基于功率跟隨策略的混合動力機(jī)器人能量控制研究與仿真

顧 琪 王 敏

（1.鹽城工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院智能制造學(xué)院，江蘇 鹽城 224005；2.國網(wǎng)上海市北供電公司，上海 200040）

0 引言

燃料電池和鋰電池的混合動力機(jī)器人可以在低排放和低噪聲的前提下，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人長時間、無線纜靈活作業(yè)。但是燃料電池輸出特性較軟，且無法通過控制策略來完全改進(jìn)這一缺點(diǎn)，因此，國內(nèi)外很多學(xué)者對混合動力系統(tǒng)進(jìn)行了研究，以改善單一燃料電池能源存在的不足。金振華等人[1]利用動態(tài)規(guī)劃算法對混合動力系統(tǒng)城市公交車運(yùn)行工況進(jìn)行了全局優(yōu)化計算，設(shè)計了實(shí)時控制策略，并通過仿真實(shí)驗(yàn)證明了該全局優(yōu)化控制策略提高了系統(tǒng)的燃料經(jīng)濟(jì)性。李禮夫等人[2]建立了混聯(lián)式混合動力電動汽車動力系統(tǒng)能量管理策略瞬時優(yōu)化控制器，對運(yùn)行著的發(fā)動機(jī)、電動機(jī)和發(fā)電機(jī)功率進(jìn)行了基于能量利用率的瞬時優(yōu)化仿真分配，提高了系統(tǒng)的能量利用率。王旭峰[3]提出了基于模糊邏輯的能量管理控制策略，以負(fù)載需求功率和蓄電池的SOC為輸入信號，DC/DC變換器的參考輸出功率為輸出信號，并利用粒子群優(yōu)化算法優(yōu)化所提模糊邏輯能量管理策略，進(jìn)一步提高了混合動力機(jī)車的動態(tài)性和經(jīng)濟(jì)性。張炳力等人[4]利用小波變換可以提取時域和頻域信號信息，并按一定原則進(jìn)行分解的瞬態(tài)信號分析特性，將離散需求功率信號進(jìn)行分解，按照需求功率的變化頻率對燃料電池和輔助能源進(jìn)行能量分配，既滿足了負(fù)載的功率需求，又避免了高頻功率對燃料電池的沖擊。

基于燃料電池和鋰電池的混合動力機(jī)器人控制策略研究中，需對機(jī)器人啟動、加速、勻速、減速制動等不同運(yùn)行狀態(tài)下的功率和動態(tài)需求進(jìn)行分析，從而實(shí)現(xiàn)合理控制、分配燃料電池和蓄電池的功率輸出。

1 能量管理策略的目標(biāo)

在燃料電池機(jī)器人系統(tǒng)中，以清潔無污染的燃料電池為主要能源，鋰電池作為輔助能源。但是，燃料電池與鋰電池組成的混合動力機(jī)器人系統(tǒng)中，機(jī)器人不同的運(yùn)行狀態(tài)對應(yīng)著不同的能量流動方向，因此，首先要確定系統(tǒng)的能量管理策略總體目標(biāo)，具體包括：

（1）滿足機(jī)器人的功率需求。機(jī)器人在不同運(yùn)行狀態(tài)時，對能源系統(tǒng)的要求不同，在啟動階段，速度突然增加，需要可以快速放電的能源，即刻滿足機(jī)器人負(fù)載的能源需求；在速度較高的運(yùn)行階段，需要混合動力共同滿足負(fù)載需求，此時就需要輔助能源增加輸出功率，滿足負(fù)載需求功率，保證燃料電池工作在合理的運(yùn)行范圍。

（2）在滿足機(jī)器人需求功率的前提下，保持燃料電池安全高效運(yùn)行，燃料電池的輸出功率不能超過允許的最大值，即Pfc＜Pfcmax。利用配備的輔助能源，在負(fù)載需求功率突變和波動較大時，輔助能源能快速放電，滿足負(fù)荷功率需求。

（3）保證輔助能源鋰電池處在合理的充放電區(qū)間，即SOCbat在[SOCmin，SOCmax]區(qū)間。過度充電和過度放電都會損害鋰電池，進(jìn)而影響鋰電池的充放電效果，縮短使用壽命。

（4）輔助能源鋰電池的電荷狀態(tài)值較低，機(jī)器人制動時，可以吸收燃料電池釋放的能量及電機(jī)制動回饋的能量。

2 典型運(yùn)行狀態(tài)下的能量流向

混合動力電池機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài)不同，其能量分配和流動方向也就不同，圖1為混合動力系統(tǒng)能量利用示意圖。

圖1 混合動力系統(tǒng)能量利用示意圖

（1）在機(jī)器人起步加速階段，由于燃料電池響應(yīng)速度較慢，此時主要由輔助能源鋰電池向負(fù)載提供能量，燃料電池緩慢啟動，兩種能源共同向負(fù)載提供能量。能量流動方向依次如圖2（a）（b）所示。

（2）在機(jī)器人勻速行駛階段，此時能量流動有3種情況，分別是：

1）當(dāng)負(fù)載需求功率低于燃料電池的最佳輸出功率，并且輔助能源鋰電池的SOC低于運(yùn)行允許的最小值時，那么由燃料電池向機(jī)器人負(fù)載提供能量，同時向鋰電池充電，如圖2（c）所示；

2）當(dāng)負(fù)載需求功率低于燃料電池的最佳輸出功率，并且鋰電池的SOC處在允許運(yùn)行的范圍內(nèi)時，燃料電池僅向機(jī)器人負(fù)載提供能量，如圖2（d）所示；

