燃料電池混合動(dòng)力汽車(chē)分層能量管理策略*

李楨輝，付主木，2?，陶發(fā)展，2

（1.河南科技大學(xué)信息工程學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471023；2.河南科技大學(xué)河南省機(jī)器人與智能系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽(yáng) 471023）

0 引言

燃料電池混合動(dòng)力汽車(chē)（Fuel Cell Hybrid Electric Vehicle，F(xiàn)CHEV）是最具有潛力的新能源汽車(chē)之一，具有無(wú)需充電、零排放、低噪音等特點(diǎn)，已成為世界各大汽車(chē)廠商競(jìng)相研發(fā)的熱點(diǎn)。由于其含有的多種能量源工作特性各不相同，因此，在循環(huán)工況下，如何有效分配各能量源的輸出，提高其部件效率，降低氫氣消耗，已成為目前的研究熱點(diǎn)。

針對(duì)雙能量源的能量分配問(wèn)題，Ahmadi 和Jiang 等［1-2］使用電池輔助燃料電池，依據(jù)電池SOC、負(fù)載功率、燃料電池效率變化規(guī)律，優(yōu)化燃料電池能量輸出，在提高燃料電池效率的同時(shí)，使電池SOC 值維持在一定的范圍。Payman 和Mane 等［3-4］使用超級(jí)電容輔助燃料電池，分析燃料電池效率、超級(jí)電容特性，設(shè)計(jì)燃料電池功率輸出以及超級(jí)電容的荷電狀態(tài)的參考值，提高燃料電池效率。對(duì)于三能源能量分配策略，Zandi、Paladini 和Garcir［5-7］使用電池和超級(jí)電容輔助燃料電池，依據(jù)燃料電池效率、電池SOC、超級(jí)電容特性，優(yōu)化燃料電池和電池功率輸出，并使電池SOC 維持在一定范圍內(nèi)，克服了雙能量源的局限性，提升了汽車(chē)的動(dòng)力性與舒適性，降低了氫燃料消耗，延長(zhǎng)了部件壽命。此外，等燃油消耗最小策略［8］、最優(yōu)化策略［9-10］、基于小波變換的策略［11］等也被用于三能源的能量管理中。

基于此，為簡(jiǎn)化三能源能量管理的控制難度，依據(jù)能量源在汽車(chē)動(dòng)力傳出體系中扮演角色的不同，將其劃分為兩層：主能量源與輔助能量源為上層，輔助能量源中的兩個(gè)能量存儲(chǔ)裝置為下層，提出一種分層能量管理策略。本文中主能量源為燃料電池，輔助能量源為電池和超級(jí)電容。上層依據(jù)電池的不同狀態(tài)，設(shè)計(jì)基于規(guī)則的能量分配策略，優(yōu)化燃料電池的功率輸出；下層依據(jù)電池SOC、超級(jí)電容特性，設(shè)計(jì)基于滑動(dòng)平均濾波能量分配策略，優(yōu)化電池的功率輸出。

1 FCHEV 結(jié)構(gòu)

FCHEV 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1 所示，燃料電池與單向DC/DC 串聯(lián)連接到功率總線上，電池和超級(jí)電容與雙向DC/DC 串聯(lián)連接到功率總線上。能量管理策略根據(jù)各動(dòng)力源工作特性以及負(fù)載功率的大小，調(diào)節(jié)單向DC/DC 和雙向DC/DC 進(jìn)而管理3 個(gè)能量源的功率輸出。

當(dāng)調(diào)節(jié)單向DC/DC，雙向DC/DC 時(shí)，三能量源可以組成不同的工作模式。當(dāng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)時(shí)，有以下工作模式：燃料電池單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，電池和超級(jí)電容單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，行車(chē)充電（燃料電池向電池和超級(jí)電容充電），三能源混合驅(qū)動(dòng)。當(dāng)汽車(chē)回收能量時(shí)，共有以下3 種工作模式：超級(jí)電容單獨(dú)回收能量，電池單獨(dú)回收能量，機(jī)械制動(dòng)。

