面向燃料电池混合动力电动公交车实际行驶工况的功率系统优化与耐久性建模

《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》：Optimization of stack size, operating temperature, and battery capacity in fuel cell hybrid electric vehicles for durability and fuel economy under use-level conditions

　　

研究人员提出了一种新颖的优化框架，用于确定燃料电池混合动力电动公交车（FCHEV）中的最佳燃料电池堆（Stack）尺寸和电池容量，同时综合考虑燃料电池耐久性与氢燃料经济性。该框架基于加拿大不列颠哥伦比亚省维多利亚市某公交车的真实世界行驶工况（Drive Cycle）进行模拟。研究人员采用了先前已验证的质子交换膜燃料电池（PEMFC）膜电极组件（MEA）耐久性模型，包括阴极催化剂降解模型和膜化学-机械降解模型，以估算MEA寿命。研究中评估了两种能源管理策略（EMS）：一种基于规则（Rule-based）的方法，以及一种基于深度强化学习（DRL）的软演员-评论家（SAC）算法。随后，研究人员在不同操作温度（70℃和80℃）下，利用多目标遗传算法（GA）优化了堆标称功率和电池容量，目标函数为燃料电池寿命和起始寿命（BOL）氢消耗量。研究结果表明，混合动力系统（燃料电池+电池）相较于单一燃料电池系统，能够通过使用较小的燃料电池堆来延长燃料电池寿命并降低氢消耗，但存在寿命与效率之间的权衡。成本分析显示，70℃下操作的105 kW堆与38.52 kWh电池的组合总成本最低。此外，SAC-based EMS相较于基于规则的EMS，表现出更强的适应性和更平滑的功率分配能力。该优化框架为FCHEV动力系统设计中平衡耐久性与经济性提供了实用方法。

研究背景与意义：

质子交换膜燃料电池（PEMFC）因其高效率和零排放特性，被视为商用车（如公交车）实现脱碳的重要技术路径。然而，PEMFC的耐久性问题，特别是膜电极组件（MEA）中阴极催化剂（Pt/C）的降解和质子交换膜（如Nafion）的化学-机械降解，严重制约了其商业化进程。美国能源部（DOE）针对重型应用设定了严格的寿命目标（如25,000小时），而实际车载动态工况会加速组件衰减。此外，单一燃料电池系统难以应对瞬态功率需求且无法回收制动能量，因此燃料电池与电池混合的动力系统（FCHEV）成为主流方案。但混合系统的组件尺寸（堆功率、电池容量）匹配及能源管理策略（EMS）直接影响系统耐久性、氢耗和经济性。目前，缺乏一种能在实际行驶工况下，同时耦合详细MEA退化机理、优化组件尺寸和EMS的综合框架。为此，研究人员开展了本研究，旨在建立一个集成MEA退化模型、整车动力学模型、EMS和组件优化的综合框架，以确定最优设计，延长寿命并降低运营成本，成果发表于《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》。

主要关键技术方法：

研究人员首先集成并耦合了已验证的PEMFC MEA退化子模型：阴极催化剂层（CCL）降解模型（基于电化学活性表面积ECSA衰减及Tafel动力学）和膜降解模型（基于离子聚合物链断裂的概率统计与应力再分配，考虑化学降解率和机械降解率）。其次，建立了燃料电池电动公交车（15,500 kg）的整车纵向动力学模型，基于维多利亚市真实公交行驶工况（含速度、海拔剖面）计算实时功率需求。第三，构建了燃料电池-电池混合系统模型，比较了两种EMS：1）基于规则的EMS（设置堆功率上/下限，根据电池荷电状态SOC分区功率分配）；2）基于深度强化学习（DRL）的软演员-评论家（SAC）EMS（状态量包含SOC、功率需求、上一时刻功率，奖励函数包含氢消耗、燃料电池退化惩罚、电池退化惩罚和SOC维持惩罚）。最后，采用多目标遗传算法（GA）以燃料电池寿命和BOL氢消耗量为目标，优化变量包括堆最大/最小功率、电池容量及EMS参数（规则法的6个优化参数，SAC的权重系数C1-C4），并加入电池寿命≥25,000小时的约束，通过Pareto前沿分析和净现值（NPV）成本分析选定最优方案。

