基于實(shí)時(shí)小波變換的燃料電池混合動力船舶能量管理策略

張澤輝，陳輝，高海波，管聰

1 武漢理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，湖北 武漢 430063

2 武漢理工大學(xué) 高性能艦船技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430063

3 南開大學(xué) 軟件學(xué)院，天津 300350

0 引 言

近些年，能源和環(huán)境問題日益受到社會的關(guān)注，清潔能源在船舶領(lǐng)域的應(yīng)用逐步成為行業(yè)研究的熱點(diǎn)[1-2]。燃料電池混合動力船舶，不僅能夠滿足船舶在機(jī)動、續(xù)航力、節(jié)能、噪聲與振動控制等方面的性能需求，而且能夠?qū)崿F(xiàn)零排放[3-5]。

混合動力系統(tǒng)是燃料電池船舶的核心部分，其中能量管理策略是研究混合動力船舶的關(guān)鍵技術(shù)之一。能量管理策略可以分為兩類：基于規(guī)則的能量管理策略和基于智能優(yōu)化算法的能量管理策略?；谝?guī)則的能量管理策略是指通過設(shè)定能量管理規(guī)則，根據(jù)功率需求、電池荷電狀態(tài)范圍及電源特性等信息，來控制混合動力系統(tǒng)的工作模式。Han等[5]提出了根據(jù)電池的荷電狀態(tài)和功率需求信息制定能量管理策略，利用蓄電池實(shí)現(xiàn)對燃料電池輸出功率的“削峰填谷”，盡可能使燃料電池工作在高效率工作區(qū)間內(nèi)，從而提高整個(gè)動力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。Feroldi等[6]以太陽能、風(fēng)能與燃料電池組合而成的混合動力系統(tǒng)為研究對象，設(shè)計(jì)了基于狀態(tài)機(jī)的混合動力系統(tǒng)能量管理策略。張澤輝等[7]通過分析功率需求數(shù)據(jù)，對基于頻率控制的復(fù)合電源，進(jìn)行了超級電容選型與控制參數(shù)優(yōu)化。Abeywardana等[8]采用低通濾波器對功率需求信號進(jìn)行分頻處理，并設(shè)定規(guī)則用于控制電池功率輸出與超級電容的電量控制。從研究結(jié)果可知，基于規(guī)則的能量管理策略的主要優(yōu)點(diǎn)在于控制邏輯簡單可靠，易于應(yīng)用到實(shí)際工程中，然而，其對動力系統(tǒng)狀態(tài)變化的適應(yīng)性差，而且規(guī)則制定還依賴于工程師的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。而基于智能優(yōu)化算法是指采用類似動態(tài)規(guī)劃、機(jī)器學(xué)習(xí)與最優(yōu)控制等方法構(gòu)建能量管理策略。在此研究領(lǐng)域，楊澤鑫等[9]提出了一種考慮船舶電力系統(tǒng)運(yùn)行限制和溫室氣體排放限制的能量管理優(yōu)化策略，以最小消耗為目標(biāo)，采用差分進(jìn)化算法，對船舶的航速、發(fā)電機(jī)組的功率分配進(jìn)行了優(yōu)化；Kanellos等[10]首先分析了全電力推進(jìn)船舶電力系統(tǒng)的運(yùn)行工況，然后提出了一種以船舶運(yùn)行成本及溫室氣體排放量最小為目標(biāo)，同時(shí)兼顧船舶電力系統(tǒng)運(yùn)行的全局優(yōu)化能量管理方法；Chen等[11]通過深入分析混合動力系統(tǒng)，利用動態(tài)規(guī)劃對電池電流進(jìn)行優(yōu)化，提高了燃油的經(jīng)濟(jì)性；Song等[12]提出了不同溫度和放電深度下的電池壽命退化模型，并通過動態(tài)規(guī)劃算法優(yōu)化了不同狀態(tài)下的復(fù)合電源功率分配。這類算法能夠明顯提高混合動力系統(tǒng)的性能水平。然而，智能算法的復(fù)雜度相對較高，較難用于實(shí)船控制中。