圖1 FCHEV 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 FCHEV 分層能量管理設(shè)計(jì)

分層能量管理策略把對(duì)3 個(gè)能量源的能量管理問(wèn)題轉(zhuǎn)化為兩個(gè)對(duì)雙能量源的能量管理問(wèn)題。使用兩種能量管理策略，對(duì)所劃分的兩層分別設(shè)計(jì)能量分配策略，減輕控制難度，其分層能量管理框圖如圖2 所示。

圖2 分層能量管理策略圖

該策略劃分為上下兩層，上層能量管理策略根據(jù)燃料電池效率，結(jié)合電池SOC 值以及需求功率設(shè)計(jì)燃料電池的最優(yōu)輸出功率；剩余不足功率由電池和超級(jí)電容來(lái)提供，下層能量管理策略依據(jù)電池，超級(jí)電容特性、功率、電流限制等因素來(lái)分配電池和超級(jí)電容的輸出功率，使其輔助燃料電池工作在最優(yōu)區(qū)間。其圖中功率傳輸關(guān)系如式（1）所示。

式中，Preq表示汽車(chē)需求功率，Pess表示下層能量管理策略的需求功率，Pfc表示燃料電池輸出功率，Pb表示電池輸出功率，Psc表示超級(jí)電容輸出功率。

2.1 上層能量管理策略

先對(duì)燃料電池穩(wěn)態(tài)工作特性進(jìn)行分析，劃定燃料電池工作區(qū)域；然后，依據(jù)電池充放電內(nèi)阻特性分析，對(duì)其劃定不同工作狀態(tài)；最后，結(jié)合汽車(chē)負(fù)載功率，在不同的電池設(shè)計(jì)基于規(guī)則的能量分配策略，輸出燃料電池和下層能量管理策略的功率需求。

2.1.1 燃料電池工作效率分析

燃料電池作為主能量源在汽車(chē)運(yùn)行過(guò)程中提供穩(wěn)態(tài)能量，而且還要提供正常運(yùn)轉(zhuǎn)所需附屬組件的功率消耗，其燃料電池系統(tǒng)工作效率與輸出功率之間的關(guān)系如圖3 所示。

圖3 燃料電池穩(wěn)態(tài)工作效率圖

燃料電池最大效率為60 %，最大輸出功率為25 kW。為提高燃料電池效率，劃定燃料電池高效工作區(qū)，圖3 中Pfc_min，Pfc_max分別為燃料電池高效工作區(qū)的最小和最大輸出功率，Pfc_eff為燃料電池最大效率所對(duì)應(yīng)的功率輸出。為保證燃料電池工作在最優(yōu)工作區(qū)域，使燃料電池輸出功率工作在Pfc_min和Pfc_max之間。當(dāng)需求功率低于Pfc_min，燃料電池工作在Pfc_min，多余功率可以給輔助能量源來(lái)充電；當(dāng)需求功率大于Pfc_max時(shí)，使燃料電池工作在Pfc_max，不足功率由輔助能量源來(lái)提供。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)上層能量管理策略提高燃料電池效率。

2.1.2 電池充放電內(nèi)阻特性分析

該結(jié)構(gòu)采用鎳氫電池，電池型號(hào)為ESS_NIMH6。為能準(zhǔn)確估計(jì)鎳氫電池SOC 值，采用Advisor 中自帶的Rint 模型來(lái)模擬電池的運(yùn)行狀態(tài)，包括開(kāi)路電壓和電池內(nèi)阻與溫度、SOC 的關(guān)系，電池電流和輸出功率的計(jì)算，電流、功率限制等。其Rint 模型以及電池SOC 的求法參照文獻(xiàn)［12］。

