燃料電池混合動(dòng)力叉車能量控制策略研究?

贠海濤，徐煜超，蘇俊龍

(青島理工大學(xué)汽車與交通學(xué)院，山東青島266520)

0 引言

隨著柴油和液化石油氣等化石燃料變得更加稀缺和昂貴，由可再生資源生產(chǎn)的氫氣作為一種補(bǔ)充能源使持續(xù)供給成為可能[1?3]．質(zhì)子交換膜燃料電池由于其零排放、工作溫度低和功率密度高的優(yōu)點(diǎn)被認(rèn)為是應(yīng)用在汽車上的最佳選擇[4,5]．在電動(dòng)汽車中燃料電池既可以作為獨(dú)立的系統(tǒng)，也可以與蓄電池或超級(jí)電容器等其他能量源進(jìn)行混合使用．混合動(dòng)力可以顯著提高整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)在不同方面的性能，如可以降低燃料電池成本，將燃料電池從負(fù)載波動(dòng)中分離以及利用牽引電機(jī)進(jìn)行再生能量回收．因此，燃料電池混合動(dòng)力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)非常適用于平均功率需求較低同時(shí)負(fù)載動(dòng)態(tài)相對(duì)較高的地方[6?8]．

叉車作為一種重要的物料搬運(yùn)車，被廣泛應(yīng)用于倉庫、配送中心等各種場所．近年來，燃料電池在叉車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用被認(rèn)為是一個(gè)潛在的短期市場．從低排放的角度來看，由于叉車的環(huán)保和二氧化碳減排所帶來的效益要比汽車大的多，所以燃料電池在叉車上的使用也比汽車更集中，使用氫氣作為燃料的叉車每輛一年減少的二氧化碳排放量相當(dāng)于大約八輛汽車一年的二氧化碳排放．此外，叉車經(jīng)常被用于氫燃料補(bǔ)給站和基礎(chǔ)設(shè)施集中的局部地區(qū)．除了對(duì)環(huán)境友好，氫氣相對(duì)于柴油和壓縮天然氣有更高的利用率，這也極大地降低了運(yùn)營成本．另一方面，燃料電池驅(qū)動(dòng)叉車的壽命是蓄電池驅(qū)動(dòng)叉車壽命的三倍，從而可以消除因更換電池而產(chǎn)生的能量損失．叉車在整個(gè)運(yùn)行過程中，燃料電池可以產(chǎn)生恒定的電壓并保持恒定功率的輸出．叉車操作員可以通過位于倉庫中的氫氣站方便靈活地補(bǔ)充氫氣，在3分鐘或更少的時(shí)間內(nèi)為他們的叉車加注燃料．

通過閱讀查閱文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)只有很少的論文能解決燃料電池與蓄電池混合動(dòng)力叉車動(dòng)力系統(tǒng)的問題．有些針對(duì)叉車系統(tǒng)的文獻(xiàn)，研究了兩種三方混合動(dòng)力系統(tǒng)，包括燃料電池、電池和超級(jí)電容器[9]．仿真結(jié)果表明，使用了超級(jí)電容器的動(dòng)力系統(tǒng)，燃料電池的負(fù)載變化顯著降低．但超級(jí)電容器的使用將會(huì)增加系統(tǒng)成本和系統(tǒng)控制的復(fù)雜性[10,11]．

本文對(duì)燃料電池與蓄電池混合動(dòng)力叉車的動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行了研究和開發(fā)．低溫的質(zhì)子交換膜燃料電池能夠輸出平均負(fù)載功率，并在蓄電池剩余電量不足時(shí)給蓄電池充電，而蓄電池將處理所有的負(fù)載變化以增加系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)同時(shí)保護(hù)燃料電池防止電壓過高．本文設(shè)計(jì)了燃料電池和蓄電池混合動(dòng)力叉車的結(jié)構(gòu)，對(duì)燃料電池系統(tǒng)、電池系統(tǒng)和直流-直流變換器等主要單元的特性進(jìn)行分析，然后分別闡述了電池和電壓控制的能量管理策略，并通過仿真驗(yàn)證該策略，最后通過給出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證分析和設(shè)計(jì)的有效性.