綜上所述，目前基于燃料電池混合動力船舶的能量管理控制策略鮮有成熟的控制方案。因此，本文將以燃料電池混合動力系統(tǒng)為研究對象，提出一種基于實(shí)時(shí)小波變換的能量管理策略，以實(shí)現(xiàn)對燃料電池混合動力船舶的優(yōu)化控制，并構(gòu)建混合動力系統(tǒng)仿真模型，對能量管理控制算法進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

1 燃料電池混合動力船舶

1.1 目標(biāo)船型

研究能量管理策略，首先需要對功率需求進(jìn)行分析。在汽車混合動力研究領(lǐng)域，科研人員通常使用汽車的各種測試工況（例如歐洲ECE+EUDC，日本JC08，美國FTP75等）對混合動力汽車的能量管理策略和設(shè)備選型進(jìn)行研究。然而，船舶的用途不同，其工況也大不相同，迄今在船舶領(lǐng)域尚無類似汽車行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)工況。因此，本文采用世界上第一艘燃料電池混合動力渡船Alsterwasserk號的工況數(shù)據(jù)，對能量管理策略進(jìn)行了研究。如圖1所示，2008年Alsterwasser號燃料電池混合動力渡船在漢堡的阿爾斯特湖投入使用，該船的設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示[5]。

圖 1 Alsterwasser號燃料電池混合動力船F(xiàn)ig. 1 Alsterwasser hybrid fuel cell driven ship

表 1 Alsterwasser號參數(shù)Table 1 Parameters of Alsterwasser

該船舶的4個(gè)主要工況如圖2所示。在正常航行時(shí)（第1階段和最后階段），船舶功率需求波動緩慢；當(dāng)靠港時(shí)，功率需求波動劇烈，在較短的時(shí)間內(nèi)功率需求從0～100 kW變化多次；當(dāng)舶靠岸時(shí)，由于此時(shí)船舶在接送乘客，推進(jìn)系統(tǒng)沒有任何能量消耗；當(dāng)舶離港時(shí)，船舶由靜止?fàn)顟B(tài)加速到巡航速度，功率需求達(dá)到峰值。該曲線包含了渡輪的多種狀態(tài)，具有一定的代表性，目前已經(jīng)被廣泛用于混合動力船舶的仿真研究。

圖 2 燃料電池混合動力渡船的功率需求曲線Fig. 2 Power demand curve of the hybrid fuel cell driven ship

1.2 動力系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

本文采用復(fù)合電源替代原船動力系統(tǒng)中的蓄電池作為儲能系統(tǒng)，復(fù)合電源由超級電容與動力電池組成，模擬改裝后的動力系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。圖中：Pfc為燃料電池功率；Vfc為燃料電池電壓；VDC為母線電壓；Pload為負(fù)載功率。將原船蓄電池模擬改裝為復(fù)合電源后，需要對復(fù)合電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行選擇。

圖 3 燃料電池混合動力系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig. 3 The topology of hybrid fuel cell power system

復(fù)合電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通?？煞譃?種類型：被動式、主動式和半主動式[10]。不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有不同的能量效率、控制方法以及購置成本，因此需要根據(jù)具體的使用場景，選擇合適的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。被動式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為超級電容與動力電池直接并聯(lián)到直流母線上，因此結(jié)構(gòu)形式簡單，不需要設(shè)計(jì)復(fù)合電源控制策略，但是其功率分配由電池與超級電容自身電特性所決定，不能進(jìn)行控制。主動式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為超級電容與動力電池都經(jīng)DC/DC電壓變換器接入直流母線，通過控制DC/DC從而控制超級電容與動力電池的輸出功率，但是此拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的設(shè)備成本高、控制算法復(fù)雜且能量效率較低。半主動式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中有2種模式，分別為超級電容經(jīng)DC/DC與電池并聯(lián)、電池經(jīng)DC/DC與超級電容并聯(lián)。其中，前一種模式的優(yōu)點(diǎn)是能夠使用DC/DC對超級電容進(jìn)行升壓，從而提高超級電容的利用率，但是對DC/DC的控制算法要求比較高；后一種模式對控制DC/DC的控制算法要求較低，但是超級電容由于直接接入直流母線，其利用率比較低。因此，本文選用了超級電容經(jīng)DC/DC升壓后與電池并聯(lián)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[12]，其中燃料電池為主電源，復(fù)合電源為輔助電源。復(fù)合電源中的蓄電池為穩(wěn)壓源，其燃料電池系統(tǒng)中的DC/DC工作在電壓源模式，而控制超級電容的DC/DC工作在電流源模式。