Rint 模型中電池功率損耗主要消耗在電池等效內(nèi)阻上面，電池等效內(nèi)阻的大小與電池SOC、溫度有關(guān)，相比電池SOC 來(lái)說(shuō)溫度影響較小，因此，忽略溫度影響、鎳氫電池充放電內(nèi)阻與SOC 的關(guān)系，如圖4，當(dāng)電池SOC 工作在0.4～0.7 時(shí)，充放電內(nèi)阻較低，此時(shí)電池工作效率最高。因此，本文將不同階段的SOC值定義為不同的狀態(tài)，如圖4 可劃分為：充電狀態(tài)、最優(yōu)狀態(tài)、放電狀態(tài)。為避免能量管理策略在狀態(tài)切換點(diǎn)處來(lái)回切換，本文引入一個(gè)磁滯環(huán)，如圖5 所示。

實(shí)線表示電池放電曲線、虛線表示電池充電曲線。電池充電時(shí)，當(dāng)SOC＞0.6 時(shí)為放電模式，當(dāng)0.45＜SOC≤0.6 時(shí)為平衡模式，當(dāng)SOC≤0.45 時(shí)為充電模式；電池充電時(shí)，當(dāng)SOC＞0.65 時(shí)為放電模式，當(dāng)0.5＜SOC≤0.65 為平衡模式，當(dāng)SOC≤0.5 時(shí)為充電模式。通過(guò)設(shè)計(jì)帶有磁滯環(huán)的狀態(tài)切換曲線可避免在切換點(diǎn)附近波動(dòng)，提高電池利用效率。

圖4 鎳氫電池充放電曲線

圖5 鎳氫電池工作狀態(tài)切換曲線

2.1.3 燃料電池最優(yōu)功率輸出

上兩節(jié)對(duì)燃料電池穩(wěn)態(tài)工作特性和電池高效工作區(qū)間進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上根據(jù)負(fù)載功率的不同設(shè)計(jì)燃料電池最優(yōu)功率輸出。

1）放電狀態(tài)

當(dāng)處于放電狀態(tài)時(shí)，電池SOC 值較高，根據(jù)負(fù)載功率的大小，此時(shí)燃料電池和能量存儲(chǔ)裝置功率輸出如下：

當(dāng)需求功率Preq≤Pfc_min時(shí)，此時(shí)，上層能量管理策略如下：

當(dāng)需求功率Pfc_min＜Preq≤Pfc_eff時(shí)，此時(shí)，上層能量管理如下：

當(dāng)需求功率Pfc_eff＜Preq時(shí)，此時(shí)，上層能量管理如下：

2）最佳狀態(tài)

當(dāng)處于最佳狀態(tài)，電池SOC 值適中，根據(jù)負(fù)載功率的大小，此時(shí)燃料電池和能量存儲(chǔ)裝置功率輸出如下：

當(dāng)需求功率Preq≤Pfc_eff時(shí)，此時(shí)，上層能量管理策略如下：

當(dāng)需求功率Pfc_eff＜Preq≤Pfc_max時(shí)，此時(shí)，上層能量管理如下：

當(dāng)需求功率Pfc_max＜Preq時(shí)，此時(shí)，上層能量管理如下：

3）充電狀態(tài)

當(dāng)處于充電狀態(tài)，電池SOC 值較小，根據(jù)負(fù)載功率的大小，此時(shí)燃料電池和能量存儲(chǔ)裝置功率輸出如下：

當(dāng)需求功率Preq≤Pfc_min時(shí)，此時(shí)，上層能量管理策略如下：

當(dāng)需求功率Pfc_min＜Preq≤Pfc_max-Pb_mc時(shí)，此時(shí)，上層能量管理如下：

式中，Pb_mc表示電池的最大充電功率。

當(dāng)需求功率Pfc_max-Pb_mc＜Preq≤Pfc_max時(shí)，此時(shí)，上層能量管理如下：

當(dāng)需求功率Pfc_max＜Preq時(shí)，此時(shí)，上層能量管理如下：

2.2 下層能量管理策略

上節(jié)設(shè)計(jì)了燃料電池的最優(yōu)功率輸出，而剩余功率則由電池和超級(jí)電容提供。電池和超級(jí)電容特點(diǎn)不同，電池能量密度較高，但功率密度低，且不適合大電流沖擊；超級(jí)電容卻功率密度高，循環(huán)壽命長(zhǎng)，但能量密度低。下層能量管理策略就是要融合電池和超級(jí)電容的優(yōu)點(diǎn)，合理分配其功率輸出滿足需求功率。另外，電池和超級(jí)電容還可回收汽車(chē)再生制動(dòng)能量。