1 燃料電池混合動(dòng)力叉車結(jié)構(gòu)

本文所設(shè)計(jì)的燃料電池混合動(dòng)力叉車動(dòng)力，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，叉車由燃料電池與蓄電池混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)采用燃料電池作為主動(dòng)力源，蓄電池作為輔助動(dòng)力源，在燃料電池預(yù)熱階段和所有動(dòng)態(tài)過程提供動(dòng)力．燃料電池與蓄電池混合系統(tǒng)的技術(shù)規(guī)格如表1所示．

圖1 燃料電池與蓄電池混合動(dòng)力叉車系統(tǒng)框圖

表1 技術(shù)規(guī)格

1.1 燃料電池系統(tǒng)

在這種混合動(dòng)力系統(tǒng)中，燃料電池僅向負(fù)載提供平均功率，并且當(dāng)蓄電池的SOC（電池剩余電量，代表的是電池使用一段時(shí)間或長期擱置不用后的剩余容量與其完全充電狀態(tài)的容量的比值，常用百分?jǐn)?shù)表示）較低時(shí)向蓄電池組充電.燃料電池的輸出電壓和輸出電流的關(guān)系曲線如圖2所示．一般來講，對(duì)于燃料電池本身輸出功率越低，效率越高．然而，設(shè)備的平衡使燃料電池系統(tǒng)在低功率下運(yùn)行效率低，因此燃料電池系統(tǒng)將在沒有任何功率輸出的情況下變?yōu)榇龣C(jī)狀態(tài)以保持相對(duì)較高的系統(tǒng)效率．此外，為了避免高電壓造成的損害，燃料電池只能在滿功率到總功率20%的區(qū)間中運(yùn)行．

圖2 燃料電池終端電壓與輸出電流的關(guān)系曲線

1.2 電池

在燃料電池啟動(dòng)或者叉車起升、加速、再生制動(dòng)等負(fù)載變化引起電流快速變化時(shí)，蓄電池被用來提供負(fù)載變化所需功率.在實(shí)際試驗(yàn)中，有7個(gè)100Ah的鉛酸電池連接在直流母線上．在仿真中，電池的瞬時(shí)SOC用估算方法估計(jì)出來，即通過電池初始的電量減去電池的電流的積分即用掉的電量．

式中ηbatt代表電池效率，在充電和放電過程中，電池效率的定義不同；C代表標(biāo)準(zhǔn)電池容量；ibatt為瞬時(shí)電池電流．

1.3 DC-DC變換器

由于燃料電池的可變輸出電壓以及可變直流母線電壓(電池電壓)，需要一個(gè)能提高或降低其輸出電壓的DC-DC變換器來調(diào)節(jié)和管理燃料電池系統(tǒng)的輸出功率．實(shí)際試驗(yàn)中有10個(gè)分離的直流轉(zhuǎn)換器單元[12,13]，用一個(gè)特殊的方式連接在一起以調(diào)節(jié)燃料電池的輸出電壓與蓄電池電壓相匹配．這里的DC-DC變換器采用平均電流控制，所以從系統(tǒng)控制的角度來看，帶有DC-DC變換器的燃料電池可以看成是可控電流源．

2 混合動(dòng)力系統(tǒng)能量控制策略

一般來說，燃料電池驅(qū)動(dòng)叉車的控制系統(tǒng)可以分為三層:

(1)組件層：燃料電池設(shè)備平衡管理、DC-DC轉(zhuǎn)換器調(diào)節(jié)、蓄電池充電控制、牽引和液壓泵電動(dòng)機(jī)控制以及制動(dòng)電阻控制．

(2)電力/能量管理層：這一層主要用來實(shí)現(xiàn)電池剩余電量的控制，燃料電池的輸出功率，以及負(fù)載和能源之間的能量平衡．

(3)監(jiān)管層：它包括用戶界面、通信、系統(tǒng)監(jiān)控和保護(hù)．

關(guān)于燃料電池混合驅(qū)動(dòng)叉車功率調(diào)節(jié)的簡化框圖如圖3所示．燃料電池作為一個(gè)交互的電力調(diào)節(jié)系統(tǒng)來使用，這樣燃料電池就可以免受任何負(fù)載動(dòng)力的損害．在這個(gè)圖中不同的能量被定義并表示(PBOP代表輔助設(shè)備的功率，Vfc代表DC-DC變換器的電壓，ifc代表DC-DC變換器的電流，Pfc代表燃料電池的功率，Pdc代表DC-DC變換器的功率，Pload代表負(fù)載所需功率，Pbat代表蓄電池的功率)．以下是兩種不同能量控制策略的研究．

