～(1-9)表示；
Vcell＝Eoc-Va-Vohm (1-4)
Eoc＝Kc(En-Vc) (1-5)
Figure BDA0003061668630000121
Vohm＝Rohmifc (1-7)
Vstack＝N·Vcell (1-8)
Pfc＝ifcVstack (1-9)
式(1-4)～(1-9)中，En为能斯特电压，单位为V；Va为活化过电压，单位为V；Vohm为欧姆过电压，单位为V；Kc为电压常数；Vc为反应气体浓度下降产生的电压降；ifc为燃料电池电流，单位为A；i0为交流电流，单位为A；Rohm为燃料电池内阻，单位为Ω；Vcell为单片燃料电池输出电压，单位为V；s为传递函数符号；Td为电堆响应时间；N为电池数量；A为塔菲尔斜率；Vstack为燃料电池输出电压，单位为V；Pfc为燃料电池实际输出功率，单位为kW；
所述步骤d中，燃料电池模型搭建完毕后，可得到燃料电池输出极化特性曲线图，将该曲线数据导入为查表模型；根据步骤c得到的燃料电池需求输出功率P_FC，将P_FC代入查表模型得到此功率对应下的燃料电池电流ifc，从而控制燃料电池实际输出功率Pfc；
所述步骤d中，混合动力源模型中的动力电池模型使用Shepherd方程描述动力电池端电压与时间之间的定量关系，动力电池荷电状态SOC、输出电压Vbatt和实际输出功率Pbatt用式(1-10)～(1-13)表示；
Figure BDA0003061668630000131
Figure BDA0003061668630000132
Pbatt＝Vbatt×i (1-12)
Ptotal＝Pfc+Pbatt (1-13)
式(1-10)～(1-13)中，i表示动力电池放电电流，单位为A；Q表示动力电池额定容量，单位为Ah；以上两项数据由测试人员在动力电池工作过程中使用电流表测得；Pbatt为动力电池实际输出功率，单位为kW；Ptotal为混合动力源模型实际输出功率，单位为kW；
所述步骤e中，驱动电机模型使用基于电机效率MAP的静态模型，并通过施加一阶惯性环节反应电机实际输出转矩的建立过程，完成驱动电机模型的建立；根据车辆当前实际车速vact计算出的电机转速ω，然后根据混合动力源模型实际输出功率Ptotal和ω计算出电机需求转矩Tm_req，进一步计算出电机实际输出转矩Tm，用式(1-14)～(1-16)表示：
Figure BDA0003061668630000133
Figure BDA0003061668630000134
Ptotal＝Pfc+Pbatt (1-16)
式(1-14)～(1-16)中，Tm为电机实际输出转矩，单位为N·m；Tm_req为电机需求转矩，单位为N·m；Tmax_dis与Tmax_char分别表示电机处于驱动或制动状态时，当前转速下的最大转矩，单位为N·m；vact表示汽车当前行驶速度，单位为m/s；
所述步骤f中，传动系统模型将电机实际输出转矩Tm经过式(1-17)计算得到传动系统实际输出转矩Tt，并将Tt传递给车轮模型；
Tt＝Tm×gear_ratio×gear_eff (1-17)
式(1-17)中，gear_eff为传动效率；gear_ratio表示传动系统传动比；
所述步骤g中，车轮模型将传动系统实际输出扭矩Tt经过式(1-18)计算得到车轮模型输出牵引力Fw，并将Fw传递给纵向动力学模型；
Figure BDA0003061668630000141
式(1-18)中，wh_radius表示车轮半径，单位为m；
所述步骤h中，纵向动力学模型依据车轮模型的输出牵引力Fw，并结合车辆行驶阻力，计算出汽车纵向的合力，根据牛顿第二定律计算出汽车的加速度，并对加速度积分计算出车辆当前实时车速vact；车辆纵向动力学的阻力主要包括空气阻力、滚动阻力、坡道阻力和加速阻力，公式表述如式(1-19)～(1-24)所示：
Figure BDA0003061668630000142
Figure BDA0003061668630000143
Fr＝mgf cosθ (1-21)
Fg＝mg sinθ (1-22)
