特拉华大学对燃料电池混合动力客车技术进行仿真

燃料电池混合动力客车 (FCHB) 穿梭往返于六英里的快速线路上，运送着特拉华大学的学生和教职员工，高调地展示了氢燃料电池技术的强大与优势。这种客车可实现零排放，噪声远低于柴油汽车；它可以在同一个位置添加燃料和维护，从而降低基础设施成本；它采用串联混合动力设计，特别适用于城市公交线路上的启停驾驶以及速度相对较低的情况。

借助 MATLAB^® 和 Simulink^®，特拉华大学的研究人员对 FCHB 进行了建模，分析了来自许多机载传感器的数据，改进了电源管理策略，并获得了燃料电池客车设计优化方面的关键见解。

Simulink 使我们能够回答之前只能通过反复试验和硬件迭代才能回答的设计问题，从而节省了高昂的成本。例如，我们通过执行仿真看到了如果我们的燃料电池堆大小增大到两倍或三倍，客车将如何运行。还通过其他仿真了解了如果将车载 4000 磅电池减少到 2000 磅会发生什么。我们还对底盘和整车重量分布的变化进行了仿真。通过分析这些仿真的结果，我们可以知道某种设计是否更高效，每行驶一英里消耗的氢气是否更少，或是否减少了电池的压力。然后，我们可以与车辆制造商 Ebus 分享我们的发现，后者根据这些检查结果改进将来的设计。

一项历时多年、多部门参与的研究工作

在美国联邦交通管理局的资助下，特拉华州于 2005 年启动了 FCHB 计划，以开发和示范燃料电池客车和加氢站。第一辆燃料电池客车于 2007 年投入运营；第二辆在 2009 年投入运营（图 1）。该计划最终将包括四个客车，每个客车都不断做出设计改进并吸取其前身的经验教训。

与世界各地在测的其他燃料电池客车相比，特拉华大学 FCHB 的不同之处在于其成本相对较低。我们的客车比当前运行的同类大小的燃料电池客车成本低 50% 左右，这在很大程度上得益于我们采用硬串联混合动力设计。在这种设计中，燃料电池主要用于为电池充电，而不是直接驱动车辆，从而使我们能够使用更小、更便宜的燃料电池。例如，我们第一辆客车上的燃料电池堆总功率仅为 20 千瓦，而同类客车使用的电池堆要大 5 至 10 倍。20 千瓦（27 马力）的燃料电池提供的功率大约只相当于草坪拖拉机发动机的功率，却能够在校园内运载数十人。

事实证明，燃料电池与串联混合动力设计的电池相结合，完全能够为我们 22 英尺（6.7 米）长的客车提供动力，支持搭载 22 位有座乘客和 10 位站立乘客。这些客车在学校附近由液化空气运营的氢气站补充燃料。补充燃料并充电后，这些客车的续航里程为 180 英里（290 公里）。

第一辆客车的建模

我们使用联盟合作伙伴——电力研究所 (EPRI) 开发的 Simulink 库对客车及其所有组件进行建模。LFM（轻型、快速和可修改）库非常灵活，可以轻松应用于各种混合动力车辆平台。使用 Ebus 提供的设计设定，我们为主模型组件设置了基线参数，包括底盘、变速箱、牵引电机、电池、燃料电池系统和动力组合装置（图 2）。此外，我们还对被控对象的平衡进行了建模，其中整合了燃料电池堆所需的所有辅助设备，包括氢气循环泵、空气压缩器和冷却剂泵。每个动力总成部件约有 6 个输入，完整模型产生 30 多个输出，包括电池的荷电状态、燃料电池输出、氢气消耗和再生制动动力。该模型复杂而精密，但由于每个组件都作为 Simulink 模块捕获，因此很容易管理整个系统中的所有子系统。

为了验证我们的模型，我们在客车上安装了 GPS 接收器和十几个传感器。这些传感器可以在每次行驶时测量车上关键位置的电压、电流、温度、流速和湿度。然后，我们在 Simulink 中仿真相同的行驶工况，并将测得数据与仿真结果进行比较。我们的模型预测数据与实车数据的匹配误差在 5% 内，这让我们有信心该模型已可用作可靠的设计工具。此外，我们在 MATLAB 中分析了测量数据，以了解性能随季节和每天的变化情况。