2 混合動力系統(tǒng)建模

2.1 燃料電池模型

本文使用Motapon等[13]提出的動態(tài)質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）堆棧模型，該模型結(jié)合了化學(xué)模型和電氣模型的特點(diǎn)，忽略了電極內(nèi)動態(tài)反應(yīng)的流體，被廣泛用于燃料電池動力系統(tǒng)的仿真研究。該燃料電池模型輸出電壓Vfc為

式中：Eoc為燃料電池的開路電壓，V；Vact為活化電壓損失，V；Vohm為歐姆電壓損失，V?；罨妷簱p失Vact和歐姆電壓損失Vohm分別由下式計(jì)算。

式中：Tslope為塔費(fèi)爾斜率；ifc為燃料電池輸出電流，A；i 為交換電流，A；Td為燃料電池響應(yīng)時(shí)間，s；rohm為燃料電池內(nèi)阻，Ω；s為拉普拉斯算子。

式（1）中Eoc值大小與電勢有關(guān)，可由下式計(jì)算：

式中：kc為電壓常數(shù)；En為燃料電池的電勢，并可由下式計(jì)算。

2.2 DC/DC仿真模型

DC/DC仿真模型通?？梢苑譃楦綦x型和非隔離型。隔離型DC/DC相比于非隔離型DC/DC具有更好的升壓性能，適合用于控制超級電容充放電，實(shí)現(xiàn)超級電容與直流母線電氣隔離，因此本文復(fù)合電源中選用了隔離型雙向DC/DC。根據(jù)文獻(xiàn)[5]，燃料電池系統(tǒng)采用的是非隔離型DC/DC。隔離型電壓變換器按其原邊電路結(jié)構(gòu)可分為：正激式、反激式、半橋式與全橋式；按副邊電流結(jié)構(gòu)可分為：半波整流、全波整流、全橋整流和倍流整流[14]。全橋變換器與其他拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)類型的電壓變換器相比，其電力電子開關(guān)器件的電壓與電流應(yīng)力小，容易實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)。然而，這種結(jié)構(gòu)需要的電力電子開關(guān)器件數(shù)量較多，功率損耗較大。根據(jù)船舶實(shí)際使用情況，本文采用全橋式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在Matlab/Simulink仿真環(huán)境下，搭建全橋式隔離型雙向DC/DC仿真模型（圖4）。隔離型雙向DC/DC電壓變換器采用移相控制方法對輸出電壓進(jìn)行控制。

圖 4 隔離型雙向DC/DC仿真模型Fig. 4 Isolated bidirectional DC/DC simulation model

2.3 復(fù)合電源模型

半主動式復(fù)合電源拓?fù)淙鐖D5所示，超級電容經(jīng)過DC/DC電壓變換器后與動力電池并聯(lián)接入到直流母線上，共同承擔(dān)復(fù)雜波動。超級電容對外輸出功率可以通過控制DC/DC實(shí)現(xiàn)，并且超級電容的工作電壓范圍較大，能夠較充分地使用超級電容。

圖 5 半主動式復(fù)合電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig. 5 Topology of semi-active hybrid energy storage system

本文采用經(jīng)典的電池等效電路模型[14]，該模型通過使用電壓極化項(xiàng)，刻畫荷電狀態(tài)（state of charge，SoC）對電池特性的影響，同時(shí)使用低通濾波器來提高模型的穩(wěn)定性。電池模型的充電與放電公式為：

