FC+B電動汽車復(fù)合電源系統(tǒng)功率控制

劉珺，何承坤，王麗芳

（1.華東交通大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，江西 南昌330013；2.中國科學(xué)院 電工研究所，北京100190）

1 引言

隨著電動汽車研究不斷升溫，車載復(fù)合電源系統(tǒng)作為電動汽車的一項關(guān)鍵技術(shù)已成為研究熱點。 復(fù)合電源的功率管理決定了系統(tǒng)的性能、壽命與成本，復(fù)合電源功率分配是電動汽車能量管理策略研究的關(guān)鍵。 國內(nèi)外眾多研究人員對電動汽車復(fù)合電源進(jìn)行了廣泛研究。燃料電池（FC）被視為電動汽車電源的極佳選擇，但它外特性太軟不適于提供沖擊性負(fù)載而需要與其它電源組合構(gòu)成復(fù)合電源系統(tǒng)向汽車提供能量，功率蓄電池能提供大的瞬時功率但能量密度過小，兩者的特點恰恰能相互彌補，因而FC+B 復(fù)合電源方案被研究人員廣泛采用。

Domenico Di Domenico 等人采用FC+B 復(fù)合電源方案，采用解耦控制[1]。 Rovira i Virgili University 的C.A.Ramos 等人對燃料電池+蓄電池系統(tǒng)進(jìn)行研究，就燃料電池最小燃料消耗提出了最大功率點追蹤算法[2]。 L.Gao 等人 采用FC+B 的復(fù)合電源系統(tǒng)，當(dāng)功率需求較低時，F(xiàn)C 產(chǎn)生一個平均功率來向負(fù)載供電并向蓄電池充電；當(dāng)功率需求較高時，F(xiàn)C 以額定功率來向負(fù)載供電同時蓄電池放電[3]。 Andreas Schell 等人采用模糊控制法進(jìn)行控制，認(rèn)為模糊控制適應(yīng)性強(qiáng)，不需要精確的數(shù)學(xué)模型，它可以使復(fù)雜的FC-HEV 系統(tǒng)可行也更靈活[4]。文獻(xiàn)[5]采用解耦算法在保障蓄電池SOC 的情況下對燃料最小消耗進(jìn)行了研究。Di Wu，Sheldon S Williamson 對負(fù)載跟隨控制策略與等效燃料消耗最小策略（ECMS）進(jìn)行了分析比較[6]。

清華大學(xué)進(jìn)行了燃料電池混合動力汽車能量控制策略仿真研究，系統(tǒng)采用了燃料電池/蓄電池的能量提供方式[7]。 吉林大學(xué)研究在總功率一定的條件下，選取最優(yōu)的燃料電池和蓄電池的功率組合并在此最優(yōu)組合下以最小燃料消耗為目標(biāo)，優(yōu)化燃料電池和蓄電池等的主要工作參數(shù)[8]。武漢理工大學(xué)研究人員對燃料電池電動汽車多能源匹配控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計[9]。 同濟(jì)大學(xué)研究人員采用燃料電池/蓄電池的動力提供方案，提出了基于DC/DC 變換器電流控制方式和基于模糊決策的蓄電池恒荷電狀態(tài)控制的動力系統(tǒng)功率平衡控制算法[10-11]。 北京理工大學(xué)研究人員采用恒溫器控制策略對串聯(lián)型混合電動大客車進(jìn)行仿真研究[12-13]。

研究人員更多關(guān)注整車能量管理與經(jīng)濟(jì)性，利用控制算法降低車輛運行的等效最小燃料。 眾多研究在標(biāo)準(zhǔn)工況進(jìn)行測試，實驗中所測工況已知，通過事先制定各種規(guī)則進(jìn)行功率管理，因而往往針對某一工況具有很好的特性，其它工況表現(xiàn)稍差，而實際運行時工況往往事先并不可知。 本文針對FC+B 的電動汽車復(fù)合電源系統(tǒng)，從電氣角度出發(fā)，關(guān)注任意時刻各電源子系統(tǒng)的瞬時功率分配，實時處理任意工況下的功率分配。