圖3 混合動(dòng)力系統(tǒng)的簡化框圖

2.1 SOC控制方案

如圖4框圖所示(Pfc代表燃料電池的功率，Pdc代表DC-DC變換器的功率，PBOP代表輔助設(shè)備的功率，Pload代表負(fù)載所需功率，Pbat代表蓄電池的功率，Vbat代表蓄電池的電壓，ibat代表蓄電池的電流)，無論叉車負(fù)載功率是多少，控制器依據(jù)SOC實(shí)際值和SOC參考值決定是否進(jìn)行再生能量回收或燃料電池是否來給電池充電：如果SOC低于SOCref，叉車進(jìn)行再生能量回收，電池充電電流參數(shù)為正值，燃料電池給電池充電，所請求的充電功率被轉(zhuǎn)化為燃料電池的功率/電流參數(shù)，并且在SOC過低時(shí)要求更高的功率，反之亦然；如果SOC高于SOCref，燃料電池電流/功率參數(shù)降低為零．因此，負(fù)載中瞬時(shí)狀態(tài)的變化改變了燃料電池的功率參數(shù)．然而由于燃料電池的設(shè)備平衡，燃料電池不能有效地響應(yīng)瞬態(tài)條件，因此蓄電池提供所有的負(fù)載變化所需能量．

2.2 電池電壓控制方案

在這個(gè)方案中，添加了電壓控制回路，如圖5所示(Pfc代表燃料電池的功率，Vfc代表燃料電池的電壓，PBOP代表輔助設(shè)備的功率，Pload代表負(fù)載所需功率，Pbat代表蓄電池的功率，Vbat代表蓄電池的電壓，ibat代表蓄電池的電流，Vdc代表DC-DC變換器的電壓)，GPI,fc和GvP,bat分別代表從燃料電池電流到功率和從電池功率到電壓的轉(zhuǎn)換函數(shù)．電池的開路電壓和內(nèi)部電阻Rbat是剩余電量SOC的函數(shù)，此函數(shù)可以由制造商提供的數(shù)據(jù)確定．通過電壓控制，電池電壓的反饋回路會(huì)有效地補(bǔ)償電池電壓下降；車輛當(dāng)前能量消耗的前向反饋可以確保對(duì)急劇能量消耗的快速計(jì)算．電壓控制就是根據(jù)電池實(shí)際電壓和動(dòng)態(tài)的參考電壓Vref,bat決定燃料電池是否給電池充電或進(jìn)行再生能量回收，電池參考電壓較低時(shí)，允許更多的再生能量被輸送到電池或燃料電池給電池充電；車輛不運(yùn)動(dòng)，參考電壓較高時(shí)，不會(huì)進(jìn)行再生能量回收，同時(shí)燃料電池也不會(huì)給電池充電．對(duì)于燃料電池，需要一個(gè)轉(zhuǎn)換速率的限制功能；在控制器的每次初始化之前，根據(jù)一個(gè)在一定電流范圍內(nèi)離線定義的允許電流斜率表重新計(jì)算堆棧功率輸出的一組邊界，以保證燃料電池在最大效率點(diǎn)附近工作．

圖4 電池剩余電量控制方案框圖

圖5 電池電壓控制方案框圖

3 仿真實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1 仿真模型的建立

根據(jù)燃料電池混合動(dòng)力叉車的結(jié)構(gòu)、整車參數(shù)以及所匹配的主要部件的參數(shù)和工作原理，建立基于Matlab/Simulink的如圖6所示的燃料電池混合動(dòng)力叉車整車前向仿真模型．整車仿真模型包括動(dòng)力系統(tǒng)模型（燃料電池、蓄電池、DC-DC變換器、電機(jī)）、駕駛員與循環(huán)工況模型、整車動(dòng)力學(xué)模型、起升裝置模型和整車控制器模型．對(duì)于整車控制器模型，分別建立了基于SOC控制的控制器模型和基于電壓控制的控制器模型；在其他模型等條件相同的情況下，分別使用兩種控制器模型進(jìn)行仿真，以此對(duì)SOC控制和電壓控制策略進(jìn)行分析，仿真所需的整車參數(shù)如表2所示．

表2 整車參數(shù)

3.2 仿真循環(huán)工況

VDI代表“德國工程師協(xié)會(huì)”，其制定的循環(huán)工況是比較不同叉車燃料消耗的公認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)．VDI循環(huán)是叉車必須在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成一組任務(wù)的情況下定義的物理軌跡.然而，在實(shí)際操作中，叉車不同的使用方式通常會(huì)產(chǎn)生不同的影響，特別是駕駛員操作方式所帶來的影響.VDI循環(huán)用來在仿真中模擬負(fù)載變化，比較不同的系統(tǒng)控制方案．一個(gè)VDI 2198循環(huán)的功耗簡圖如圖7所示．

圖6 燃料電池混合動(dòng)力叉車仿真模型

圖7 一個(gè)VDI 2198循環(huán)