Figure BDA0003061668630000144
Figure BDA0003061668630000145
式(1-19)～(1-24)中，Fw为车轮驱动力，单位为N；Fa(va)为空气阻力，单位为N；Fr为滚动阻力，单位为N；Fg为坡道阻力，单位为N；Fi为加速阻力，单位为N；cd为空气阻力系数，Af为迎风面积，单位为m2；va为vact经单位转换后的车速，单位为km/h；vact为车辆当前实际车速，单位为m/s；m为整车质量，单位为kg；f为滚动阻力系数；θ为道路坡度，单位为rad；δ为车辆旋转质量转换系数；g为重力加速度，单位为；
Figure BDA0003061668630000146
为汽车纵向加速度，单位为m/s2；ω为电机转速，单位为r/min。
实施例一：所述步骤c中，能量分配的策略是：当动力电池SOC≥50％时，动力电池有优先输出，否则燃料电池优先输出；
实施例二：所述步骤c中，能量分配的策略是按照步骤I至步骤V进行：
Power_drive_req为车辆行驶的需求功率；Power_acc_req为汽车行驶时的辅件功耗，主要包括空调、大灯和控制信号等辅件用电功耗；整车总的需求功率P_n＝Power_drive+Power_acc_req；Batt_SOC为动力电池当前的荷电状态；BatPwrDischrgLim为对动力电池放电功率的限制；BatPwrChrgLim为对动力电池充电功率的限制；Power_FC_max为燃料电池系统的最大输出功率；P_FC为能量分配策略分配后，燃料电池系统输出功率；P_batt为能量分配策略分配后，动力电池系统输出功率；
步骤I，判断汽车需求功率P_n，当P_n ≥0时，表示汽车处于驱动状态，则进入步骤II；当P_n<0时，表示汽车处于制动状态，则进入步骤V；
步骤II，进一步判断动力电池值Batt_SOC是否大于50％，若Batt_SOC≥50％，则进入步骤III，若Batt_SOC<50％，则进入步骤IV；
步骤III，此时动力电池优先输出功率，进一步判断需求功率P_n与动力电池最大放电功率BatPwrDischrgLim的大小，若P_n≤BatPwrDischrgLim，表示动力电池足以单独提供整车需求功率，此时燃料电池输出功率P_FC＝0，动力电池输出功率P_batt＝P_n；若P_n>BatPwrDischrgLim，表示动力电池不足以单独提供整车需求功率，进一步判断P_n与动力电池最大放电功率BatPwrDischrgLim和燃料电池最大输出功率Power_FC_max之和的大小，若P_n≥BatPwrDischrgLim+Power_FC_max，则燃料电池输出功率P_FC＝Power_FC_max，动力电池输出功率P_batt＝BatPwrDischrgLim；若P_n<BatPwrDischrgLim+Power_FC_max，则燃料电池输出功率池P_FC＝P_n-P_batt，动力电池输出功率P_batt＝BatPwrDischrgLim；
步骤IV，此时燃料电池优先输出功率；若P_n≤Power_FC_max时，表示燃料电池能够单独提供汽车行驶需求功率，动力电池不工作，此时燃料电池输出功率P_FC＝P_n，动力电池输出功率P_batt＝0；若P_n>Power_FC_max时，表示燃料电池不足以单独提供汽车行驶功率，此时进一步判断，若Power_FC_max<P_n≤BatPwrDischrgLim+Power_FC_max，再判断动力电池SOC值，若Batt_SOC<20％，为了保护电池使用寿命，电池不工作；汽车行驶功率由燃料电池单独提供，此时燃料电池输出功率P_FC＝Power_FC_max，动力电池输出功率P_batt＝0；若Batt_SOC≥20％，则汽车行驶功率由燃料电池和动力电池一起提供，此时燃料电池输出功率为P_FC＝Power_FC_max，动力电池输出功率为P_batt＝P_n-Power_FC_max；若P_n>BatPwrDischrgLim+Power_FC_max，再判断动力电池SOC值；若Batt_SOC<20％，为了保护电池使用寿命，电池不工作，汽车行驶功率由燃料电池单独提供，此时燃料电池输出功率P_FC＝Power_FC_max，动力电池输出功率P_batt＝0；若Batt_SOC≥20％，则汽车行驶功率由燃料电池和动力电池一起提供，此时燃料电池输出功率为P_FC＝Power_FC_max，动力电池输出功率为P_batt＝BatPwrDischrgLim；
