在特拉华大学模拟燃料电池混合动力总线技术

燃料电池混合总线（FCHB）在6英里高速公路上舍威的校园跨越校园的学生和教师的高度可见的燃料电池技术的功效和益处的高度可见演示。公共汽车是零排放，比柴油对应物更安静;它可以在一个位置加油和维护，减少基础设施成本;其系列混合动力设计使得在城市公交路线上的起始和停止驾驶和相对较低的速度特别有效。

使用MATLAB^®和仿真软万博1manbetx件^®来自特拉华大学(University of Delaware)的研究人员对FCHB进行了建模，分析了来自其许多车载传感器的数据，改进了其电源管理策略，并获得了燃料电池巴士设计优化的关键见解。

万博1manbetxSimulink使我们能够回答一些设计问题，而这些问题要通过反复试验的硬件迭代来回答是非常昂贵的。例如，我们运行模拟，显示如果我们将燃料电池堆的大小增加一倍或三倍，总线将如何运行。其他模拟显示，如果我们把车上4000磅的电池减少到2000磅，会发生什么。我们模拟了底盘和整车重量分布的变化。通过分析这些模拟的结果，我们可以看到某种设计是否更高效，是否每英里消耗更少的氢，或者是否减少了电池的压力。然后，我们可以与巴士制造商Ebus分享我们的发现，后者使用这些发现来改进未来的设计。

多年，多总线研究努力

FCHB项目由联邦运输管理局资助，于2005年开始在特拉华州开发和演示燃料电池公交车和氢燃料加气站。第一辆燃料电池巴士于2007年投入使用;第二个是在2009年(图1)。该计划最终将包括四辆公交车，每辆公交车都结合了设计上的改进和从其前身吸取的经验教训。

特拉华大学FCHB与世界各地正在测试的其他燃料电池公交车的区别在于其相对较低的成本。我们的公交车成本比目前运行的同等尺寸的燃料电池公交车低50%左右，这在很大程度上是因为我们采用了硬串联混合动力设计。在这个设计中，燃料电池主要用于给电池充电，而不是直接驱动汽车，这使得我们可以使用更小、更便宜的燃料电池。例如，我们第一辆公交车的燃料电池堆只能提供20千瓦的总功率，而同类公交车的燃料电池堆要大5到10倍。一个20千瓦(27马力)的燃料电池提供的功率和一个草坪拖拉机的发动机差不多，但它能在校园内运送几十个人。

燃料电池与串联混合设计的电池相结合，已经证明完全有能力为22英尺(6.7米)长的巴士提供动力，巴士上有22名坐乘客和10名站乘客。这些巴士在校园附近的一个由液化空气公司运营的氢气站加油。在充满燃料和充电后，这种巴士可以行驶180英里(290公里)。

第一总线建模

我们使用由我们的联盟伙伴之一电力研究所(EPRI)开发的Simulink库对总线及其所有组件进行建模万博1manbetx。LFM(轻、快、可修改)库灵活且易于应用于各种混合动力汽车平台。根据Ebus提供的设计规范，我们设置了主要模型部件的基线参数，包括底盘、变速器、牵引电机、电池、燃料电池系统和功率组合器(图2)。此外，我们对工厂的平衡建模，它包含了燃料电池堆所需的所有辅助设备，包括氢气再循环泵、空压机和冷却剂泵。每一个动力总成部件大约有6个输入，而整个车型产生30多个输出，包括电池充电状态、燃料电池输出、氢消耗和再生制动功率。这个模型是复杂而复杂的，但是通过将每个组件捕获为一个Simulink块，可以很容易地管理整个系统中的所有子系统。万博1manbetx

为了验证我们的模型，我们在总线上安装了GPS接收器和十多个传感器，这些传感器在每次行程中测量关键的车载位置上的电压、电流、温度、流量和湿度。然后在Simulink中对相同的驱动周期进行了仿真，并将实测数据与仿真结果进行了比较万博1manbetx。我们的模型的预测与车辆数据匹配在5%以内，这让我们有信心，该模型现在可以作为一个可靠的设计工具使用。此外，我们在MATLAB中分析了测量数据，以了解性能如何随季节和每天变化。

