学术报告

本篇文章名为《Research on the Power Distribution Method for Hybrid Power System in the Fuel Cell Vehicle》，由 Yao He、Changchang Miao、Ji Wu*、Xinxin Zheng、Xintian Liu、Xingtao Liu 以及 Feng Han 等学者共同完成，主要研究机构包括合肥工业大学（Hefei University of Technology）智能制造研究所和重庆长安新能源汽车技术有限公司。该研究发表于《Energies》，是一篇2021年发表的学术论文（Energies 2021, 14, 734），通过以下链接可获得论文全文：https://doi.org/10.3390/en14030734。

学术背景

燃料电池（Fuel Cell）是一种通过电化学反应将化学能转化为电能的装置，其高效、低噪声、低排放的特点使其成为替代传统内燃机的重要候选。然而，燃料电池在单独作为动力系统时，存在反应相应速度慢、功率变化快时寿命显著缩短的问题。因此，目前的燃料电池车辆通常采用燃料电池与锂离子电池的混合动力架构，利用锂离子电池作为辅助能源，进行功率的平滑与波动抑制。

论文指出，现有燃料电池车辆功率分配研究大多基于传统油电混合车辆的经济性角度展开，忽略了燃料电池的耐久性。由于燃料电池本身效率已经很高，且其成本昂贵，其主要研究目标应是如何通过优化控制策略延长燃料电池的寿命，而经济性目标则应放在次要位置。因此，该文提出了一种基于非线性规划算法的新型功率分配策略，以期在提高车辆经济性的同时，更好地延长混合动力系统的寿命。

研究流程

该研究的流程主要包括以下几个步骤：

模型建立

1. 混合动力系统架构设计
   混合动力系统架构包含燃料电池系统、锂离子电池组、DC/DC 转换器和 DC/AC 转换器等组件。燃料电池作为系统的主要能源，通过 DC/DC 转换器向 DC 母线输出能量；锂离子电池作为辅助能源，帮助燃料电池抑制功率波动，同时支持再生制动能量的存储及燃料电池过剩功率的存储。

2. 燃料电池模型
   采用燃料电池的等效电路模型，该模型表征了燃料电池的非线性行为及其三类主要电压损耗：活化损耗（activation losses，由反应动力学引起）、欧姆损耗（ohmic losses，由离子与电子电阻引起）和浓度损耗（concentration losses，由质量传递引起）。此外，燃料电池的电化学反应具有双电层现象，其表现与电容器类似。

3. 锂离子电池模型
   选用具有动态特性良好的二阶 RC 等效电路模型，以准确模拟锂离子电池的动态电行为。使用实验设备对锂离子电池进行充放电测试，通过最小二乘法对模型参数与 SOC（荷电状态）关系进行标定。

特性分析与约束条件设定

1. 燃料电池的工作特性与约束
   燃料电池的工作性能受电极极化曲线、效率曲线、功率密度曲线等多重因素限制。为保证燃料电池在合理条件下运行，避免因过多的启停或负载波动引起的物理损伤，论文提出了以下限制条件：

   • 电流密度范围约束；
   • 功率变化率限制；
   • 终端电压限制；
   • 功率输出范围限制等。

2. 锂离子电池的工作特性与约束
   为确保锂离子电池的性能与寿命，需对其能量状态（SOE, State of Energy）和功率状态（SOP, State of Power）进行约束。论文详细计算了锂离子电池的充电/放电能力、最大电流限值及 SOC 的影响，并将其转化为功率分配策略的边界条件。

功率分配策略设计

论文的核心是提出了一种基于非线性规划算法的功率分配控制策略。采用经典的 BFGS（Broyden-Fletcher-Goldfarb-Shanno）准牛顿法求解目标函数最优值。功率分配的目标函数以燃料电池的氢气消耗量为优化目标，同时考虑电池的电能消耗。功率平衡条件与各种参数约束共同表达在非线性规划问题的限制条件中。

仿真实验

论文选取了 NEDC（New European Driving Cycle，欧洲新驾驶循环）和 UDDS（Urban Dynamometer Driving Schedule，都市动力计测试循环）两种工况，分别对基于非线性规划的功率分配方法与传统基于规则的功率分配方法进行了比较分析。测试使用了 Matlab/Simulink 平台，并针对每种策略记录了燃料电池功率、锂离子电池功率、SOC 曲线及氢耗量等指标。

主要研究结果

1. 功率分配性能
   仿真结果表明，无论在 NEDC 或 UDDS 工况下，所设计的混合动力系统均满足车辆动力需求。在城市工况下，燃料电池功率被限制在耐久性目标要求的范围内，而锂离子电池通过承受更多的短时功率波动，使燃料电池的功率输出更加平稳。

2. 电池性能与燃料电池寿命保护
   在快速负载变化时，非线性规划算法使锂离子电池承担高功率输出，避免了燃料电池因快速功率波动导致的寿命损耗。燃料电池系统的电压变化更为平缓，有效降低了电化学反应中的应力。

3. 经济性评价
   相较于基于规则的功率分配策略，虽然基于优化算法的策略在氢气消耗量上略有增加，但其显著抑制了燃料电池功率波动，将功率波动幅度分别减少了 71.5%（NEDC 工况）和 58.8%（UDDS 工况）。这一点对于高成本的燃料电池而言尤为重要。

4. SOP（功率状态）约束的重要性
   对比是否引入 SOP 约束的仿真结果，本文发现 SOP 限制可显著降低功率波动，减少燃料电池高功率冲击，实现氢耗量的优化（降低了约 12.3%）。

研究结论与意义

本文通过建立燃料电池混合动力系统模型，详细分析了燃料电池和锂离子电池的运行特性，并提出了一种基于非线性规划算法的功率分配控制策略。仿真结果表明，这一策略不但能延长燃料电池寿命，还在满足耐久性目标的前提下优化了车辆经济性。

研究的科学价值在于通过综合考虑燃料电池与锂离子电池的多项物理约束，为燃料电池混合动力车辆的功率分配提供了可行的优化策略；其工程意义在于提高车辆在城市等复杂工况中的适应性和耐久性，减少运行成本。

研究亮点

1. 提出了优先寿命优化的功率分配策略，打破了传统纯经济性优化的限制，为高效保护燃料电池寿命提供了新的解决方案。
2. 实现了混合动力系统时变非线性特性的精准建模，为动态系统高效控制奠定基础。
3. 首次将 SOP（功率状态）约束引入燃料电池和锂离子电池联合优化中，证明了其对耐久性和经济性的双重提升作用。

总结而言，本文为燃料电池混合动力系统的设计与优化提供了创新思路，具有重要的参考价值和潜在应用前景。