基于自適應(yīng)濾波的燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)多能源管理策略研究①

胡 帥 趙玉蘭 李正輝 魏永琪 贠海濤

(青島理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院 青島 266520)

0 引 言

隨著全球環(huán)境污染問(wèn)題的日益嚴(yán)重以及化石能源的日漸枯竭，發(fā)展無(wú)污染可再生的新能源汽車是大勢(shì)所趨。在所有的新能源汽車中，發(fā)展燃料電池汽車是一個(gè)被公認(rèn)的終極目標(biāo)[1]。但是由于燃料電池啟動(dòng)和運(yùn)行的動(dòng)態(tài)響應(yīng)較慢，難以滿足車輛行駛過(guò)程中需求功率的快速變化，所以把燃料電池和一個(gè)或多個(gè)輔助能量源混合使用是解決這一問(wèn)題的重要方法[2]。燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)的參數(shù)匹配、能量管理策略及其各部件的性能將決定整車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性[3]。其中能量管理策略研究的是如何最優(yōu)地在各能量源之間分配負(fù)載電流，因此合適的能量管理策略對(duì)整車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性有著重大影響[4]。能量管理策略有多種，目前被研究和應(yīng)用較多的包括負(fù)載跟隨控制策略、基于有限狀態(tài)機(jī)優(yōu)化的控制策略、基于模糊控制系統(tǒng)的自適應(yīng)能量管理、等效氫耗優(yōu)化控制、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或動(dòng)態(tài)規(guī)劃的能量管理策略等[5-8]，但是這些能量管理策略要么沒(méi)有充分考慮實(shí)際行駛工況大幅度瞬變的負(fù)載電流對(duì)燃料電池和蓄電池的沖擊，要么過(guò)于復(fù)雜而需要大量的計(jì)算工作。在整車能量管理策略中，應(yīng)該考慮到準(zhǔn)確性和簡(jiǎn)單性之間的折衷[9]。

本文針對(duì)包含3種能量源混合動(dòng)力系統(tǒng)，在基于濾波的能量管理策略[10]的基礎(chǔ)上，為保證實(shí)際駕駛條件下實(shí)現(xiàn)最佳的功率分配，提出了一種利用有限狀態(tài)機(jī)控制濾波頻率自適應(yīng)變化的能量管理策略。在能量分配過(guò)程中，能充分發(fā)揮超級(jí)電容動(dòng)態(tài)響應(yīng)性好、燃料電池的比能量高和蓄電池穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，有利于延長(zhǎng)和提高系統(tǒng)的使用壽命和性能。

1 基于自適應(yīng)濾波的能量管理策略

1.1 燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

許多燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)已被研究和公開(kāi)發(fā)表[11-13]，本文選擇的拓?fù)鋱D如圖1所示。質(zhì)子交換膜燃料電池(FC)、蓄電池(BAT)和超級(jí)電容(SC)并聯(lián)在直流母線上，可通過(guò)各自的DC-DC變換器同時(shí)或單獨(dú)地給牽引電機(jī)的控制器提供電能，這種混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在控制直流母線電壓方面提供了更大的靈活性，容易實(shí)現(xiàn)直流母線電壓在運(yùn)行期間保持穩(wěn)定。

圖1 燃料電池混合動(dòng)力汽車結(jié)構(gòu)

1.2 3種能量源特征

圖2呈現(xiàn)了3種能量源的比能量和比功率的比較[14]，可以看出氫燃料電池具有高比能量和低比功率的特點(diǎn)，比能量高使其能夠源源不斷地提供動(dòng)力，而低比功率顯著地限制了其在快速動(dòng)態(tài)應(yīng)用中的性能，如啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢等。蓄電池經(jīng)過(guò)不斷的發(fā)展已具有工作溫度范圍寬、自放電率低、比能量高等優(yōu)點(diǎn)。然而，盡管蓄電池技術(shù)已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但其充放電的頻率仍然是導(dǎo)致電池老化的主要因素。與蓄電池相比，超級(jí)電容具有更高的功率密度、更長(zhǎng)的使用壽命和更短的充放電時(shí)間，可以適應(yīng)負(fù)載電流的快速變化。蓄電池和超級(jí)電容作為輔助能源可以更好地滿足燃料電池混合動(dòng)力汽車的動(dòng)力需求[11]。