3）當(dāng)負(fù)載需求功率大于燃料電池的最大輸出功率時，燃料電池和鋰電池共同向機(jī)器人負(fù)載提供能量，能量流動方向和機(jī)器人啟動后期相同，如圖2（b）所示。

（3）在機(jī)器人負(fù)載突增時，燃料電池和輔助能源鋰電池共同向機(jī)器人負(fù)載提供能量，能量流動方向如圖2（b）所示。

（4）在機(jī)器人制動減速時，燃料電池停止工作，燃料電池不能吸收能量，所以機(jī)器人電機(jī)反轉(zhuǎn)產(chǎn)生的制動能量只能向鋰電池充電，能量流動方向如圖2（e）所示。

圖2 機(jī)器人各階段能量流向

3 基于功率跟隨的能量管理策略

在功率跟隨式控制策略中，燃料電池的工作狀態(tài)由機(jī)器人的負(fù)載需求功率與蓄電池的荷電狀態(tài)SOC兩方面決定。事先設(shè)定蓄電池SOC的上下范圍限定值，保證蓄電池的SOC處在這個范圍內(nèi)，燃料電池首先要滿足負(fù)載需求功率，在此前提下，根據(jù)蓄電池SOC值決定是否對蓄電池充電。然而，燃料電池開關(guān)的頻繁切換將破壞電堆的正常運(yùn)行，從而降低燃料電池的性能，縮短其使用壽命。因此，在功率跟隨式控制策略中，研究最小輸出功率以避免燃料電池頻繁開關(guān)顯得十分重要。

設(shè)定燃料電池的最大輸出功率，避免出現(xiàn)因?yàn)槿剂想姵剌敵鲭娏鬟^大和電壓下降造成的電堆損壞現(xiàn)象。傳統(tǒng)功率跟隨式控制將燃料電池的運(yùn)行狀態(tài)分為run和stand兩種[5]，如圖3所示。

圖3 燃料電池工作狀態(tài)變換圖

燃料電池功率的計算與負(fù)載電機(jī)需求功率、鋰電池的SOC值以及燃料電池自身的條件限制其輸出功率的上限值等3個因素有關(guān)。

燃料電池輸出功率的計算，首先要滿足機(jī)器人負(fù)載的需求功率，即：

式中：Pfcbyload為燃料電池輸出負(fù)載功率；Pload為負(fù)載需求功率。

其次，要根據(jù)鋰電池的SOC值修正燃料電池的輸出功率，使鋰電池的SOC值保持在理想的SOC*。基于SOC值修正的燃料電池增發(fā)功率由式（2）計算得到：

式中：SOC*=0.5（SOCmax+SOCmin）；ΔSOC=0.5（SOCmax-SOCmin）；Pfc-chg為燃料電池充電功率。

當(dāng)SOC值低于理想值SOC*時，燃料電池增發(fā)功率，給鋰電池充電；當(dāng)SOC值高于理想值SOC*時，燃料電池減發(fā)功率，鋰電池放電。這兩種運(yùn)行狀態(tài)都是使鋰電池的SOC值向理想SOC*靠近。

燃料電池自身的條件限制其輸出功率，則是通過限制燃料電池的輸出功率防止其輸出電流過大，引起電壓大幅下降，對電堆造成破壞，可以對燃料電池起到保護(hù)作用。

最小輸出功率跟隨式能量管理策略Simulink模型如圖4所示。

4 仿真結(jié)果及分析

通過如圖4所示功率跟隨式能量管理策略的Matlab/Simulink仿真模型，仿真驗(yàn)證采用的基于最小功率的燃料電池混合動力系統(tǒng)能量管理策略。為驗(yàn)證功率跟隨策略在燃料電池和鋰電池混動機(jī)器人能量控制中的有效性[5-6]，設(shè)置鋰電池SOC初始值在60%，通過仿真實(shí)驗(yàn)，分別研究了負(fù)載需求功率、燃料電池輸出功率、鋰電池輸出功率以及鋰電池SOC值的變化級對應(yīng)關(guān)系，如圖5所示。

圖4 最小輸出功率跟隨式能量管理策略Simulink模型

從圖5可以看出，機(jī)器人在啟動階段，由于負(fù)載需要，鋰電池進(jìn)行快速放電，輸出功率。燃料電池啟動后，由于負(fù)載需求功率在燃料電池允許放電范圍內(nèi)，所以燃料電池獨(dú)立供電；當(dāng)t=2 s時，負(fù)載需求功率增大，單靠燃料電池供電無法滿足負(fù)載功率需求，此時鋰電池開始與燃料電池一起為負(fù)載供電，鋰電池的SOC迅速下降；當(dāng)t=6 s時，負(fù)載所需功率降低到燃料電池設(shè)定的最小功率以下，此時鋰電池的SOC略低于理想的SOC值，根據(jù)最小功率跟隨控制策略，當(dāng)鋰電池的SOC在[0.4，0.8]范圍內(nèi)時，燃料電池保持上一時刻的工作狀態(tài)。因此，t=6 s后，燃料電池工作在最小輸出功率狀態(tài)，既滿足負(fù)載功率需求，又為鋰電池緩慢充電，避免了燃料電池的頻繁充放電。

圖5 SOC=60%時混合動力系統(tǒng)功率分配圖及鋰電池SOC變化曲線圖

5 結(jié)論

基于以上仿真實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析，可以得出以下結(jié)論：基于最小功率跟隨的能量管控策略，實(shí)現(xiàn)了滿足負(fù)載功率需求、燃料電池和鋰電池雙高效利用三個目標(biāo)，提高了混合動力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。