燃料電池混合動力汽車分層能量管理策略*

李楨輝，付主木，2?，陶發(fā)展，2

（1.河南科技大學信息工程學院，河南 洛陽 471023；2.河南科技大學河南省機器人與智能系統(tǒng)重點實驗室，河南 洛陽 471023）

0 引言

燃料電池混合動力汽車（Fuel Cell Hybrid Electric Vehicle，F(xiàn)CHEV）是最具有潛力的新能源汽車之一，具有無需充電、零排放、低噪音等特點，已成為世界各大汽車廠商競相研發(fā)的熱點。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。

針對雙能量源的能量分配問題，Ahmadi 和Jiang 等［1-2］使用電池輔助燃料電池，依據(jù)電池SOC、負載功率、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，使電池SOC 值維持在一定的范圍。Payman 和Mane 等［3-4］使用超級電容輔助燃料電池，分析燃料電池效率、超級電容特性，設計燃料電池功率輸出以及超級電容的荷電狀態(tài)的參考值，提高燃料電池效率。對于三能源能量分配策略，Zandi、Paladini 和Garcir［5-7］使用電池和超級電容輔助燃料電池，依據(jù)燃料電池效率、電池SOC、超級電容特性，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，克服了雙能量源的局限性，提升了汽車的動力性與舒適性，降低了氫燃料消耗，延長了部件壽命。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，為簡化三能源能量管理的控制難度，依據(jù)能量源在汽車動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能量存儲裝置為下層，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電容。上層依據(jù)電池的不同狀態(tài)，設計基于規(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、超級電容特性，設計基于滑動平均濾波能量分配策略，優(yōu)化電池的功率輸出。

1 FCHEV 結構

FCHEV 拓撲結構如圖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)各動力源工作特性以及負載功率的大小，調節(jié)單向DC/DC 和雙向DC/DC 進而管理3 個能量源的功率輸出。

當調節(jié)單向DC/DC，雙向DC/DC 時，三能量源可以組成不同的工作模式。當汽車驅動時，有以下工作模式：燃料電池單獨驅動，電池和超級電容單獨驅動，行車充電（燃料電池向電池和超級電容充電），三能源混合驅動。當汽車回收能量時，共有以下3 種工作模式：超級電容單獨回收能量，電池單獨回收能量，機械制動。

圖1 FCHEV 系統(tǒng)結構圖

2 FCHEV 分層能量管理設計

分層能量管理策略把對3 個能量源的能量管理問題轉化為兩個對雙能量源的能量管理問題。使用兩種能量管理策略，對所劃分的兩層分別設計能量分配策略，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，結合電池SOC 值以及需求功率設計燃料電池的最優(yōu)輸出功率；剩余不足功率由電池和超級電容來提供，下層能量管理策略依據(jù)電池，超級電容特性、功率、電流限制等因素來分配電池和超級電容的輸出功率，使其輔助燃料電池工作在最優(yōu)區(qū)間。其圖中功率傳輸關系如式（1）所示。

式中，Preq表示汽車需求功率，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表示超級電容輸出功率。

2.1 上層能量管理策略

先對燃料電池穩(wěn)態(tài)工作特性進行分析，劃定燃料電池工作區(qū)域；然后，依據(jù)電池充放電內阻特性分析，對其劃定不同工作狀態(tài)；最后，結合汽車負載功率，在不同的電池設計基于規(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運行過程中提供穩(wěn)態(tài)能量，而且還要提供正常運轉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應的功率輸出。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充電；當需求功率大于Pfc_max時，使燃料電池工作在Pfc_max，不足功率由輔助能量源來提供。在此基礎上，設計上層能量管理策略提高燃料電池效率。

2.1.2 電池充放電內阻特性分析

該結構采用鎳氫電池，電池型號為ESS_NIMH6。為能準確估計鎳氫電池SOC 值，采用Advisor 中自帶的Rint 模型來模擬電池的運行狀態(tài)，包括開路電壓和電池內阻與溫度、SOC 的關系，電池電流和輸出功率的計算，電流、功率限制等。其Rint 模型以及電池SOC 的求法參照文獻［12］。

Rint 模型中電池功率損耗主要消耗在電池等效內阻上面，電池等效內阻的大小與電池SOC、溫度有關，相比電池SOC 來說溫度影響較小，因此，忽略溫度影響、鎳氫電池充放電內阻與SOC 的關系，如圖4，當電池SOC 工作在0.4～0.7 時，充放電內阻較低，此時電池工作效率最高。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)切換點處來回切換，本文引入一個磁滯環(huán)，如圖5 所示。

實線表示電池放電曲線、虛線表示電池充電曲線。電池充電時，當SOC＞0.6 時為放電模式，當0.45＜SOC≤0.6 時為平衡模式，當SOC≤0.45 時為充電模式；電池充電時，當SOC＞0.65 時為放電模式，當0.5＜SOC≤0.65 為平衡模式，當SOC≤0.5 時為充電模式。通過設計帶有磁滯環(huán)的狀態(tài)切換曲線可避免在切換點附近波動，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)對燃料電池穩(wěn)態(tài)工作特性和電池高效工作區(qū)間進行分析，在此基礎上根據(jù)負載功率的不同設計燃料電池最優(yōu)功率輸出。

1）放電狀態(tài)

當處于放電狀態(tài)時，電池SOC 值較高，根據(jù)負載功率的大小，此時燃料電池和能量存儲裝置功率輸出如下：

當需求功率Preq≤Pfc_min時，此時，上層能量管理策略如下：

當需求功率Pfc_min＜Preq≤Pfc_eff時，此時，上層能量管理如下：

當需求功率Pfc_eff＜Preq時，此時，上層能量管理如下：

2）最佳狀態(tài)