步骤V，此时进一步判断动力电池SOC值，若Batt_SOC≥80％，为了保护动力电池寿命，防止过充现象发生，燃料电池输出功率P_FC＝0，动力电池输出功率P_batt＝0；若Batt_SOC<80％进一步判断回收制动能量功率P_n与电池的最大充电功率BatPwrChrgLim之间的大小；若P_n>BatPwrChrgLim，则燃料电池输出功率P_FC＝0，动力电池输出功率P_batt＝P_n；若P_n≤BatPwrChrgLim，则燃料电池输出功率P_FC＝0，动力电池输出功率P_batt＝BatPwrChrgLim；
根据实施例二所述仿真系统，将中国普通客车行驶工况(CHTC-C)速度-时间数据导入MATLAB中进行仿真，图4为中国普通客车行驶工况模型(CHTC-C工况)速度-时间图，本专利中将该图中的速度和时间数据导入到工况模型中进行仿真；
调整动力电池SOC初始值为55％，运行仿真得到车速仿真图如图4所示，图5为燃料电池极化特性曲线图，描述了燃料电池输出电压和输出功率随电流的变化情况；燃料电池输出功率如图6所示，动力电池输出功率如图7所示，动力电池SOC值变化如图8所示。
根据图8动力电池SOC变化曲线和能量管理策略从图中可以看出，在1000～1200秒中，当动力电池SOC值低于50％，燃料电池开始工作，满足能量控制策略要求；
从图7中可以看出当动力电池SOC值低于80％时，可以回收制动能量；在SOC值大于50％时动力电池优先输出，当SOC值小于50％时，燃料电池优先输出；
从图8中可以看出SOC值在动力电池回收制动能量(动力电池输出功率为负值)时有一定幅度的上升，表明能量管理策略中的回收制动能量的有效性。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种燃料电池汽车半实物仿真系统，其特征在于：所述仿真平台包括工况模型、驾驶员模型、基于模型设计的能量管理控制器、混合动力源模型、驱动电机模型、传动系统模型、纵向动力学模型，其中所述混合动力源模型包括燃料电池模型、动力电池模型；能量管理控制器内的存储器中存储能量分配策略模型信息；所述的半实物仿真系统进行仿真的方法为：
步骤a.所述的工况模型根据行驶工况信息表中的速度-时间表，查询各时刻车辆行驶的需求速度vreq，并将vreq传递给驾驶员模型；
步骤b.所述驾驶员模型根据需求车速vreq与车辆当前实际车速vact的差值，通过PID调节模拟加速踏板和刹车踏板的开度大小，控制车辆加速和减速，并将踏板信号uPID传递给能量分配策略模型；
步骤c.所述能量分配策略模型根据驾驶员模型传递的踏板信号uPID和电机转速ω相结合，计算出车辆行驶的需求功率Power_drive_req，将Power_drive_req和汽车行驶时的辅件功耗Power_acc_req相加得到整车总的需求功率P_n；依据P_n和车辆各模块的状态，按照能量分配策略，实时计算出燃料电池需求功率P_FC、动力电池需求功率P_batt，并将两个计算值传递给混合动力源模型；
步骤d.所述混合动力源模型包括燃料电池模型和动力电池模型，依据燃料电池需求功率P_FC和动力电池需求功率P_batt，模拟燃料电池和动力电池的动态过程，计算燃料电池实际输出功率Pfc、动力电池实际输出功率Pbatt和动力电池荷电状态SOC，并得到混合动力源实际输出功率Ptotal，然后将混合动力源实际输出功率传递给驱动电机模型；将计算出的动力电池荷电状态SOC参数值反馈给步骤c；
步骤e.所述驱动电机模型根据混合动力源实际输出功率Ptotal和根据从车辆当前实际车速vact计算出的电机转速ω，计算出驱动电机实际输出的转矩Tm，并将Tm传递给传动系统模型；