式中：Ns為超級電容串聯(lián)個(gè)數(shù)；Np為超級電容并聯(lián)個(gè)數(shù)；Ne為超級電容電極層數(shù)；ε為材料介電常數(shù)；ε0真空介電常數(shù)；Ai為電極和電解質(zhì)之間的界面面積，m2；QT為電荷量；d 為分子半徑；c 為摩爾濃度；Rsc為超級電容內(nèi)阻；isc為超級電容電流。

2.4 可控負(fù)載模型

為了便于研究，本文將電力推進(jìn)系統(tǒng)負(fù)載等效為圖6所示的可控負(fù)載模型，用于模擬電力系統(tǒng)功率需求。將所采集的歷史功率需求曲線與電力系統(tǒng)中母線直流實(shí)時(shí)電壓相除，所得到的電流值輸入至可控電流源，從而模擬載荷功率的需求電流。

圖 6 負(fù)載的等效仿真模型Fig. 6 Equivalent simulation model of load

3 基于實(shí)時(shí)小波變換的能量管理策略

能量管理策略由3個(gè)部分構(gòu)成，分別為實(shí)時(shí)小波變換、儲能設(shè)備電量控制與電源保護(hù)策略。基于實(shí)時(shí)小波變換的能量管理策略的結(jié)構(gòu)框圖如圖7所示。圖中：Sbat為電池荷電狀態(tài)；Sbat_ref為電池荷電狀態(tài)設(shè)定值；Vsc為超級電容電壓；Vsc_ref為超級電容設(shè)定電壓；Pbat_ref為電池輸出功率設(shè)定值；Pfc_ref為燃料電池輸出功率設(shè)定值；Psc_ref為超級電容輸出功率設(shè)定值。首先對動力系統(tǒng)的功率信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，然后采用基于小波變換的算法對功率信號進(jìn)行處理，功率需求的低頻部分輸入至燃料電池功率控制模塊，功率需求的高頻部分輸入至復(fù)合電源功率分配模塊；同時(shí)采用PI算法對儲能設(shè)備的電量進(jìn)行控制，其充電功率輸入至燃料電池功率控制模塊；最后輸出燃料電池、鋰電池與超級電容的功率設(shè)定值。圖8所示為能量管理策略算法在Matlab/Simulink仿真環(huán)境中的實(shí)現(xiàn)。

圖 7 能量管理策略結(jié)構(gòu)Fig. 7 Energy management strategy structure

圖 8 能量管理策略仿真控制圖Fig. 8 Simulation control diagram of energy management strategy

3.1 滑動窗口

本文采用滑動窗口（Sliding window）的方法實(shí)現(xiàn)基于小波變換的實(shí)時(shí)能量管理策略?；瑒哟翱谑侵改軌蚋鶕?jù)指定的單位長度來框住時(shí)間序列，從而計(jì)算框內(nèi)的統(tǒng)計(jì)指標(biāo)，相當(dāng)于一個(gè)固定長度的滑塊在刻度尺上滑動，每滑動一個(gè)單位即可反饋滑塊內(nèi)的數(shù)據(jù)。由于Mallat算法要求進(jìn)行小波變換時(shí)數(shù)據(jù)量需為2的整數(shù)次冪，所以在線濾波中最新的數(shù)據(jù)數(shù)量也一定為2的整數(shù)次冪。假設(shè)時(shí)間窗口設(shè)定的數(shù)據(jù)量為2p個(gè)(p為正整數(shù))，同時(shí)設(shè)i時(shí)刻已采集到的數(shù)據(jù)序列為a1，a2，…，ai，采用滑動窗口法的實(shí)時(shí)濾波具體步驟如下：

1)當(dāng)i＜2p時(shí)，由于采樣的數(shù)據(jù)量小于滑動窗口所需的數(shù)據(jù)量，所以不進(jìn)行小波變換操作，輸出值即為當(dāng)前時(shí)刻的采樣值ai。