提高电力管理策略

在混合动力车辆中，电源管理策略确定哪些车载发电机在任何给定时间都处于活动状态，并且在它们产生功率的速率下。我们的第一个公共汽车具有相当基本的电力管理战略。当电池的状态下降到65％以下时，系统激活燃料电池以开始再充电电池。如果系统立即要求最大功率，则燃料电池提供，但它的效率低下，因为它在其最佳操作区域之外。我们的第一个目标之一是提高这一战略。

我们使用MATLAB和Simulink万博1manbetx评估电源管理策略，这些策略包含了计划路线的知识，以保持燃料电池堆栈在其最高效率点更一致地运行。使用MATLAB可以很容易地编写几个仿真运行的脚本，并在每次运行中修改策略或模型的其他方面。我们使用这种方法来确定一种策略，该策略产生了性能和效率的最佳组合。然后通过对板载可编程控制器(PLC)的更新来实现该策略。模拟使我们能够确定在每天的驾驶周期内激活燃料电池的最佳时间，从而使燃料电池和电池的综合输出能够满足汽车剩余行程的需要，从而使用镍镉电池并节约氢气。

第二班车的改进

敏感性分析在帮助我们确定提高性能的方法方面发挥了至关重要的作用。动力总成中的每个主要组件都有可能在未来设计中进行修改的参数。我们开发了MATLAB脚本，以编程方式修改Simulink模型中的这些参数，将它们从其当前值的-30％扫描到+ 30％。万博1manbetx然后，我们自动运行这些脚本以进行多个参数。当模拟完成时，我们使用MATLAB分析了我们积累并识别的大量数据并绘制了大多数影响性能的参数。

当客车制造商开始设计和制造该系列的第二辆客车时，我们已经了解了许多关键性能参数、燃料电池和电池动力学，以及燃料电池和电池在整个行驶周期中如何运行。我们的模拟帮助验证了客车制造商的决定，即将燃料电池堆栈的大小增加一倍，达到大约40 kW(图3)。

虽然这种改变可以减少电池容量，但我们决定使用相同的镍镉电池组，以避免重新设计新的电池组。将燃料电池堆增加一倍，使巴士的平均运行速度从18英里每小时提高到35英里每小时，这与我们的Simulink模拟预测的结果相吻合。万博1manbetx这一变化还使巴士能够完成要求更高的运输路线，并使用要求更高最低速度的道路。

我们的公共汽车配备了在特拉华大学设计和制造的创新电池电压监测（CVM）系统。该系统使我们能够在非常详细的水平下了解燃料电池堆的更多信息，因为它可以在堆叠中的100多个单独的单元上检测到陷入困难的低或高电压。CVM系统每秒扫描并记录这些电压。我们可以通过将数据传输到实验室中的服务器的蜂窝链路实时监控结果，或者在稍后分析记录的测量，其中MATLAB是数据采集，分析和可视化的选择软件。

我们的第三辆巴士和更远

第三辆巴士包含了重大的设计变化。和第二辆巴士一样，它将有一个40千瓦的燃料电池，但我们将从镍镉电池转换为锂离子电池，这将把电池组的重量从4000磅减少到大约1500磅。锂离子电池具有很好的寿命，可以更快更频繁地充放电，这将使我们能够在Simulink中探索新的电源管理策略。万博1manbetx随着性能的提高，动力系统将能够以更高的持续速度驱动大型客车;3号和4号巴士将长30英尺，比22英尺的巴士多搭载10名乘客。

作为正在进行的研究的一部分，我们的研究生之一最近完成了一篇论文，他探讨了使用燃料电池和电池的混合储存系统中的超级电容器。他在Simulink中建模了超级电容器，并将它们纳入我们的FCHB模万博1manbetx型，以模拟和测试利用超级电容器的快速充电和放电特性的高级电源管理策略。这项研究是这一领域中的Simulink的价值的一个很好的例子;万博1manbetx在真正的硬件中探索这些类型的想法将是非常昂贵和耗时的。万博1manbetxSimulink不仅使探索成为可能，而且它产生了非常可靠的结果。此后，研究生已被雇用在加利福尼亚州的燃料电池总线公司，在那里他正在申请他在FCHB计划上获得的经验。

作为一名研究员和教员，我觉得FCHB的项目非常令人满意。我们的研究生做了杰出的工作，当我们看到校车穿过校园时，我们知道模拟如何显著地提高了它的性能。一项学术活动能产生如此立竿见影和实用价值的情况并不多见。