步骤f.所述传动系统模型根据驱动电机输出的转矩Tm、传动系统的传动比和传动效率，计算出传动系统实际输出转矩Tt，并将Tt传递给车轮模型；
步骤g.所述车轮模型根据传动系统的实际转矩Tt，计算出车辆的牵引力Fw，并将Fw传递给纵向动力学模型；
步骤h.所述纵向动力学模型根据车轮模型计算出的车辆牵引力Fw和汽车行驶阻力得到汽车纵向合力，根据牛顿第二定律计算出车辆当前行驶的加速度
Figure FDA0003061668620000021
然后对加速度积分得到车辆当前实际车速vact，并根据vact计算出电机转速ω；将实际车速vact反馈到驾驶员模型，将电机转速ω反馈到电机模型和能量管理策略模型。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池汽车半实物仿真系统，其特征在于：
所述步骤a中，工况模型是基于MATLAB/Simulink搭建的中国汽车行驶工况速度-时间对应表或实际道路行驶工况速度-时间对应表，可以获得各时刻对应的需求车速vreq，并将vreq传递给驾驶员模型；
所述步骤b中，驾驶员模型根据需求车速vreq与实际车速vact的差值，调节加速踏板和刹车踏板开度大小，以模拟驾驶员的操作；所述驾驶员模型采用PID驾驶员模型，该模型计算公式如下；
Figure FDA0003061668620000022
式(1-1)中，uPID∈[-1，1]，Kp，Ki，Kd分别表示驾驶员模型的比例、积分、微分系数，vreq为需求车速，vact为实际车速，vact初始值为0；
式(1-1)计算结果判断为：uPID＜0表示驾驶员踩下制动踏板，uPID＞0表示驾驶员踩下加速踏板；
所述步骤c中，能量分配策略模型根据步骤b计算出的踏板信号uPID和电机转速ω计算出车辆行驶的需求功率Power_drive_req，用式(1-2)表示；
Figure FDA0003061668620000031
P_n＝Power_drive+Power_acc_req (1-3)
式(1-2)～(1-3)中，T(ω)表示根据电机效率MAP图，利用电机转速ω查询得到的对应电机转矩；Power_acc_req为汽车行驶时的辅件功耗，单位为kW；Power_acc_req数值由车辆本身参数决定，一般为固定值；
所述步骤d中，混合动力源模型中的燃料电池模型模拟燃料电池随电流变化的动态过程，通过对燃料电池系统输入的控制，实时计算出当前电流下燃料电池实际输出功率Pfc和燃料电池输出电压Vstack，用式(1-4)～(1-9)表示；
Vcell＝Eoc-Va-Vohm (1-4)
Eoc＝Kc(En-Vc) (1-5)
Figure FDA0003061668620000032
Vohm＝Rohmifc (1-7)
Vstack＝N·Vcell (1-8)
Pfc＝ifcVstack (1-9)
式(1-4)～(1-9)中，En为能斯特电压，单位为V；Va为活化过电压，单位为V；Vohm为欧姆过电压，单位为V；Kc为电压常数；Vc为反应气体浓度下降产生的电压降；ifc为燃料电池电流，单位为A；i0为交流电流，单位为A；Rohm为燃料电池内阻，单位为Ω；Vcell为单片燃料电池输出电压，单位为V；s为传递函数符号；Td为电堆响应时间；N为电池数量；A为塔菲尔斜率；Vstack为燃料电池输出电压，单位为V；Pfc为燃料电池实际输出功率，单位为kW；
所述步骤d中，燃料电池模型搭建完毕后，可得到燃料电池输出极化特性曲线图，将该曲线数据导入为查表模型；根据步骤c得到的燃料电池需求输出功率P_FC，将P_FC代入查表模型得到此功率对应下的燃料电池电流ifc，从而控制燃料电池实际输出功率Pfc；
所述步骤d中，混合动力源模型中的动力电池模型使用Shepherd方程描述动力电池端电压与时间之间的定量关系，动力电池荷电状态SOC、输出电压Vbatt和实际输出功率Pbatt用式(1-10)～(1-13)表示；
Figure FDA0003061668620000041