3.3 仿真結(jié)果分析

基于SOC控制的仿真結(jié)果如圖8和圖9所示．具體來說，圖8上半部分顯示的分別是恒定不變的SOCref和調(diào)整后不斷變化的SOC；圖8下半部分顯示的是負(fù)載功率Pload，電池功率Pbat，燃料電池功率參數(shù)(虛線)和燃料電池實(shí)際輸出功率Pfc．我們可以看到，由于燃料電池的最大緩變率有限，燃料電池功率的參考值和實(shí)際輸出之間有明顯的差別，這限制了燃料電池的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，但有效地提高了燃料電池的壽命．蓄電池組作為功率緩沖單元，用來補(bǔ)充所需負(fù)載功率和實(shí)際燃料電池功率之間的功率差，從而對(duì)混合系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，SOC也會(huì)被完全控制．此外，監(jiān)管系統(tǒng)還可以對(duì)參考信號(hào)的變化做出反應(yīng)，如圖9所示的仿真結(jié)果，當(dāng)SOCref從0.5躍升至0.8，電池的SOC也會(huì)跟隨SOCref變化而變化．

圖8 SOC控制方案仿真結(jié)果(SOCref=0.8)

圖9 SOC調(diào)整：SOCref從0.5上升到0.8

然而，這種SOC控制策略的缺點(diǎn)是:1）只是將剩余電量定義為允許充電的唯一因素，忽略了溫度、分層和硫酸鹽化作用等重要因素的影響；2）剩余電量的估計(jì)不夠可靠.這種控制的有效性很大程度上取決于實(shí)際的電池剩余電量的估計(jì)，但在叉車上使用電池時(shí)，很難精確估計(jì)出剩余電量；3）根據(jù)負(fù)載情況的不同，電池電壓會(huì)有很大的起伏，這對(duì)電池的使用是有害的.從圖8中可以看出，由于燃料電池的響應(yīng)遲緩，仿真結(jié)果并不理想，來自負(fù)載的再生能量和來自燃料電池的能量導(dǎo)致電池的電壓很高，而電池電流卻不能快速下降.因此，在實(shí)際中，需要使用電池電壓控制.

基于電壓控制的仿真結(jié)果如圖10所示，滿足負(fù)載功率和混合動(dòng)力系統(tǒng)輸出功率平衡這一個(gè)基本要求，同時(shí)驗(yàn)證了該控制方案的有效性．與SOC的控制方法相比較，從圖11所示的波形圖中可以看出電池電壓的過沖和下沖受到限制．但電池SOC控制比電池電壓控制有更嚴(yán)重的變化，唯一可以調(diào)節(jié)電池電壓的控制自由度是燃料電池輸出功率，這意味著燃料電池必須提供一些動(dòng)態(tài)響應(yīng)來調(diào)節(jié)電池電壓；否則不能滿足功率平衡的要求．由于這個(gè)原因，在電壓控制中比在SOC控制中能更好的利用燃料電池上下電流斜率限制功能．

圖10 混合動(dòng)力系統(tǒng)的功率跟隨曲線

圖11 比較兩種控制方案的電池電壓：SOC控制(虛線)和電壓控制(實(shí)線)

圖12 測量波形

根據(jù)以上提出的電壓控制方法，研制并測試了2.5T叉車的燃料電池和蓄電池混合動(dòng)力系統(tǒng)．測量波形如圖12所示，其中所有的值被標(biāo)準(zhǔn)化為

從圖12(e)中可以看出，制動(dòng)電阻器被開啟和關(guān)閉，以保護(hù)電池由于高再生功率而免受過壓．電壓控制方案可以有效地調(diào)節(jié)電池電壓，限制電壓的過沖和下沖．

4 結(jié)論

本文研究了一種應(yīng)用于叉車上的燃料電池/蓄電池混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng).針對(duì)系統(tǒng)的能量管理策略進(jìn)行了研究，即電池SOC控制和電池（直流母線）電壓控制.在這兩種控制方案中，SOC被定義為允許電池充電/放電功率的唯一因素且在叉車中電池的實(shí)際SOC很難估計(jì)，此外，在SOC的控制方案中沒有考慮到溫度、分層和健康狀況等其他非常重要的影響因素.電池電壓控制可以在不同的操作環(huán)境和電池狀態(tài)（例如硫化、分層和溫度等）下，特別是當(dāng)負(fù)載中產(chǎn)生較大的再生能量時(shí)，能夠更有效地抑制直流總線電壓過沖，以確保系統(tǒng)在任何負(fù)載下的正常運(yùn)行.

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