4)在此之后，對第3個(gè)步驟進(jìn)行重復(fù)。

圖9所示為滑動窗口的工作過程，滑動窗口內(nèi)的數(shù)據(jù)隨著傳感器信號的采集而進(jìn)行更新，同時(shí)對窗口內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行小波變換，將變換后最后一個(gè)值作為實(shí)時(shí)小波變換的輸出。滑動窗口的尺度大小會對小波變換的效果產(chǎn)生影響，本文需要盡量將功率中的高頻信號過濾掉，從而優(yōu)化燃料電池的工作過程。如果滑動窗口尺度較小，則過濾高頻信號的效果較差；如果滑動窗口尺度較大，將會增加算法復(fù)雜度。因此，滑動窗口尺度大小應(yīng)在保證信號濾波水平的前提下盡可能小，從而提高數(shù)據(jù)處理的速度。本文經(jīng)過多次仿真調(diào)試，時(shí)間尺度大小選擇為16。

圖 9 滑動窗口工作過程Fig. 9 Sliding window working process

3.2 小波變換

通過小波變換從滑動窗口內(nèi)的信息進(jìn)行提取，依據(jù)不同相位和尺度進(jìn)行分解。船舶功率需求是離散信號，通過使用離散小波分解函數(shù)與重構(gòu)函數(shù)將離散功率需求信號（一維）分解到不同的分解層，離散小波變換公式與其逆變換公式分別如下：

相比于其他常見的小波，Haar小波的母函數(shù)具有在時(shí)域中的濾波跨度最短、小波變換與其逆變換相同的優(yōu)點(diǎn)，由于這些特性使得Haar小波變換在現(xiàn)實(shí)控制系統(tǒng)中更容易實(shí)現(xiàn)。在簡化程序的組成并進(jìn)一步提高程序執(zhí)行效率的情況下，可將Haar小波表達(dá)式寫為

圖 10 小波分解與重構(gòu)模型Fig. 10 Wavelet decomposition and reconstruction model

因?yàn)槿剂想姵刂荒軐ν廨敵龉β?，不能吸收能量，所以根?jù)式（12）設(shè)定燃料電池承擔(dān)低頻信號的正功率部分，復(fù)合電源承擔(dān)負(fù)的功率部分，同時(shí)分解出的高頻功率需求部分也由復(fù)合電源承擔(dān)。

3.3 復(fù)合電源功率分配

本文采用文獻(xiàn)[7]提出的復(fù)合電源功率控制策略，該控制策略主要由支持向量機(jī)（Support vector machine, SVM）和低通線性濾波器組成。SVM對船舶工況進(jìn)行識別，選擇相應(yīng)的濾波器從而對復(fù)合電源中的電源進(jìn)行控制。復(fù)合電源所承擔(dān)功率需求被濾波器分為高頻部分與低頻部分，高頻部分由超級電容承擔(dān)，低頻部分由鋰電池承擔(dān)。船舶處在定速工況時(shí)，選擇1號低通濾波器；船舶處在機(jī)動工況時(shí)，選擇2號低通濾波器。定速航行與機(jī)動情況下所選擇的低通濾波器分別為：

式中：T1，T2為濾波器時(shí)間常數(shù)。通過調(diào)整濾波器時(shí)間常數(shù)T的大小可以控制船舶動力系統(tǒng)的功率分配，時(shí)間常數(shù)的數(shù)值越大，功率需求通過低通濾波器的高頻分量越少。

3.4 儲能設(shè)備電量控制

復(fù)合電源中電池組和超級電容的電量狀態(tài)采用傳統(tǒng)PI控制方法。如圖11所示，鋰電池電量PI控制的輸入為電池設(shè)定SoC與電池實(shí)時(shí)監(jiān)測SoC的差值，輸出為動力電池充電功率Pcharge_bat。

圖 11 電池電量控制策略Fig. 11 Battery energy control strategy

文獻(xiàn)[8]指出，控制超級電容電量時(shí)，采用控制超級電容電壓的方式優(yōu)于控制超級電容SoC的方式。如圖12所示，超級電容電量PI控制的輸入為設(shè)定電容電壓與實(shí)時(shí)監(jiān)測電容電壓的差值，輸出是電容充電功率Pcharge_sc。