Figure FDA0003061668620000042
Pbatt＝Vbatt×i (1-12)
Ptotal＝Pfc+Pbatt (1-13)
式(1-10)～(1-13)中，i表示动力电池放电电流，单位为A；Q表示动力电池额定容量，单位为Ah；以上两项数据由测试人员在动力电池工作过程中使用电流表测得；Pbatt为动力电池实际输出功率，单位为kW；Ptotal为混合动力源模型实际输出功率，单位为kW；
所述步骤e中，驱动电机模型使用基于电机效率MAP的静态模型，并通过施加一阶惯性环节反应电机实际输出转矩的建立过程，完成驱动电机模型的建立；根据车辆当前实际车速vact计算出的电机转速ω，然后根据混合动力源模型实际输出功率Ptotal和ω计算出电机需求转矩Tm_req，进一步计算出电机实际输出转矩Tm，用式(1-14)～(1-16)表示：
Figure FDA0003061668620000043
Figure FDA0003061668620000051
Ptotal＝Pfc+Pbatt (1-16)
式(1-14)～(1-16)中，Tm为电机实际输出转矩，单位为N·m；Tm_req为电机需求转矩，单位为N·m；Tmax_dis与Tmax_char分别表示电机处于驱动或制动状态时，当前转速下的最大转矩，单位为N·m；vact表示汽车当前行驶速度，单位为m/s；
所述步骤f中，传动系统模型将电机实际输出转矩Tm经过式(1-17)计算得到传动系统实际输出转矩Tt，并将Tt传递给车轮模型；
Tt＝Tm×gear_ratio×gear_eff (1-17)
式(1-17)中，gear_eff为传动效率；gear_ratio表示传动系统传动比；
所述步骤g中，车轮模型将传动系统实际输出扭矩Tt经过式(1-18)计算得到车轮模型输出牵引力Fw，并将Fw传递给纵向动力学模型；
Figure FDA0003061668620000052
式(1-18)中，wh_radius表示车轮半径，单位为m；
所述步骤h中，纵向动力学模型依据车轮模型的输出牵引力Fw，并结合车辆行驶阻力，计算出汽车纵向的合力，根据牛顿第二定律计算出汽车的加速度，并对加速度积分计算出车辆当前实时车速vact；车辆纵向动力学的阻力主要包括空气阻力、滚动阻力、坡道阻力和加速阻力，公式表述如式(1-19)～(1-24)所示：
Figure FDA0003061668620000053
Figure FDA0003061668620000054
Fr＝mgf cosθ (1-21)
Fg＝mg sinθ (1-22)
Figure FDA0003061668620000061
Figure FDA0003061668620000062
式(1-19)～(1-24)中，Fw为车轮驱动力，单位为N；Fa(va)为空气阻力，单位为N；Fr为滚动阻力，单位为N；Fg为坡道阻力，单位为N；Fi为加速阻力，单位为N；cd为空气阻力系数，Af为迎风面积，单位为m2；va为vact经单位转换后的车速，单位为km/h；vact为车辆当前实际车速，单位为m/s；m为整车质量，单位为kg；f为滚动阻力系数；θ为道路坡度，单位为rad；δ为车辆旋转质量转换系数；g为重力加速度，单位为；
Figure FDA0003061668620000063
为汽车纵向加速度，单位为m/s2；ω为电机转速，单位为r/min。
3.根据权利要求1所述的一种燃料电池汽车半实物仿真系统，其特征在于：所述步骤c中，能量分配的策略是：当动力电池SOC≥50％时，动力电池有优先输出，否则燃料电池优先输出。
4.根据权利要求1所述的一种燃料电池汽车半实物仿真系统，其特征在于：所述步骤c中，能量分配的策略是：
分配策略具体控制逻辑按如下流程进行控制：
Power_drive_req为车辆行驶的需求功率；Power_acc_req为汽车行驶时的辅件功耗，主要包括空调、大灯和控制信号等辅件用电功耗；整车总的需求功率P_n＝Power_drive+Power_acc_req；Batt_SOC为动力电池当前的荷电状态；BatPwrDischrgLim为对动力电池放电功率的限制；BatPwrChrgLim为对动力电池充电功率的限制；Power_FC_max为燃料电池系统的最大输出功率；P_FC为能量分配策略分配后，燃料电池系统输出功率；P_batt为能量分配策略分配后，动力电池系统输出功率；