當處于最佳狀態(tài)，電池SOC 值適中，根據(jù)負載功率的大小，此時燃料電池和能量存儲裝置功率輸出如下：

當需求功率Preq≤Pfc_eff時，此時，上層能量管理策略如下：

當需求功率Pfc_eff＜Preq≤Pfc_max時，此時，上層能量管理如下：

當需求功率Pfc_max＜Preq時，此時，上層能量管理如下：

3）充電狀態(tài)

當處于充電狀態(tài)，電池SOC 值較小，根據(jù)負載功率的大小，此時燃料電池和能量存儲裝置功率輸出如下：

當需求功率Preq≤Pfc_min時，此時，上層能量管理策略如下：

當需求功率Pfc_min＜Preq≤Pfc_max-Pb_mc時，此時，上層能量管理如下：

式中，Pb_mc表示電池的最大充電功率。

當需求功率Pfc_max-Pb_mc＜Preq≤Pfc_max時，此時，上層能量管理如下：

當需求功率Pfc_max＜Preq時，此時，上層能量管理如下：

2.2 下層能量管理策略

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

2.2.1 驅動模式

電池和超級電容向外輸出能量，利用超級電容瞬時大功率放電的特點輸出Pess的峰值部分功率，輔助電池進行平穩(wěn)能量輸出，起到“削峰填谷”的作用。采用滑動平均濾波對電池和超級電容的功率輸出進行分配，由于超級電容僅能提供大約30 s～40 s的峰值功率，因此，將滑動平均濾波的窗口大小設置為30，來對Pess進行濾波。按照先進先出（FIFO）原則，把一串連續(xù)的數(shù)據(jù)看作一個隊列，隊列的長度固定為30，新數(shù)據(jù)放入隊尾，并舍棄原來隊首的一次數(shù)據(jù)。求解隊列中的30 個數(shù)據(jù)進行算術平均值作為輸出項。當其對輔助能量源Pess進行濾波時，電池輸出功率如式（12）。

式中，t 為當前運行時間。

剩余不足功率由超級電容提供，如式（13）所示：

2.2.2 能量回收模式

此時，輔助能量源回收再生制動能量。由于再生制動產生能量有限，且瞬時功率較大，為此，采用特性較軟的超級電容優(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表示為超級電容荷電狀態(tài)。

3 仿真及對比分析

為驗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)境下進行仿真。驗證該策略的有效性。在燃料電池混合動力汽車的BD_FUELCELL 模型的基礎上，添加超級電容來實現(xiàn)三能源的仿真實驗，如下頁圖6 所示。

燃料電池、電池、超級電容通過DC/DC 變換器連接到功率總線上，通過上下兩層能量管理策略來管理三能量源能量輸出，并將三能量源的實際輸出功率傳輸給電機進行反饋。在此模型上面，利用UDDS（美國城市循環(huán)工況）+HWFET（高速循環(huán)工況）聯(lián)合測試工況，對分層能量管理策略和Advisor自帶能量管理策略進行仿真實驗對比。FCHEV 仿真參數(shù)如表1 所示。

圖6 燃料電池混合動力汽車系統(tǒng)模型

表1 燃料電池混合動力汽車動力電池參數(shù)配置

電池和超級電容初始SOC 值設為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對分層能量給管理策略和Advisor 自帶的能量管理策略進行仿真結果對比，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合電源輸出功率的大小。由圖7（a）可知，汽車啟動，燃料電池尚未啟動完成時，暫由電池和超級電容來提供能量，燃料電池啟動完成時，將作為主能量源來持續(xù)提供能量；當汽車運行在UDDS 工況時，此時需求功率比較低，電池SOC 較高，運行在放電模式，當運行到1 370 sHWFET 工況時，此時電池SOC 下降切換至最佳狀態(tài)，燃料電池輸出功率增加；在此過程當中電池在平均需求功率大的時候提供穩(wěn)定功率輸出，超級電容及時補充瞬時增大的功率需求。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 值時刻跟隨需求功率的變化，燃料電池功率浮動范圍較大，且不考慮燃料電池工作效率；電池則承擔了大部分的峰值功率，超級電容僅在需求功率超出燃料電池和電池提供功率時開始工作。

圖7 能量管理仿真對比結果圖

分層能量管理策略相比Advisor 自帶的功率跟隨能量管理策略，增加了對電池運行狀態(tài)的判斷，使燃料電池在不同的運行狀態(tài)下最大程度地工作在高效率區(qū)域，然后對輔助能量源電池和超級電容進行能量管理，利用各自工作特性不但滿足需求功率，而且延長復合電源的使用壽命。對比圖7（a）～圖7（b）可知，燃料電池輸出波動減小，工作效率提升，電池輸出平穩(wěn)，僅在需求功率大時輸出能量，超級電容承擔了峰值功率，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)，超級電容承擔峰值功率，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)仿真結果對比如表2 所示。

表2 各動力部件運行效率對比

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合電源的能量輸出，延長復合電源實用壽命，降低氫氣消耗量。

5 結論

1）對于FCHEV，分析燃料電池、電池、超級電容動態(tài)工作特性，根據(jù)能量源工作的類型和種類劃定FCHEV 的工作模式。2）設計分層控制策略，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)電池和超級電容的工作特性，設計了滑動平均濾波器，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%，有效提升了動力部件的利用效率，減少了氫氣消耗量。

燃料電池混合動力汽車在運行時超級電容通常被設計成時刻滿電狀態(tài)，如何優(yōu)化超級電容的使用，將是后續(xù)研究工作的重點。