燃料電池汽車用三輸入直流變換器能量管理策略

陳 禹，易靈芝，2，李濟君，李勝兵

（1.智能計算與信息處理教育部重點實驗室，湘潭 411105；2.湖南省風(fēng)電裝備與電能變換2011協(xié)同創(chuàng)新中心，湘潭 411101）

燃料電池汽車用三輸入直流變換器能量管理策略

陳 禹1，易靈芝1，2，李濟君1，李勝兵1

（1.智能計算與信息處理教育部重點實驗室，湘潭 411105；2.湖南省風(fēng)電裝備與電能變換2011協(xié)同創(chuàng)新中心，湘潭 411101）

本文提出一種新型非隔離三輸入雙向DC-DC變換器，將燃料電池、超級電容、蓄電池3個能量單元與直流母線連接，組成電動汽車新型混合動力系統(tǒng)。該變換器具有結(jié)構(gòu)精簡、可實現(xiàn)雙向的升降壓、輸入輸出電壓同極性、各種輸入源可單獨或同時向負載供電等優(yōu)點。將小波變換與模糊控制應(yīng)用于混合動力系統(tǒng)能量管理策略中，其中小波變換對負載功率需求信號進行實時處理，依據(jù)變化頻率進行能量分配，模糊控制對系統(tǒng)中能量流動進行管理。該方法可滿足車輛負載所需功率，同時改善系統(tǒng)性能，減少燃料消耗。通過在MATLAB中建模和仿真，驗證了理論分析的正確性和能量管理策略的有效性。

三輸入雙向DC-DC變換器；小波變換；模糊控制；燃料電池；燃料經(jīng)濟性

2003 年全球57%的石油消耗在交通領(lǐng)域，預(yù)計到2020年交通用油占全球石油總消耗的62%以上，汽車帶來的污染已經(jīng)對城市環(huán)境造成嚴重破壞[1-2]。因此研究節(jié)約能源、保護環(huán)境、降低排放污染物的汽車，成為世界各國共同關(guān)注的問題。由于燃料電池FC（fuel cell）具有輸出特性偏軟、瞬態(tài)響應(yīng)慢的特性，為適應(yīng)頻繁啟停的電動汽車工況，需提高系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)。FC供電系統(tǒng)需要配置輔助儲能裝置，如蓄電池和超級電容。開關(guān)磁阻電機的工作電壓一般很大，在實際應(yīng)用中必須采用電能變換環(huán)節(jié)作為輸入源與開關(guān)磁阻電機的中間環(huán)節(jié)。同時FC、蓄電池、超級電容的電壓在使用過程是變化的，如果直接驅(qū)動開關(guān)磁阻電機的工作電壓就不穩(wěn)定，所以中間環(huán)節(jié)也需要穩(wěn)壓裝置。汽車在行駛過程中所需電壓是變化的，而輸入源的電壓在一定時間范圍內(nèi)是相對穩(wěn)定的，所以也需要變換裝置提供變化的實時電壓來提高電機的驅(qū)動性能[3]。同時希望FC電動汽車能夠儲存汽車在制動或減速過程中回饋的能量提高汽車續(xù)航能力和能量利用的效率。因此，在儲能裝置和開關(guān)磁阻電機之間，必須增加多輸入雙向DC-DC變換器[4]。

本文提出一種三輸入雙向DC-DC變換器作為儲能裝置和開關(guān)磁阻電機的中間連接環(huán)節(jié)，每個輸入源與開關(guān)管組成模塊串聯(lián)連接，電路控制靈活，變換器能夠工作在多種運行模式下，在1個開關(guān)周期內(nèi)通過1個共同的電感和電容連接于直流母線，共用續(xù)流二極管、輸出濾波電感、電容，減小了變換器的成本和尺寸大小，同時這種結(jié)構(gòu)還減少了器件數(shù)量；提供了輸入源可同時或單獨向負載供電，功率密度高且電壓穩(wěn)定；在直流變換器的開關(guān)器件和二極管處反并聯(lián)二極管和開關(guān)器件，得到相應(yīng)的雙向直流變換器實現(xiàn)能源的回饋。

1 電路拓撲工作原理

三輸入DC-DC變換器如圖1所示。為了簡化分析其工作原理，做如下假設(shè)：①所有開關(guān)管、二極管均為理想器件；②電感、電容為理想元件。理想條件下，開關(guān)管采用相同開關(guān)頻率，儲能電感足夠大，電感電流工作在電流連續(xù)模式。V1、V2和V3分別代表FC、蓄電池、超級電容3個輸入源[5]。