步骤I，判断汽车需求功率P_n，当P_n≥0时，表示汽车处于驱动状态，则进入步骤II；当P_n＜0时，表示汽车处于制动状态，则进入步骤V；
步骤II，进一步判断动力电池值Batt_SOC是否大于50％，若Batt_SOC≥50％，则进入步骤III，若Batt_SOC＜50％，则进入步骤IV；
步骤III，此时动力电池优先输出功率，进一步判断需求功率P_n与动力电池最大放电功率BatPwrDischrgLim的大小，若P_n≤BatPwrDischrgLim，表示动力电池足以单独提供整车需求功率，此时燃料电池输出功率P_FC＝0，动力电池输出功率P_batt＝P_n；若P_n＞BatPwrDischrgLim，表示动力电池不足以单独提供整车需求功率，进一步判断P_n与动力电池最大放电功率BatPwrDischrgLim和燃料电池最大输出功率Power_FC_max之和的大小，若P_n≥BatPwrDischrgLim+Power_FC_max，则燃料电池输出功率P_FC＝Power_FC_max，动力电池输出功率P_batt＝BatPwrDischrgLim；若P_n＜BatPwrDischrgLim+Power_FC_max，则燃料电池输出功率池P_FC＝P_n-P_batt，动力电池输出功率P_batt＝BatPwrDischrgLim；
步骤IV，此时燃料电池优先输出功率；若P_n≤Power_FC_max时，表示燃料电池能够单独提供汽车行驶需求功率，动力电池不工作，此时燃料电池输出功率P_FC＝P_n，动力电池输出功率P_batt＝0；若P_n＞Power_FC_max时，表示燃料电池不足以单独提供汽车行驶功率，此时进一步判断，若Power_FC_max＜P_n≤BatPwrDischrgLim+Power_FC_max，再判断动力电池SOC值，若Batt_SOC＜20％，为了保护电池使用寿命，电池不工作；汽车行驶功率由燃料电池单独提供，此时燃料电池输出功率P_FC＝Power_FC_max，动力电池输出功率P_batt＝0；若Batt_SOC≥20％，则汽车行驶功率由燃料电池和动力电池一起提供，此时燃料电池输出功率为P_FC＝Power_FC_max，动力电池输出功率为P_batt＝P_n-Power_FC_max；若P_n＞BatPwrDischrgLim+Power_FC_max，再判断动力电池SOC值；若Batt_SOC＜20％，为了保护电池使用寿命，电池不工作，汽车行驶功率由燃料电池单独提供，此时燃料电池输出功率P_FC＝Power_FC_max，动力电池输出功率P_batt＝0；若Batt_SOC≥20％，则汽车行驶功率由燃料电池和动力电池一起提供，此时燃料电池输出功率为P_FC＝Power_FC_max，动力电池输出功率为P_batt＝BatPwrDischrgLim；
步骤V，此时进一步判断动力电池SOC值，若Batt_SOC≥80％，为了保护动力电池寿命，防止过充现象发生，燃料电池输出功率P_FC＝0，动力电池输出功率P_batt＝0；若Batt_SOC＜80％进一步判断回收制动能量功率P_n与电池的最大充电功率BatPwrChrgLim之间的大小；若P_n＞BatPwrChrgLim，则燃料电池输出功率P_FC＝0，动力电池输出功率P_batt＝P_n；若P_n≤BatPwrChrgLim，则燃料电池输出功率P_FC＝0，动力电池输出功率P_batt＝BatPwrChrgLim。
5.根据权利要求1所述的一种燃料电池汽车半实物仿真系统，其特征在于：所述的能量管理控制器为stm32单片机或AT89C52单片机或PLC工业控制器。
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