燃料電池/蓄電池混合動力汽車能量管理系統(tǒng)研究

陳明帥 華青松 張洪偉 隋宗強 李立偉

摘要： 為合理分配燃料電池/蓄電池電源投入的功率及很好地保護蓄電池，本文利用Matlab/Simulink搭建了燃料電池/蓄電池混合動力汽車整車系統(tǒng)模型，并基于燃料電池系統(tǒng)的功率效率曲線，設(shè)計了其能量管理系統(tǒng)（energy management system，EMS），根據(jù)蓄電池的荷電狀態(tài)（state of charge，SOC）和負載需求功率分為14種狀態(tài)，以此確定燃料電池系統(tǒng)的輸出參考功率，在合理保護蓄電池的同時，盡可能地提高燃料電池系統(tǒng)的輸出效率。為測試該能量管理系統(tǒng)對燃料經(jīng)濟性的改善程度，本文在Matlab/Simulink環(huán)境下進行仿真模擬。仿真結(jié)果表明，與基于功率追蹤的EMS相比，本文提出的EMS蓄電池儲存的電能更高，可以有效地減少氫氣的消耗，同時使蓄電池的SOC保持在合理區(qū)域，使混合動力汽車具有更好的經(jīng)濟性和安全性。該研究具有重要的經(jīng)濟實用價值。

關(guān)鍵詞： 燃料電池； 蓄電池； 能量管理系統(tǒng)； Matlab/Simulink； SOC

中圖分類號： TM911.4； TM912； U469.72 文獻標(biāo)識碼： A

收稿日期： 20170518； 修回日期： 20170824

基金項目： 863計劃項目資助（2014AA052303）；山東省自然科學(xué)基金項目資助（Y2008F23）；山東省科技發(fā)展計劃項目資助（2011GGB01123）；山東省自主創(chuàng)新及成果轉(zhuǎn)化專項（2014ZZCX05501）

作者簡介： 陳明帥（1992），男，碩士研究生，主要研究方向為電力系統(tǒng)在線監(jiān)測及故障診斷。

通訊作者： 李立偉（1970），男，山東人，博士，教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究領(lǐng)域為電力系統(tǒng)的智能監(jiān)測和狀態(tài)維修，可再生能源接入與智能配電網(wǎng)技術(shù)，電能質(zhì)量調(diào)節(jié)與控制，高速列車運行監(jiān)測、控制系統(tǒng)及新能源汽車電控系統(tǒng)開發(fā)等。Email： ytllw@163.com 汽車是人類交通發(fā)展史上最重要的發(fā)明之一。隨著汽車數(shù)量的不斷增多，汽車尾氣大量排放，環(huán)境污染問題越來越嚴重，能源危機問題日益凸顯。因此，大力發(fā)展環(huán)境友好型的汽車已成為汽車發(fā)展的重要方向[14]。純電池電動汽車雖然幾乎“零污染”，但其充電時間長、續(xù)駛里程短的缺點為日常出行帶來諸多不便，而燃料電池存在輸出特性曲線軟和功率響應(yīng)慢的缺點[56]。因此，基于燃料電池與蓄電池的混合動力汽車應(yīng)運而生，能量管理系統(tǒng)則在二者的功率分配、整車的動力性能及燃耗的經(jīng)濟性方面起著重要的作用。能量管理系統(tǒng)對混合動力系統(tǒng)功率的優(yōu)化分配分為全局優(yōu)化和實時優(yōu)化兩類。D. Feroldi等人[7]提出了基于穩(wěn)態(tài)性效率圖的控制策略；H.Hemi等人[8]設(shè)計了一種基于Pontryagin原理的最優(yōu)功率分配策略。以上研究都在一定程度上降低了燃料的消耗；而B.Erdinc等人[9]則是以瞬時等效燃耗最低為目標(biāo)函數(shù)，同時引入懲罰因子的方法來對蓄電池的SOC進行調(diào)控，使混合動力系統(tǒng)擁有較好的經(jīng)濟性；O. Farouk等人[10]則研究了兩種控制策略，一種是基于模糊控制的能量管理策略，另一種則是基于最優(yōu)控制的能量管理策略，并通過實驗驗證最優(yōu)控制策略的經(jīng)濟性更好。基于此，本文提出的是一種基于燃料電池系統(tǒng)功率效率曲線的實時優(yōu)化控制策略，在保證蓄電池工作于合理充放電和SOC的前提下，最大限度的提高燃料電池系統(tǒng)的效率，以達到實現(xiàn)燃料消耗最低的目的。該研究具有一定的經(jīng)濟適用性。