改进电源管理策略

在混合动力车辆中，电源管理策略确定在任何给定时间哪些车载发电机处于活动状态以及它们生成电力的速率。我们第一辆客车配备的电源管理策略相当初级。当电池荷电状态下降到 65% 以下时，系统激活的燃料电池开始为电池充电。如果系统立即要求最大功率，燃料电池也会提供，但效率很低，因为这超出了其最佳运行区域。我们的首要目标之一是改进此策略。

我们使用了 MATLAB 和 Simulink 评估电源管理策略。这些策略考虑到了路线规划，以使燃料电池堆尽可能在其峰值效率点运行。MATLAB 可让我们轻松通过脚本控制仿真运行，并在每次运行时修改策略或模型的其他方面。我们使用了这种方法来确定一种能够获得性能和效率的最佳组合的策略。然后，我们通过更新板载可编程逻辑控制器 (PLC) 来实现该策略。仿真使我们能够确定在其日常行驶工况中激活燃料电池的最佳时间，以便燃料电池和电池的组合输出能够满足车辆剩余行程的要求，从而使用镍镉电池并节省氢气。

第二辆客车的改进

在我们确定提高性能的方法时，敏感度分析发挥了至关重要的作用。动力总成系统中每个主要组件的参数都可能在将来的设计中修改。我们开发了 MATLAB 脚本，以编程方式修改 Simulink 模型中的这些参数，在其当前值的 -30% 至 +30% 范围内扫描。然后，我们为多个参数自动运行这些脚本。当仿真完成后，我们使用 MATLAB 来分析累积的大量数据，确定对性能影响最大的参数并对其绘图。

当客车制造商开始设计和制造该系列的第二辆客车时，我们已了解大量关于关键性能参数、燃料电池和电池动力学以及燃料电池和电池如何在整个行驶工况中运行的信息。我们的仿真有助于验证客车制造商将燃料电池堆大小增大一倍至约 40 千瓦的决定（图 3）。

虽然这种更改可能会降低电池容量，但我们决定使用相同的镍镉电池包以避免重新设计新的必需电池包。将燃料电池堆增大到两倍，客车的平均运行速度从 18 英里/小时提升到 35 英里/小时，这与我们的 Simulink 仿真预测的结果匹配。此变化也使客车能够完成要求更高的运输路线，并行驶在最低速度更高的道路上。

我们的客车配备由特拉华大学设计和制造的创新电池电压监控 (CVM) 系统。该系统使我们能够更详细地了解燃料电池堆，因为它可以检测电池堆中 100 多个单个电芯上的低电压或高电压。CVM 系统每秒对这些电压执行一次扫描和记录。我们可以通过将数据传输到实验室服务器的蜂窝链路来实时监控结果，或稍后分析记录的测量结果，其中 MATLAB 是数据采集、分析和可视化的首选软件。

我们的三号客车及未来号

三号客车包含重大的设计变更。像第二辆客车一样，它将配备 40 千瓦的燃料电池堆，不过我们会从镍镉电池切换到锂离子电池，这将使电池包重量从 4000 磅减到约 1500 磅。锂离子电池寿命长，可以更快、更频繁地充电和放电，这将使我们能够在 Simulink 中探索新电源管理策略。随着性能的提高，动力总成系统将能够以更高的持续速度驱动更大的客车；三号和四号客车长度将达到 30 英尺，比 22 英尺长的客车多运载 10 名乘客。

作为正在进行的研究的一部分，我们的一名研究生最近完成了一篇论文，其中他探索了超级电容器在采用燃料电池和电池的混合存储系统中的应用。他在 Simulink 中对超级电容器进行了建模，并将其纳入我们的 FCHB 模型中，以仿真和测试利用超级电容器快速充电和放电特性的高级电源管理策略。这项研究堪称典范，说明了 Simulink 在这一领域的价值；因为在真实硬件中探索这些想法将耗费极高的成本和大量时间。Simulink 不仅使探索成为可能，而且产生了非常可靠的结果。这位研究生后来受雇于加利福尼亚州的一家燃料电池客车公司，在那里他将自己在 FCHB 项目中获得的经验应用于实践。

作为一名研究人员和教学人员，我认为 FCHB 项目非常成功。我们的研究生做出了出色的工作，客车在校园中穿梭，我们知道仿真在大幅提升其性能方面发挥了重要作用。很少有学术活动能产生如此直接和实用的价值。