圖1 三輸入雙向DC-DC變換器Fig.1 Three-input bidirectional DC-DC converter

圖3 正向單輸入升壓工作模式Fig.3 Work mode of positive single-input boost converter

如圖2所示，開關(guān)管的不同開關(guān)斷狀態(tài)使變換器工作在4種工作模式，包括正向單輸入升壓、正向多輸入升壓、反向單輸入降壓、反向多輸入降壓。4種工作模式如圖3～圖5所示。

（1）在t4時段里，輸入源V1單獨給負載提供能量。S2、S3關(guān)斷，S1導(dǎo)通，電流通過S1、L、S5、D3、D2工作在正向升壓模式，通過調(diào)節(jié)S5的占空比調(diào)節(jié)升壓幅值，S5關(guān)斷后經(jīng)D4向負載供電。

在t1、t2、t3時段里3個輸入源同時提供能量，在t1時段V1和V2同時給負載提供能量。S1導(dǎo)通，S2導(dǎo)通，電流通過S2、S1、L、S5工作在正向升壓模式，通過調(diào)節(jié)S5的占空比調(diào)節(jié)升壓幅值，S5關(guān)斷時經(jīng)D4向負載供電。t3時段V1、V2、V3同時提供能量，工作方式與t1、t2時段相似。

（2）在開關(guān)周期T2時段，可看作單輸入多輸出的變換器，因V1無法儲存回收的能量，始終導(dǎo)通。合理地控制的導(dǎo)通可使變換器單獨給1個輸入源或2個輸入源同時回饋能量。在t7時段，變換器工作在反向降壓模式，負載同時向V2、V3反饋能量。關(guān)斷，導(dǎo)通，負載流出的電流通過S4、L流向V2、V3，在關(guān)斷時電流通過L續(xù)流。

圖4 正向多輸入升壓工作模式Fig.4 Work mode of positive multi-inputs boost converter

圖5 反向降壓工作模式Fig.5 Work mode of reverse decompression

2 能源單元

1）燃料電池

FC在混合能源系統(tǒng)中是主電源，提供大部分負載功率需求。如圖6所示氫氧FC單元溫度為25℃時的理想伏安特性曲線，圖6中包含3種不可逆電壓降落：活化過電壓、歐姆過電壓、濃度過電壓。在低電流密度時，激活過電壓產(chǎn)生電壓降落。在高電流密度時，濃度過電壓產(chǎn)生更顯著的電壓降落。由于FC存在不可逆的電壓降落，實際電壓值可能低于理想值。因此FC工作在中間線性區(qū)域?qū)τ谡麄€系統(tǒng)效率很重要。

圖6 燃料電池極化曲線Fig.6 Polarization curve of fuel cell

式中：Ra為活化和濃度等效電阻之和；Vact為活化過電壓；VFC為FC電壓；Vconc為濃度過電壓；Vohmic為歐姆損失電壓；IFC為FC電流；ENernst為FC內(nèi)部能斯特瞬時電動勢。

在Matlab中搭建FC系統(tǒng)模型如圖7所示。由圖8可知，F(xiàn)C效率隨著輸出功率的變化而變化。為了提高經(jīng)濟性，應(yīng)確保FC系統(tǒng)可以工作在高效率區(qū)域。圖9顯示了該系統(tǒng)最大輸出功率約為30 kW，額定輸出功率約為20 kW。

如圖10所示，F(xiàn)C系統(tǒng)模型的極化曲線與實驗數(shù)據(jù)描點繪制的曲線基本相同，驗證了FC系統(tǒng)模型能較準確地反映FC系統(tǒng)特性。

圖7 燃料電池等效電路Fig.7 Equivalent circuit of fuel cell

圖8 燃料電池效率與輸出功率的關(guān)系Fig.8 Relationship between efficiency and output power of fuel cell

圖9 燃料電池功率與電流的關(guān)系Fig.9 Relationship between power and current of fuel cell

圖10 燃料電池極化曲線Fig.10 Polarization curve of fuel cell

2）超級電容

超級電容可以被許多等效電路替代，這里采用經(jīng)典的RC等效模型，等效模型如圖11所示。超級電容器的荷電狀態(tài)SOC（state of charge）為