圖2 3種動(dòng)力源能量特征

1.3 基于濾波的能量管理

基于濾波的能源管理可以根據(jù)每個(gè)能源的適應(yīng)頻率和能量特征來(lái)分配其在運(yùn)行過(guò)程中承擔(dān)的負(fù)載電流。圖3為整車負(fù)載電流分配的原理圖，可以看出基于濾波的能量管理策略通過(guò)設(shè)定2個(gè)濾波頻率(f1，f2)將負(fù)載工況分割成3部分，將低頻(low frequency，LF)部分發(fā)送給燃料電池，中頻(medium frequency，MF)部分發(fā)送給蓄電池，高頻(high frequency，HF)部分由超級(jí)電容承擔(dān)。若已知燃料電池和超級(jí)電容的比功率(ρpower)和比能量(ρenergy)，負(fù)載電流濾波的頻率參考值f1和f2便可由式(1)計(jì)算得出[14]?；跒V波的能量分配策略通過(guò)使用2個(gè)具有不同截止頻率(f1，f2)的低通濾波器，將直流母線上的負(fù)載電流IL分解為3個(gè)不同頻率的電流IL1、IL2和IL3，以此作為燃料電池系統(tǒng)、蓄電池和超級(jí)電容系統(tǒng)輸出電流的參考值[14]，其關(guān)系式如式(2)所示。

(1)

(2)

圖3 基于濾波的能量管理

1.4 自適應(yīng)頻率分配

由于車輛實(shí)際行駛工況會(huì)有頻繁的啟停和加減速，只設(shè)定固定的濾波頻率在實(shí)際駕駛條件下可能無(wú)法保證最佳的功率分配，因此本文采用基于有限狀態(tài)機(jī)控制濾波頻率，其主要原理是根據(jù)負(fù)載電流和超級(jí)電容的荷電狀態(tài)(state of charge，SOC)來(lái)實(shí)時(shí)改變的二次濾波頻率f2的值，f2被分為低、中、高3個(gè)頻段，即fL、fM和fH。

表1給出了本文選用的有限狀態(tài)機(jī)控制規(guī)則，共劃分為7個(gè)狀態(tài)來(lái)自適應(yīng)的調(diào)整濾波頻率f2的取值。當(dāng)負(fù)載電流小于0且超級(jí)電容SOC小于0.3時(shí)，f2取較小值以使超級(jí)電容回收更多頻段的制動(dòng)能量；當(dāng)負(fù)載電流大于0且超級(jí)電容SOC小于0.3時(shí)，f2應(yīng)取較大值來(lái)減少能量的輸出。其他情況與此類似，故不再贅述。需要注意的是，當(dāng)負(fù)載電流為0時(shí)，直流母線不需要各能量源的功率輸出，所以不管超級(jí)電容SOC的大小為多少，f2應(yīng)取較大值來(lái)減少能量輸出。

表1 有限狀態(tài)機(jī)控制規(guī)則

2 仿真實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

2.1 仿真工況

在實(shí)驗(yàn)室搭建了如圖1所示的系統(tǒng)聯(lián)調(diào)測(cè)試臺(tái)架，進(jìn)行了模擬城市道路循環(huán)工況(urban dynamometer driving schedule，UDDS)的測(cè)試，混合動(dòng)力系統(tǒng)的3種能量源的相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表2。VCU控制器中集成的是基于直流母線電壓控制的能量管理策略，每100 ms為一個(gè)采樣點(diǎn)，整個(gè)工況測(cè)試時(shí)長(zhǎng)約24 min。圖4為直流母線負(fù)載電流，即電機(jī)逆變器輸入電流，可以看出母線負(fù)載電流在此工況下變化非常劇烈。圖5為超級(jí)電容SOC在UDDS工況下的變化情況。以上2個(gè)參數(shù)將作為本文提出的能量管理策略模型(見(jiàn)圖6)的輸入。燃料電池系統(tǒng)輸出電流、蓄電池輸出電流和超級(jí)電容輸出電流分別如圖7～9所示。需要注意的是，本文中各能量源的輸出電流均指其后端DC-DC輸出電流。

表2 3種能量源相關(guān)參數(shù)