圖 12 超級電容電量控制策略Fig. 12 Supercapacitor energy control strategy

2個(gè)PI環(huán)節(jié)的參數(shù)可參考文獻(xiàn)[8]，當(dāng)在船舶功率需求波動較大時(shí)，電量PI控制對濾波器功率分配控制的影響可以忽略不計(jì)；當(dāng)船舶功率需求波動較小時(shí)，該控制方法可以實(shí)現(xiàn)對鋰電池和超級電容的充放電量控制，從而使電池與超級電容電量維持在合理范圍內(nèi)。

3.5 儲能設(shè)備保護(hù)

復(fù)合電源中的動力電池如果低電量時(shí)依然繼續(xù)放電，會極大地?fù)p害電池；如果電池處于高電量還繼續(xù)充電，則可能會引起電池?fù)p壞甚至自燃[16-17]。復(fù)合電源中的超級電容如果低電量依然繼續(xù)放電，會對DC/DC電壓變換器工作造成影響，進(jìn)而影響到整個(gè)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性；如果超級電容在高電量時(shí)依然繼續(xù)充電，則可能引起超級電容爆炸，十分危險(xiǎn)。因此在實(shí)際使用復(fù)合電源系統(tǒng)時(shí)，需要設(shè)計(jì)復(fù)合電源保護(hù)策略。

一般而言，鋰電池正常工作的SoC值區(qū)間為0.2～0.8，此區(qū)間鋰電池電壓特性曲線比較平滑，超級電容正常工作區(qū)間一般為額定電壓值的0.5～0.9[18]。因此，設(shè)定當(dāng)鋰電池低于SoC值下限時(shí)，停止放電，進(jìn)入充電模式，當(dāng)鋰電池高于SoC值的80%時(shí)停止充電；當(dāng)超級電容低于工作電壓值下限時(shí)，停止放電，進(jìn)入充電模式，當(dāng)其達(dá)到額定電壓的80%時(shí)停止充電。超級電容與蓄電池充電功率是由燃料電池提供的，燃料電池輸出功率為Pfc=min[Pload+Pcharge_bat+Pcharge_sc, Pfcmax]。

4 仿真實(shí)驗(yàn)

如圖13所示，在Matlab/Simulink環(huán)境下建立了燃料電池混合動力系統(tǒng)仿真模型，包括燃料電池系統(tǒng)、復(fù)合電源、可控負(fù)載以及混合動力系統(tǒng)能量管理策略。圖中：Vbus為母線電壓；Vbat為電池電壓；Ibat為電池電流；Isc為超級電容電流；Iload為負(fù)載電流；Vrefdc1為電壓變換器設(shè)定電壓。復(fù)合電源選用文獻(xiàn)[19]中優(yōu)化的參數(shù)，將目標(biāo)船型的功率需求作為輸入信號，通過所建立的仿真模型進(jìn)行多組仿真實(shí)驗(yàn)。

圖 13 燃料電池混合動力系統(tǒng)仿真模型Fig. 13 Simulation model of hybrid fuel cell power system

4.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果一

將所提出的基于小波變換的能量管理策略與文獻(xiàn)[5]所提出的基于規(guī)則的能量管理策略進(jìn)行對比，仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖14～圖17所示。圖14為在基于實(shí)時(shí)小波變換與基于規(guī)則的能量管理策略控制下的燃料電池輸出功率曲線。由圖可以看出，船舶在機(jī)動運(yùn)行時(shí)，采用基于小波變換的能量管理策略控制的燃料電池功率輸出較為平緩，功率需求的低頻部分由燃料電池承擔(dān)，功率需求的高頻部分由復(fù)合電源系統(tǒng)承擔(dān)，從而能夠延長燃料電池的使用壽命。