研究结果：

1. 1.
   MEA寿命估算：研究人员耦合了阴极催化剂降解（ECSA衰减导致活化过电位增加）与膜降解（化学降解与机械应力耦合的链断裂统计模型，临界失效为气体交叉泄漏0.1 sccm cm^-2）模型。模拟显示，在单一燃料电池系统中，膜降解通常是寿命限制因素（早于阴极10%电压降失效）；整体MEA寿命由两者中较短者决定。较低温度（60-70℃）和较低平均电池电压（小堆）有利于减缓两者降解。
2. 2.
   非混合系统与混合系统对比：在非混合（仅燃料电池）系统中，115 kW堆在80℃无法满足DOE寿命目标，70℃及以下才可。混合系统引入电池后，允许选用更小堆（如55 kW），由电池补充峰值功率和回收制动能量。更小堆操作在更低电压，降低了MEA降解率，从而延长了燃料电池寿命；但小堆效率较低，氢耗量增加，形成了寿命-经济性的权衡。
3. 3.
   规则-based EMS与SAC-based EMS对比：两种EMS均能实现功率分配和SOC管理。SAC-based EMS通过奖励函数中的波动惩罚，实现了更平滑的燃料电池功率输出和更小的电压波动，从而略微降低了阴极降解；同时SAC表现出更强的自适应性，在不同初始SOC和修改后的行驶工况（拥堵/通畅）下，能更快地将SOC调整到~50%最优范围，且在某些情况下可提升最高2.5%的燃料经济性和9%的燃料电池寿命。
4. 4.
   多目标优化与成本分析：在80℃和70℃下优化的Pareto前沿显示了氢消耗（kg/100 km）与燃料电池寿命（小时）的权衡关系。通过净现值（NPV）成本分析（包含93 USD/kW电堆、178.41 USD/kWh电池、4 USD/kg H₂、300 USD/m²热管理系统，2%折扣率，20小时/天，7天/周），确定了最小总成本对应的最优设计：80℃下为55 kW堆+41.76 kWh电池；70℃下为105 kW堆+38.52 kWh电池。70℃方案总成本更低，主要因燃料电池寿命显著更长（25,280小时 vs 14,200小时），尽管氢消耗略增加（7.07 vs 7.67 kg/100 km）。
5. 5.
   验证：研究人员将模型预测的燃料消耗（7.46 kg/100 km）与美国加州25辆同类燃料电池公交（85 kW堆，100 kWh电池）车队报告的平均值（7.7 kg/100 km）进行对比，结果一致，验证了整车模型与EMS的有效性。

讨论与结论：

讨论部分指出，较小堆虽提升耐久性但牺牲效率，而混合系统通过电池补偿解决了该矛盾。70℃操作在耐久性和成本上优于80℃，但需考虑低温可能对效率和水管理的影响。SAC-based EMS在自适应性和平顺性上优于规则法，适合复杂多变工况。研究也指出膜的降解往往是主导的寿命限制因素，未来可通过材料改进进一步突破。

结论总结：研究人员成功开发并应用了一个集成MEA详细降解机理、整车工况、EMS和组件尺寸协同优化的综合框架。该框架能有效识别FCHEV（以公交为例）的最优堆尺寸和电池容量，实现耐久性与经济性的平衡。混合动力系统允许使用较小堆以延长寿命，但需接受稍高氢耗；操作温度70℃比80℃更具成本优势。SAC-based EMS提供了更自适应和平顺的能源管理。该框架可扩展至其他级别燃料电池混合卡车（如Class 8）。论文发表在《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》。