2 復(fù)合電源驅(qū)動系統(tǒng)

本文研制開發(fā)了一款車用復(fù)合供電系統(tǒng)實驗臺用于車載復(fù)合電源進(jìn)行研究。 試驗臺分為2 部分：驅(qū)動部分與負(fù)載部分，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 試驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure scheme of test bench

性能不同的電源構(gòu)成的復(fù)合電源系統(tǒng)通過一定規(guī)則驅(qū)動一個直流電機(jī)——驅(qū)動電機(jī)，形成試驗臺的動力總成。 另外一個直流電機(jī)——負(fù)載電機(jī)通過聯(lián)軸器和驅(qū)動電機(jī)相連，它在驅(qū)動狀態(tài)下充當(dāng)發(fā)電機(jī)作用，此電機(jī)與其后的實驗臺負(fù)載系統(tǒng)相聯(lián)一起構(gòu)成驅(qū)動系統(tǒng)的負(fù)載，其中實驗臺負(fù)載系統(tǒng)可編程并實時變化以模擬車輛的功率與能量需求。

FC+B 車載復(fù)合電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 FC+B 復(fù)合電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 FC+B hybrid power supply system structure

燃料電池加單向DC-DC 即燃料電池變換器一起構(gòu)成燃料電池電源子系統(tǒng)，而蓄電池與雙向DC-DC 即蓄電池變換器構(gòu)成蓄電池電源子系統(tǒng)。此兩個子系統(tǒng)由驅(qū)動控制器控制一并構(gòu)成FC+B車載復(fù)合電源系統(tǒng)。

FC+ B 復(fù)合電源系統(tǒng)采用上下級控制管理方案，圖3為其示意圖。

圖3 FC+B 復(fù)合電源系統(tǒng)功率控制示意圖Fig.3 FC+B hybrid power control schematic diagram of the system

圖3中，控制器分為上下兩層，上層為驅(qū)動控制器，負(fù)責(zé)管理執(zhí)行層的功率分配；下層為執(zhí)行層，最終完成上層意圖，提供功率，并具備一定的獨立工作能力。 上下層級通過CAN 通訊方式進(jìn)行聯(lián)系。

FC 伏安外特性特別軟，當(dāng)電流增加時電壓下降較快且當(dāng)它工作于大電流工況時效率較低，因此穩(wěn)定FC 出力將是復(fù)合電源系統(tǒng)的工作目標(biāo)之一。 直流母線電壓穩(wěn)定有利于電機(jī)的控制，保持母線電壓在一定范圍內(nèi)變化。 燃料電池不適于沖擊性負(fù)載而加以限制，引入一階慣性濾波環(huán)節(jié)能有效地抑制其響應(yīng)變化率使FC 變換器只響應(yīng)低頻負(fù)荷需求，同時算法采用PI 控制算法。

3 瞬時功率控制

復(fù)合電源系統(tǒng)采用上下分層控制方案，即驅(qū)動控制器充當(dāng)上層控制器完成功率的分配計算，以CAN 通訊方式發(fā)令，下層的各個電源變換器子系統(tǒng)收到各自的給定量，充當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成最終的功率分配。 FC 變換器控制目標(biāo)為恒定直流母線電壓，對其功率輸出加入一階慣性濾波環(huán)節(jié)以抑制其響應(yīng)高頻負(fù)載，使其平穩(wěn)地提供能量。蓄電池變換器控制目標(biāo)為跟蹤給定電流。 蓄電池變換器對所有負(fù)載均響應(yīng)，不限制其功率輸出變化率。

式中：T=0.32 s；PL為負(fù)載需求功率；PFC為FC 變換器功率；PB為蓄電池變換器功率。

復(fù)合電源系統(tǒng)進(jìn)行車輛勻速運行模擬實驗，其跟蹤效果如圖4所示。

圖4 FC+B 復(fù)合電源系統(tǒng)勻速驅(qū)動跟蹤效果圖Fig.4 FC+B hybrid power uniform velocity driving trace effect of the system