1燃料電池/蓄電池混合動力系統(tǒng)模型

燃料電池/蓄電池混合動力系統(tǒng)模型如圖1所示。該模型參考Honda FCX Clarity實車建立，主要由燃料電池系統(tǒng)模塊、蓄電池功率計算模塊、DC/DC變換器模塊、電機系統(tǒng)模塊、蓄電池模塊、車輛動力學(xué)模塊和能量管理控制模塊構(gòu)成。

車輛、永磁同步電機、燃料電池和蓄電池模塊參數(shù)如表1～表4所示。

1.1燃料電池系統(tǒng)建模

本文所用到的燃料電池模型是基于開路電壓EOC，塔菲爾斜率A和交換電流i0建立的模型。其輸出電壓為[11]

VFC=EOC-NAlniFCi01sTd/3+1-iFCrFCin（1）

式中，Td為反應(yīng)時間；iFC為燃料電池電流；rFCin為燃料電池內(nèi)阻；N為反應(yīng)單元數(shù)。開路電壓EOC為在額定條件下的電壓常數(shù)KC和能斯特電壓En的乘積，即

EOC=KCEn（2）

En=1229+（T-298）-44432F+RT2Fln（PH2P1/2O2）， T≤373K（3）

式中，T為反應(yīng)溫度；F為法拉第常數(shù)；PH2為氫氣進入反應(yīng)堆的分壓；PO2為氧氣進入反應(yīng)堆的分壓；PH2O為水蒸氣在反應(yīng)堆的分壓。即

PH2=（1-UfH2）x%Pfuel（4）

PO2=（1-UfO2）y%Pair（5）

PH2O=（w+2y%UfO2）Pair（6）

式中，Pfuel為燃料的絕對壓力；Pair為空氣的絕對壓力；x為氫氣在燃料中的比重；y為氧氣在空氣中的比重；w為氧化劑中水蒸氣的百分比；UfH2為氫氣的利用率；UfO2為氧氣的利用率。即

UfH2=60 000RTiFCzFPfuelVfuelx%（7）

UfH2=60 000RTiFC2zFPairVairy%（8）

式中，Vfuel為燃料的流速，L/min；Vair為空氣的流速，L/min。

燃料電池系統(tǒng)不僅有質(zhì)子交換膜燃料電池（proton exchange membrane fuel cells， PEMFC），還有相應(yīng)的輔助設(shè)備[1213]。而空氣壓縮機占輔助設(shè)備消耗功率Paux的95%，本文只考慮空氣壓縮機的消耗功率，所以燃料電池系統(tǒng)的實際輸出功率為

Pout=Pstack-Paux（9）

式中，Pstack和Pout和分別為燃料電池和燃料電池系統(tǒng)的輸出功率。如果燃料電池本身的效率為ηFC，則燃料電池系統(tǒng)的輸出效率為

該燃料電池系統(tǒng)的整體效率和功率關(guān)系如圖2所示。

1.2蓄電池建模

本文所用的蓄電池模型是基于空載電壓Ebatt，內(nèi)阻rbatt，電池電流ibatt建立的模型。其中，Ebatt分為充電空載電壓Ebattcha與放電空載電壓Ebattdis，即

Ebattdis=E0-K＼[Q/（Q-it）＼]i*-

K＼[Q/（Q-it）＼]it+Aexp（-Bit）（11）

Ebattcha=E0-K＼[Q/（01Q+it）＼]i*-

K＼[Q/（Q-it）＼]it+Aexp（-Bit）（12）

式中，Q為最大電池容量；it為電池實際放電容量；K為極化系數(shù)；A為指數(shù)放電區(qū)電壓值；B為指數(shù)區(qū)時間常數(shù)倒數(shù)[1416]。

蓄電池在滿充的情況下，電池的SOC為100%；在電量全部耗盡的情況下，電池的SOC為0%。SOC的計算公式為[11]

SOC=1001-1Q∫t0i（t）dt（13）

本文采用的蓄電池額定容量為25 A·h，額定電壓為288 V的鋰離子電池。蓄電池放電特性曲線如圖3所示。

1.3DC/DC變換器建模

由于燃料電池動態(tài)響應(yīng)慢，當(dāng)電流增大時，電壓減小，不適合直接帶負載。因此，需要合適的DC/DC變換器，使燃料電池的輸出電壓更加穩(wěn)定，從而滿足電機電壓的需求[1719]。由于燃料電池的電壓高于負載側(cè)電壓，所以采用電流控制的降壓電路。DC/DC變換器的仿真模型如圖4所示。