式中：VSC是超級電容電壓；Vmax超級電容最大電壓；SOCSC超級電容荷電狀態(tài)。

圖11 超級電容等效模型Fig.11 Equivalent circuit of super capacitor

3 基于小波變換和模糊決策的能量管理

為實現(xiàn)高效的電動功率分配和制動能量回饋，多輸入雙向DC-DC變換器需要采用合理的控制方式，根據(jù)不同的負載情況來決定能量流動方向，從而確定雙向變換器的工作狀況。

三輸入直流變換器的控制策略需要實現(xiàn)兩大功能，保證輸出電壓穩(wěn)定和實現(xiàn)多個輸入源的功率分配。目前有許多能源管理技術(shù)應(yīng)用于混合動力車輛系統(tǒng)，這些策略只證明了其在提高效率上的有效性[6]，但不能保證在功率波動的情況下混合能源系統(tǒng)的安全性?；谛〔ㄗ儞Q和模糊決策的能量管理系統(tǒng)對城市循環(huán)工況的瞬態(tài)總功率進行實時捕捉，并由能量管理系統(tǒng)對總功率進行分配[7]。

圖12為某型FC混合動力汽車根據(jù)城市道路循環(huán)UDDS（urban dynamometer driving schedule）的速度變化而產(chǎn)生瞬態(tài)功率需求信號。小波變換可以在時域和頻域里提取信號信息，并且將其按照不同相位和尺度進行分解。功率需求是離散信號調(diào)用MATLAB中離散小波分解函數(shù)和重構(gòu)函數(shù)，將分解得到的近似低頻信號x0（n）傳輸給FC和蓄電池，F(xiàn)C不能吸收能量，近似低頻信號中包含的負功率信號傳輸給蓄電池，見式（4）。

式中：Pbat-ref為蓄電池需求功率；PFC-ref為燃料電池需求功率。

圖12 UDDS路況下功率需求Fig.12 Power demand under UDDS condition

圖13 燃料電池功率需求Fig.13 Power demand of fuel cell

僅采用小波變化還不足以使動態(tài)系統(tǒng)工作在最適合的范圍。為了保證蓄電池和超級電容能在加速時提供其余所需能量，在汽車剎車時充分吸收回饋能量。當(dāng)蓄電池和超級電容的SOC在正常值時，應(yīng)減少對FC功率的需求，調(diào)用蓄電池和超級電容補足其余功率需求。FC、蓄電池和超級電容的功率需求如圖13—圖15所示。采用模糊控制策略作為混合能源系統(tǒng)的控制方法?；谛〔ㄗ儞Q和模糊決策的能量管理系統(tǒng)如圖16所示，該系統(tǒng)將蓄電池和超級電容的SOC值作為模糊控制的輸入變量，這樣可減少燃料消耗[8]。模糊控制規(guī)則主要考慮電動加速、剎車減速兩種情況下功率的分配情況，模糊控制采用四輸入和兩輸出，經(jīng)小波變換得到的FC和蓄電池的功率參考信號以及蓄電池和超級電容的SOC值作為變量輸入。所用到模糊控制輸入輸出隸屬度函數(shù)如圖17所示。經(jīng)模糊控制確定蓄電池和FC之間的功率分配情況[9]，在滿足車輛動力性的前提下提高車輛的燃料經(jīng)濟性。

圖14 蓄電池功率需求Fig.14 Power demand of battery

圖15 超級電容功率需求Fig.15 Power demand of super capacitor

圖16 基于小波變換和模糊控制的能量管理系統(tǒng)Fig.16 Energy management system based on wavelet transform and fuzzy control