基于實(shí)時(shí)小波變換的能量管理策略與基于規(guī)則的能量管理策略控制下的動力電池輸出功率曲線如圖15所示。由圖15可以看出，在船舶機(jī)動運(yùn)行時(shí)，與基于規(guī)則的能量管理策略相比，基于小波變換的能量管理策略控制下的電池輸出功率較為平緩，較大程度地降低了電池功率波動。由圖16可以看出，復(fù)合電源中的超級電容通過自身快速充放電，優(yōu)化了電池工作電流，因此鋰電池的使用壽命能夠得到延長。

基于實(shí)時(shí)小波變換的能量管理策略與基于規(guī)則的能量管理策略控制下的直流母線電壓波動曲線如圖17所示。由圖17可以看出，在船舶機(jī)動運(yùn)行時(shí)，與基于規(guī)則的能量管理策略相比，基于小波變換的能量管理策略控制下的母線電壓波動較為平緩，提高了燃料電池混合動力系統(tǒng)的電能質(zhì)量。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果二

將所提出的能量管理策略與根據(jù)文獻(xiàn)[8]所設(shè)計(jì)的Filter能量管理策略進(jìn)行對比，結(jié)果如圖18～圖20所示。由圖可以看出，2種控制策略控制燃料電池輸出功率的效果相近。但是Filter能量管理策略采用的是固定濾波器，不能根據(jù)船舶工況變化進(jìn)行相應(yīng)改變，因此在船舶機(jī)動運(yùn)行時(shí)，電池輸出功率波動較大，會導(dǎo)致電池使用壽命縮短，未能很好地使用超級電容。

圖 20 不同控制策略下的超級電容輸出功率Fig. 20 The output power of supercapacitor under different control strategies

4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果三

本文所設(shè)計(jì)的能量管理策略中，雖然采用了PI控制實(shí)時(shí)對復(fù)合電源的電量進(jìn)行補(bǔ)償，但是依然需要考慮電池或超級電容電量不足的情況。鑒此，分別仿真了電池電量不足、超級電容電量不足以及兩者電量都不足時(shí)各電源的工作情況。如圖21所示，當(dāng)超級電容電量低時(shí)，燃料電池對超級電容進(jìn)行充電，設(shè)定為充電至其額定電壓的80%停止。由圖可以看出，隨著超級電容電壓的升高，其充電功率逐步減小。圖22所示為電池電量低時(shí)，燃料電池對蓄電池進(jìn)行充電，設(shè)定為充電至電池SoC達(dá)到80%停止，由圖可以看出，其充電功率先增加而后限功率充電。圖23所示為蓄電池與超級電容電量都不足時(shí)，整個(gè)電力系統(tǒng)進(jìn)行降功率工作。

圖 21 超級電容電量不足時(shí)各設(shè)備輸出功率曲線Fig. 21 Output power curves of power source when supercapacitor energy is insufficient

圖 22 電池電量不足時(shí)各設(shè)備輸出功率曲線Fig. 22 Output power curves of power source when batteries energy is insufficient

圖 23 復(fù)合電源電量不足時(shí)各設(shè)備輸出功率曲線Fig. 23 Output power curves of power source when energy of the hybrid energy storage system is insufficient

5 結(jié) 語

針對燃料電池混合動力船舶中燃料電池動態(tài)響應(yīng)性能差、電特性軟以及使用壽命短等問題，提出了一種基于實(shí)時(shí)小波變換的混合動力系統(tǒng)船舶能量管理策略。為此，基于Matlab/Simulink仿真軟件，搭建了燃料電池混合動力系統(tǒng)仿真模型，并進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。仿真結(jié)果表明：基于小波變換的能量管理策略能夠很好地滿足船舶功率需求，通過與原船能量管理策略進(jìn)行比較，優(yōu)化了燃料電池與鋰電池放電過程，母線電壓波動得到抑制，從而使得船舶電能質(zhì)量得到了提高。后續(xù)將在小比例實(shí)驗(yàn)混合動力平臺上，開展所提出能量管理策略的實(shí)物驗(yàn)證，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)一步優(yōu)化本文所提能量管理策略。