2.2.1 驅(qū)動(dòng)模式

電池和超級(jí)電容向外輸出能量，利用超級(jí)電容瞬時(shí)大功率放電的特點(diǎn)輸出Pess的峰值部分功率，輔助電池進(jìn)行平穩(wěn)能量輸出，起到“削峰填谷”的作用。采用滑動(dòng)平均濾波對(duì)電池和超級(jí)電容的功率輸出進(jìn)行分配，由于超級(jí)電容僅能提供大約30 s～40 s的峰值功率，因此，將滑動(dòng)平均濾波的窗口大小設(shè)置為30，來(lái)對(duì)Pess進(jìn)行濾波。按照先進(jìn)先出（FIFO）原則，把一串連續(xù)的數(shù)據(jù)看作一個(gè)隊(duì)列，隊(duì)列的長(zhǎng)度固定為30，新數(shù)據(jù)放入隊(duì)尾，并舍棄原來(lái)隊(duì)首的一次數(shù)據(jù)。求解隊(duì)列中的30 個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)平均值作為輸出項(xiàng)。當(dāng)其對(duì)輔助能量源Pess進(jìn)行濾波時(shí)，電池輸出功率如式（12）。

式中，t 為當(dāng)前運(yùn)行時(shí)間。

剩余不足功率由超級(jí)電容提供，如式（13）所示：

2.2.2 能量回收模式

此時(shí)，輔助能量源回收再生制動(dòng)能量。由于再生制動(dòng)產(chǎn)生能量有限，且瞬時(shí)功率較大，為此，采用特性較軟的超級(jí)電容優(yōu)先回收能量，功率分配策略如下：

式中，SOCb表示電池荷電狀態(tài)，SOCsc表示為超級(jí)電容荷電狀態(tài)。

3 仿真及對(duì)比分析

為驗(yàn)證本文提出的分層控制策略的有效性，在MATLAB/Simulink 和Advisor 聯(lián)合環(huán)境下進(jìn)行仿真。驗(yàn)證該策略的有效性。在燃料電池混合動(dòng)力汽車(chē)的BD_FUELCELL 模型的基礎(chǔ)上，添加超級(jí)電容來(lái)實(shí)現(xiàn)三能源的仿真實(shí)驗(yàn)，如下頁(yè)圖6 所示。

燃料電池、電池、超級(jí)電容通過(guò)DC/DC 變換器連接到功率總線上，通過(guò)上下兩層能量管理策略來(lái)管理三能量源能量輸出，并將三能量源的實(shí)際輸出功率傳輸給電機(jī)進(jìn)行反饋。在此模型上面，利用UDDS（美國(guó)城市循環(huán)工況）+HWFET（高速循環(huán)工況）聯(lián)合測(cè)試工況，對(duì)分層能量管理策略和Advisor自帶能量管理策略進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)比。FCHEV 仿真參數(shù)如表1 所示。

圖6 燃料電池混合動(dòng)力汽車(chē)系統(tǒng)模型

表1 燃料電池混合動(dòng)力汽車(chē)動(dòng)力電池參數(shù)配置

電池和超級(jí)電容初始SOC 值設(shè)為0.7。以能量分配策略的合理性和氫燃料消耗最小為性能指標(biāo)對(duì)分層能量給管理策略和Advisor 自帶的能量管理策略進(jìn)行仿真結(jié)果對(duì)比，如圖7 所示。