圖17 輸入輸出隸屬函數(shù)Fig.17 Membership functions of input and output

模糊控制規(guī)則：

（1）當(dāng)SOCbat是S，SOCSC是S

則PFC＞PFC-ref，Pbat＜Pbat-ref

（2）當(dāng)SOCbat是S，SOCSC是M

則PFC＞PFC-ref，Pbat＜Pbat-ref

（3）當(dāng)SOCbat是S，SOCSC是B

則PFC＜PFC-ref，Pbat＜Pbat-ref

（4）當(dāng)SOCbat是M，SOCSC是S

則PFC＞PFC-ref，Pbat＞Pbat-ref

（5）當(dāng)SOCbat是S，SOCSC是S

則PFC＞PFC-ref，Pbat＜Pbat-ref

（6）當(dāng)SOCbat是M，SOCSC是B

則PFC＜PFC-ref，Pbat＞Pbat-ref

（7）當(dāng)SOCbat是B，SOCSC是S

則PFC＜PFC-ref，Pbat＞Pbat-ref

（8）當(dāng)SOCbat是B，SOCSC是M

則PFC＜PFC-ref，Pbat＞Pbat-ref

（9）當(dāng)SOCbat是B，SOCSC是B

則PFC＜PFC-ref，Pbat＞Pbat-ref

SOCbat為蓄電池荷電狀態(tài)，SOCSC為超級電容荷電狀態(tài)，PFC為FC輸出功率，Pbat為蓄電池輸出功率。

4 系統(tǒng)仿真

在MATLAB/SIMULINK系統(tǒng)仿真中用30 kW Nedstack PS30 PEMC作為FC，F(xiàn)C選5～20 kW中有較高的效率。蓄電池型號為PanasonicNCR18650E鋰電池，每個電池電壓為3.6 V，容量為2 900 mAh，將電池30個電池先串聯(lián)為組后再并聯(lián)40組得到額定電壓為108 V，額定功率為12.5 kW，可滿足負載對蓄電池最大需求?？紤]超級電容需能供應(yīng)最大功率需求10 s，需74 Wh的電量，選用BMODO500 P016 B1型號超級電容，將3個超級電容串聯(lián)后再并聯(lián)，得到額定電壓48 V，334 F的超級電容組，其電量為108 Wh，滿足最大功率需求。如圖18所示，變換器輸出端電壓維持在220 V，輸出電壓穩(wěn)定。

圖18 變換器輸出端電壓Fig.18 Output voltage of three-input DC-DC converter

如圖19所示，其輸出功率與小波變換后需求功率基本一致，證明了能源控制策略能滿足工作路況下的功率需求，滿足了車輛在城市路況下的動力性。

圖19 三輸入雙向DC-DC變換器輸出功率Fig.19 Output power of three-input bidirectional bidirectional DC-DC converter

圖20（a）所示FC提供負載部分所需功率，滿足功率瞬態(tài)變化的需求，使其只工作在高效率區(qū)，提高了整個系統(tǒng)效率。圖20（b）所示，蓄電池幫助FC供應(yīng)穩(wěn)態(tài)下的負載需求和儲存低頻的回饋功率，減少了突變負載對蓄電池化學(xué)結(jié)構(gòu)的影響，為其提供了一個安全穩(wěn)定的運行環(huán)境，延長蓄電池使用壽命。圖20（c）所示，超級電容提供了所有負載瞬態(tài)變化所需的剩余功率和吸收了高頻的負功率。

圖20 輸出功率Fig.20 Output power

圖21和圖22為僅使用小波變換的能源控制策略，圖23和圖24為使用了小波變換加模糊控制的能源控制策略。兩者相比可以看出，本文采用的控制策略可以使蓄電池和超級電容SOC值維持在規(guī)定范圍，其能量回收可根據(jù)可儲存能源單元的實際情況，吸收回饋能量對其中任一個儲能單元進行充能。該控制策略可以確保在加速時有足夠的能量滿足負載所需功率，在只有小波變換的能量控制策略中，完成城市路況仿真需消耗0.063 31 kmol氫氣。在加入模糊控制策略后，僅消耗0.612 1 kmol氫氣，減少了燃料消耗，提高了燃料經(jīng)濟性。

圖21 基于小波變換的蓄電池SOCFig.21 SOC of battery based on wavelet transform

圖22 基于小波變換的超級電容SOCFig.22 SOC of super capacitor based on wavelet transform

圖23 基于小波變換和模糊控制的蓄電池SOCFig.23 SOC of battery based on wavelet transform and fuzzy control

圖24 基于小波變換和模糊控制的超級電容SOCFig.24 SOC of super capacitor based on wavelet transform and fuzzy control

5 結(jié)語

采用新型三輸入雙向DC-DC變換器作為FC電動汽車3個輸入源和負載之間的中間環(huán)節(jié)，通過基于小波變換和模糊決策的控制策略，避免了單獨使用小波變換時可能造成在加速階段超級電容和蓄電池沒有足夠能量供給和發(fā)電回饋階段能量吸收不充分的問題。仿真結(jié)果驗證了該能源控制策略的有效性和正確性。

[1]朱敏曄（Zhu Minye）.混合動力汽車模糊自適應(yīng)控制策略的研究（Fuzzy Adaptive Hybrid Vehicles Control Strategy）[D].上海：同濟大學(xué)電子與信息工程學(xué)院（Shanghai：College of Electronic and Information Engineering，Tongji University），2008.