通過對燃料電池輸出效率分析可知，燃料電池系統(tǒng)在低功率區(qū)域和高功率區(qū)域效率都較低，同時由于燃料電池動態(tài)響應(yīng)緩慢的特性，功率波動對燃料電池系統(tǒng)的效率也會產(chǎn)生影響。因此，合理控制蓄電池的充放電功率，使燃料電池系統(tǒng)盡可能在輸出高效區(qū)工作，減少功率波動成為能量管理策略的重點。需充分考慮蓄電池使用壽命和安全性，使蓄電池的SOC控制在合理范圍內(nèi)。因此，引入燃料電池系統(tǒng)輸出功率節(jié)點PFCmin和PFCmax-PB（如圖2中所示）。燃料電池系統(tǒng)的最大輸出功率定義為PFCmax，蓄電池的充放電功率分別限制為PB和-PB；SOC的高低限值定義為SOCH和SOCL，將蓄電池的SOC分為3個區(qū)域：低SOC區(qū)（SOC<40%），正常SOC區(qū)（40%≤SOC≤80%），高SOC區(qū)（SOC>80%）；負載功率需求定義為PL。

控制策略根據(jù)不同的SOC狀況及負載功率需求，大致可分為14個狀態(tài)，其中為避免在SOC分點SOCH和SOCL處的波動及狀態(tài)的頻繁切換，設(shè)置狀態(tài)保持策略。當(dāng)SOC由正常區(qū)進入高SOC區(qū)時，將會持續(xù)采取高SOC區(qū)控制策略至SOC值小于78%，才恢復(fù)到正常區(qū)控制策略。同理，當(dāng)SOC由正常區(qū)進入低SOC區(qū)時，將會持續(xù)采取低SOC區(qū)控制策略至SOC值大于42%，才恢復(fù)到正常區(qū)控制策略。本文提出的控制策略如表5所示，由表5可以看出：

3仿真及結(jié)果分析

為測試該能量管理系統(tǒng)對燃料經(jīng)濟性的改善程度，本文在Matlab/Simulink環(huán)境下進行仿真模擬。為驗證跨SOC區(qū)時的狀態(tài)保持策略，更好地對比燃料消耗，分別將本文提出的能量管理策略和基于功率追蹤的能量管理策略應(yīng)用于同一燃料電池混合動力汽車，并在新歐洲行駛循環(huán)（new european driving cycle，NEDC）工況中的市區(qū)工況與郊外工況中進行模擬，蓄電池初始SOC選為736%。循環(huán)工況如圖6所示。基于功率追蹤控制的能量管理策略仿真曲線如圖7所示。由圖7可知，燃料電池的輸出功率以負載的需求功率為依據(jù)，蓄電池是在起步加速過程中提供瞬時功率來彌補燃料電池動態(tài)響應(yīng)慢的缺點，在減速剎車時回收再生制動產(chǎn)生的能量。

由圖8可以看出，通過蓄電池的充放電可以使燃料電池避免工作在低效率區(qū)域，同時在負載低功率時，燃料電池基本保持恒定輸出，大大減少了輸出功率的波動；在366 s時，蓄電池的SOC達到80%，此時將進入高SOC區(qū)，并執(zhí)行狀態(tài)保持策略，為使與基于功率追蹤控制策略的SOC值最終基本相等，在366 s后，持續(xù)執(zhí)行高SOC控制策略；在524 s時，汽車剎車產(chǎn)生的再生制動能量遠大于設(shè)定的蓄電池的充電功率限值，此時燃料電池系統(tǒng)輸出功率置為0，剎車電阻投入工作，消耗多余的能量，蓄電池的充電功率被限制在25 000 W，直到再生制動能量小于蓄電池的充電功率限值時，燃料電池又漸漸根據(jù)再生制動能量的具體情況投入工作，最后工作于PFCmin。

兩種能量管理策略仿真蓄電池SOC曲線和燃料消耗曲線如圖9和圖10所示，其中基于提出的EMS的SOC和燃料消耗最終值分別為76%和2198 g，基于功率追蹤控制的SOC和燃料消耗最終值分別為7572%和2286 g。通過數(shù)值對比可以發(fā)現(xiàn)，本文提出的能量管理系統(tǒng)最終的結(jié)果是蓄電池儲存的電能更高，而燃料消耗更小，因此具有更好的經(jīng)濟性。

結(jié)束語

本文根據(jù)純?nèi)剂想姵仄嚭图冸妱悠嚧嬖诘膬?yōu)缺點，設(shè)計仿真了燃料電池/蓄電池混合動力汽車，并根據(jù)燃料電池系統(tǒng)的輸出效率曲線，設(shè)計了一種新的燃料電池/蓄電池能量管理控制系統(tǒng)，并在Matlab/Sinulink環(huán)境下進行了仿真驗證。通過和基于功率追蹤的能量管理系統(tǒng)進行對比可以看出，本文所提出的控制策略可有效地減少燃料消耗，提高整車經(jīng)濟性。同時，能很好的保護蓄電池，提高整車安全性。該研究對混合動力汽車的功率分配問題具有指導(dǎo)意義。

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