圖4 直流母線負(fù)載電流

圖5 超級(jí)電容SOC

圖6 基于自適應(yīng)濾波能量管理仿真模型

2.2 建模仿真及結(jié)果分析

在Matlab/Simulink平臺(tái)上，根據(jù)表1所示的有限狀態(tài)機(jī)控制規(guī)則，建立了控制策略模型如圖6所示。為確定濾波頻率f1、f2的值，首先利用式(1)計(jì)算出濾波頻率參考值，然后對(duì)模型不斷仿真調(diào)試并根據(jù)動(dòng)力系統(tǒng)匹配的需要來(lái)選取，本文模型仿真參數(shù)值見(jiàn)表3。實(shí)驗(yàn)室臺(tái)架測(cè)試的數(shù)據(jù)中的電機(jī)控制器輸入電流(總負(fù)載電流)和循環(huán)工況測(cè)試過(guò)程中的超級(jí)電容SOC為控制策略模型的輸入，使用離線SOC數(shù)據(jù)主要是為了與實(shí)驗(yàn)所采用的控制策略作比較，即在相同的運(yùn)行情況下，比較并分析3種能量源工作情況，為后續(xù)模型的優(yōu)化以及為其嵌入到整車控制單元中做準(zhǔn)備。最后，實(shí)驗(yàn)和仿真的負(fù)載電流分配結(jié)果如圖7～10所示。

表3 模型仿真的參數(shù)值

圖7為臺(tái)架聯(lián)調(diào)測(cè)試的燃料電池系統(tǒng)輸出電流和優(yōu)化后的輸出電流的對(duì)比，可以看出在臺(tái)架聯(lián)調(diào)測(cè)試采用的能量管理策略控制下，燃料電池系統(tǒng)被迫響應(yīng)劇烈的負(fù)載變化，燃料電池輸出電流會(huì)頻繁地從最低允許輸出電流20 A迅速上升到84 A，大幅度頻繁的拉載將對(duì)燃料電池造成很大損害，減少使用壽命。與之相反，優(yōu)化后的燃料電池輸出電流相對(duì)較小且變化斜率較緩，大大減少了高頻負(fù)載對(duì)燃料電池的沖擊，這表明提出的控制策略能很好地利用蓄電池和超級(jí)電容的能量輸出。

圖7 燃料電池系統(tǒng)輸出電流

圖8為蓄電池輸出電流，可以看出優(yōu)化后的蓄電池輸出電流的頻率要小得多，避免了快充快放對(duì)蓄電池的壽命造成的損害。同時(shí)，優(yōu)化后的蓄電池的輸出電流較大表明其承擔(dān)了部分燃料電池系統(tǒng)的輸出電流。

圖8 蓄電池輸出電流

圖9為超級(jí)電容輸出電流，可以看出優(yōu)化后的超級(jí)電容輸出電流保持了快充快放的特性，同時(shí)其輸出電流峰值較大表明降低了燃料電池系統(tǒng)的負(fù)載電流，這將有利于降低燃料電池尺寸和成本。

圖9 超級(jí)電容輸出電流

圖10為超級(jí)電容分別在自適應(yīng)濾波和固定濾波頻率分配策略下的對(duì)比，2種策略唯一不同之處在于，后者的f2被固定為0.01 Hz(=fM)?？梢钥闯?，在自適應(yīng)濾波頻率分配策略下，由于濾波頻率f2可以根據(jù)負(fù)載電流和超級(jí)電容SOC實(shí)時(shí)變化，超級(jí)電容輸出電流可以更快地響應(yīng)母線負(fù)載電流快速變化，這就意味著蓄電池遭受更少的沖擊。

圖10 在2種不同能量管理策略下超級(jí)電容輸出電流

3 結(jié) 論

針對(duì)燃料電池多能源混合動(dòng)力系統(tǒng)，本文提出了一種基于自適應(yīng)濾波的能量管理策略，通過(guò)2次濾波將負(fù)載電流劃分成低、中、高3種頻段的電流在不同的能量源之間分配。同時(shí)，利用有限狀態(tài)機(jī)控制濾波頻率的自適應(yīng)變化來(lái)保證實(shí)際運(yùn)行工況下的最佳功率分配。在Matlab/Simulink平臺(tái)上搭建控制策略模型并利用已在實(shí)驗(yàn)室聯(lián)調(diào)臺(tái)架上的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真分析。仿真結(jié)果表明，經(jīng)自適應(yīng)濾波能量管理策略優(yōu)化后，燃料電池系統(tǒng)主要承擔(dān)低頻的功率輸出，避免了被瞬間大幅度地拉載，有利于燃料電池壽命的延長(zhǎng)。蓄電池和超級(jí)電容輸出電流的增加減輕了燃料電池系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，超級(jí)電容承擔(dān)了高頻變化的負(fù)載電流，減少了高頻功率對(duì)系統(tǒng)的沖擊。最后，與固定濾波頻率分配策略相比，本文提出的能量分配策略由于濾波頻率f2可以根據(jù)負(fù)載電流和超級(jí)電容SOC實(shí)時(shí)變化，超級(jí)電容輸出電流可以更快地響應(yīng)負(fù)載電流的快速變化。