[2]戴欣，袁越，王敏，等（Dai Xin，Yuan Yue，Wang Min，et al）.配網(wǎng)中電動汽車調(diào)度策略及其經(jīng)濟效益評估（Scheduling strategy and economic benefits evaluation of electric vehicles in distribution network）[J].電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報（Proceedings of the CSU-EPSA），2015，27（3）：42-47.

[3]謝軍，張興，張崇巍，等（Xie Jun，Zhang Xing，Zhang Chongwei，et al）.多輸入雙向DC-DC變換器在燃料電池系統(tǒng)的應(yīng)用（Multiple-input bidirectional DC-DC converter for fuel cell system applications）[J].太陽能學(xué)報（Acta Energiae Solaris Sinica），2011，32（4）：571-576.

[4]Kumar Lalit，Jain Shailendra.A multiple source DC/DC converter topology[J].International Journal of Electrical Power and Energy Systems，2013，51：278-291.

[5]Ahmadi Reza，F(xiàn)erdowsi Mehdi.Double-input converters based on H-bridge cells：Derivation，small-signal modeling and power sharing analysis[J].IEEE Trans on Circuits and Systems I，2012，59（4）：875-888.

[6]Li Qi，Chen Weirong，Li Yankun，et al.Energy management strategy for fuel cell battery ultracapacitor hybrid vehicle based on fuzzy logic[J].International Journal of Electrical Power&Energy Systems，2012，43（1）：514-525.

[7]Erdinc O，Vural B，Uzunoglu M.A wavelet-fuzzy logic based energy management strategy for a fuel cell battery ultra-capacitor hybrid vehicular power system[J].Journal of Power Sources，2009，194（1）：369-380.

[8]Kisacikoglu M C，Uzunoglu M，Alam M S.Load sharing using fuzzy logic control in a fuel cell ultracapacitor hybrid vehicle[J].International Journal of Hydrogen Energy，2009，34（3）：1497-1507.

[9]Hemia Hanane，Ghouili Jamel，Cheriti Ahmed.A real time fuzzy logic power management strategy for a fuel cell vehicle[J].Energy Conversion and Management，2014，80：63-70.

Energy Management Strategy for Fuel Cell Vehicle with Three-input DC-DC Converter

CHEN Yu1，YI Lingzhi1，2，LI Jijun1，LI Shengbing1
（1.Key Laboratory of Intelligent Computing&Information Processing of Ministry of Education，Xiangtan University，Xiangtan 411105，China；2.Wind Power Equipment and Power Conversion 2011 Collaborative Innovation Center，Xiangtan 411101，China）

A new three-input bidirectional non-isolated DC-DC converter is proposed in this paper.By connecting fuel cells，super capacitors and batteries with the DC bus，a new hybrid system used in an electric vehicle is constructed.With a streamlined structure，the converter can realize advantases such as bidirectional buckboost，the homopolarity of input and output voltages，and an input source that can individually or simultaneously supply the load.Wavelet transform and fuzzy logic are used in a hybrid energy management strategy，i.e.，the former processes the real-time power demand of load and distributes the energy based on frequency change，while the latter manages the energy flow in the system.This hybrid strategy can not only meet the power demand of the vehicle load，but also improve the system performance and reduce the fuel consumption.The theoretical analysis and the energy management strategy are verified through modeling and simulation in MATLAB.

three-input bidirectional DC-DC converter；wavelet transform；fuzzy control；fuel cell（FC）；fuel efficiency

TM92

A

1003-8930（2016）12-0042-07

10.3969/j.issn.1003-8930.2016.12.008

陳 禹（1991—），男，碩士研究生，研究方向為電動汽車能量控制系統(tǒng)。Email：chenyuzdh@126.com

易靈芝（1966—），女，博士，教授，研究方向為新能源發(fā)電系統(tǒng)。Email：ylzwyh@yahoo.com

李濟君（1989—），男，碩士研究生，研究方向為直流變換器研究。Email：157255841@qq.com

2014-08-27；

2016-01-18

國家自然科學(xué)基金資助項目（61572416）；湖南省教育廳平臺資助項目（14K095）；湖南省“十二五”重點學(xué)科“信息與通信工程”資助項目