圖7（a）和圖7（b）分別表示分層能量管理策略、Advisor 自帶能量管理策略在UDDS+HWFET 路況下需求功率和復(fù)合電源輸出功率的大小。由圖7（a）可知，汽車(chē)啟動(dòng)，燃料電池尚未啟動(dòng)完成時(shí)，暫由電池和超級(jí)電容來(lái)提供能量，燃料電池啟動(dòng)完成時(shí)，將作為主能量源來(lái)持續(xù)提供能量；當(dāng)汽車(chē)運(yùn)行在UDDS 工況時(shí)，此時(shí)需求功率比較低，電池SOC 較高，運(yùn)行在放電模式，當(dāng)運(yùn)行到1 370 sHWFET 工況時(shí)，此時(shí)電池SOC 下降切換至最佳狀態(tài)，燃料電池輸出功率增加；在此過(guò)程當(dāng)中電池在平均需求功率大的時(shí)候提供穩(wěn)定功率輸出，超級(jí)電容及時(shí)補(bǔ)充瞬時(shí)增大的功率需求。由圖7（b）可知，采用Advisor 功率跟隨能量管理策略使燃料電池依據(jù)此刻電池SOC 值時(shí)刻跟隨需求功率的變化，燃料電池功率浮動(dòng)范圍較大，且不考慮燃料電池工作效率；電池則承擔(dān)了大部分的峰值功率，超級(jí)電容僅在需求功率超出燃料電池和電池提供功率時(shí)開(kāi)始工作。

圖7 能量管理仿真對(duì)比結(jié)果圖

分層能量管理策略相比Advisor 自帶的功率跟隨能量管理策略，增加了對(duì)電池運(yùn)行狀態(tài)的判斷，使燃料電池在不同的運(yùn)行狀態(tài)下最大程度地工作在高效率區(qū)域，然后對(duì)輔助能量源電池和超級(jí)電容進(jìn)行能量管理，利用各自工作特性不但滿足需求功率，而且延長(zhǎng)復(fù)合電源的使用壽命。對(duì)比圖7（a）～圖7（b）可知，燃料電池輸出波動(dòng)減小，工作效率提升，電池輸出平穩(wěn)，僅在需求功率大時(shí)輸出能量，超級(jí)電容承擔(dān)了峰值功率，工作更加頻繁，有利于“削峰填谷”使燃料電池、電池輸出能量趨于平穩(wěn)。由以上所述，分層能量管理策略使燃料電池和電池工作輸出能量更加平穩(wěn)，超級(jí)電容承擔(dān)峰值功率，相比Advisor 自帶的能量管理策略，能量分配更加合理。另外，不同能量管理策略下燃料電池工作效率、電池工作效率、耗氫量等數(shù)據(jù)仿真結(jié)果對(duì)比如表2 所示。

表2 各動(dòng)力部件運(yùn)行效率對(duì)比

相比Advisor 自帶的能量管理策略，在分層能量管理策略下燃料電池工作效率提升0.17%，電池平均工作效率持平，耗氫量減少了4.37 %，由此可知，分層能量管理策略能合理分配復(fù)合電源的能量輸出，延長(zhǎng)復(fù)合電源實(shí)用壽命，降低氫氣消耗量。

5 結(jié)論

1）對(duì)于FCHEV，分析燃料電池、電池、超級(jí)電容動(dòng)態(tài)工作特性，根據(jù)能量源工作的類(lèi)型和種類(lèi)劃定FCHEV 的工作模式。2）設(shè)計(jì)分層控制策略，上層根據(jù)電池的工作模式，優(yōu)化燃料電池的輸出功率；下層根據(jù)電池和超級(jí)電容的工作特性，設(shè)計(jì)了滑動(dòng)平均濾波器，使電池平穩(wěn)輸出能量。該策略合理分配了燃料電池、電池、超級(jí)電容三能量源的功率輸出，提高工作效率，降低氫氣消耗量。3）仿真結(jié)果分析表明，與Advisor 自帶管理策略相比，在UDDS+HWFET 工況下燃料電池效率提升了0.17%，電池工作效率相持平，耗氫量提升了4.37%，有效提升了動(dòng)力部件的利用效率，減少了氫氣消耗量。

燃料電池混合動(dòng)力汽車(chē)在運(yùn)行時(shí)超級(jí)電容通常被設(shè)計(jì)成時(shí)刻滿電狀態(tài)，如何優(yōu)化超級(jí)電容的使用，將是后續(xù)研究工作的重點(diǎn)。