圖4中虛線為車輛運行的實時需求，實線為實際值，此時母線電壓如圖5所示。

圖5 FC+B 復(fù)合電源系統(tǒng)勻速驅(qū)動母線電壓Fig.5 FC+B hybrid power bus voltage of the system in uniform velocity driving

FC+B 復(fù)合電源系統(tǒng)勻速驅(qū)動電源功率分配如圖6所示。 圖6中實線為FC 變換器輸出功率，點線為蓄電池變換器輸出功率，虛線為總功率需求。

圖6 FC+B 電源系統(tǒng)勻速驅(qū)動電源功率分配Fig.6 FC+B power allocation of power sources in uniform velocity driving

實驗結(jié)果可以看到在此控制方案下整個能量系統(tǒng)能滿足負(fù)載功率需求，而在功率需求平衡運行時，燃料電池變換器提供所有出力，而蓄電池變換器幾乎不工作，滿足系統(tǒng)控制目標(biāo)要求。

FC+B 復(fù)合電源系統(tǒng)進(jìn)行變功率運行其轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩參考值如圖7所示，F(xiàn)C+B 復(fù)合電源系統(tǒng)勻速驅(qū)動電源功率分配如圖8所示，圖8中實線為FC 變換器輸出功率，點劃線為蓄電池變換器的輸出功率，虛線為總的功率需求。 FC 變換器始終以慣性曲線形式提供功率而蓄電池變換器則承擔(dān)除此之外的負(fù)載功率不足部分。

圖7 FC+B 復(fù)合電源系統(tǒng)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩參考值Fig.7 FC+B hybrid power system rotate speed and torque reference values

圖8 FC+B 復(fù)合電源系統(tǒng)變功率電源功率分配Fig.8 FC+B hybrid power system allocation of power sources in variable power

將此控制算法用于進(jìn)行UDDS 工況運行的功率控制以測試其效果。 FC+B 復(fù)合電源系統(tǒng)ECE 工況測試如圖9所示。 EUDC 工況測試如圖10所示。 圖9、圖10中虛線為參考值而實線為跟蹤值。

圖9 FC+B 復(fù)合電源系統(tǒng)ECE 工況測試Fig.9 FC+B hybrid power system ECE work condition testing

圖10 FC+B 復(fù)合電源系統(tǒng)EUDC 工況測試Fig.10 FC+B hybrid power system EUDC work condition testing

實驗結(jié)果表明對于FC+B 復(fù)合電源系統(tǒng)，該控制方案下能穩(wěn)定的工作并且此系統(tǒng)能有效跟蹤車輛對功率的需求。 在此控制方案下當(dāng)功率變化時，F(xiàn)C 變換器的功率變化按照慣性延遲濾波特性進(jìn)行跟蹤變化，可以有效抑制其響應(yīng)高頻負(fù)載，從而滿足系統(tǒng)控制目標(biāo)要求。

4 結(jié)論

本文針對燃料電池（FC）+蓄電池（B）復(fù)合電源進(jìn)行瞬時功率研究，加入一階慣性延遲濾波環(huán)節(jié)對FC 進(jìn)行瞬時功率抑制使它僅響應(yīng)低頻負(fù)載，考慮到功率蓄電池具有很好的功率響應(yīng)特性，對其負(fù)載響應(yīng)特性未加限制。 復(fù)合電源系統(tǒng)采用上下級的兩級控制方案，即驅(qū)動控制器充當(dāng)上層控制器完成功率的分配計算，通過CAN 通訊的方式發(fā)令，下層的各個電源變換器子系統(tǒng)收到各自的給定量，充當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成最終的功率分配。 此方案可以有效抑制FC 高頻響應(yīng)，對FC進(jìn)行保護(hù)并確保它能平穩(wěn)工作并提高其工作效率與使用壽命，此方案對單片機(jī)的計算能力要求不高，有利于工程化實現(xiàn)。

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