氫燃料-光伏電池汽車動力系統(tǒng)分層能量管理策略

任明　王鐵

摘 要：汽車產(chǎn)業(yè)的熱門趨勢是新能源汽車，光伏電池汽車和燃料電池汽車的技術(shù)卻未被開發(fā)，正是最好的發(fā)展方向。本文根據(jù)燃料電池和光伏電池的工作原理及輸出特性，對其進行數(shù)學(xué)建模，選用雙向全橋DC/DC變換器，作為系統(tǒng)控制的一部分，使用傳統(tǒng)移相控制正向工作模式，并對其傳輸功率進行分析。利用matlab/simulink軟件對上面的建立的數(shù)學(xué)模型進行建模仿真，建立出氫燃料-光伏電池汽車動力系統(tǒng)模型。分析研究氫燃料電池和光伏電池的能量控制理論，從而設(shè)計出系統(tǒng)級的協(xié)調(diào)控制與能量管理，即分層能量管理策略。

關(guān)鍵詞：燃料電池 光伏電池 能量控制 動力系統(tǒng) 建模仿真

1 引言

從近代的汽車發(fā)展情況來看，汽車科技研究得到充分關(guān)注，發(fā)展迅速，從而引發(fā)了嚴峻的能源、環(huán)境問題[1]。汽車工業(yè)將會向節(jié)能、減排方向發(fā)展，這樣就形成了兩條道路。一條是從傳統(tǒng)原始的內(nèi)燃發(fā)動機著手，研究突破新技術(shù)，能夠?qū)⑵透咝У乩闷饋恚梢云鸬焦?jié)能的效果，同時在尾氣排放方面引進新技術(shù)，能夠降低乃至零排放。另一條就是發(fā)展新能源汽車，這個相比較研究傳統(tǒng)內(nèi)燃機突破新技術(shù)更有發(fā)展前景，新能源汽車本身使用的就是環(huán)保的可再生能源，所以在節(jié)能、減排方面極大地符合了當(dāng)前汽車工業(yè)發(fā)展的趨勢[2]。而且，新能源相比較傳統(tǒng)的汽油在價格方面也是比較低廉。

本文研究了氫燃料電池+光伏電池+蓄電池的電動汽車的動力系統(tǒng)控制，分為多種搭配供電情況，利用matlab/simulink軟件進行建模仿真，建立出氫燃料-光伏電池汽車動力系統(tǒng)模型，對動力系統(tǒng)的能量管理進行了分層控制，合理分配燃料電池和光伏電池的能量。

2 系統(tǒng)級的協(xié)調(diào)控制與管理

三個能量源的能量管理策略設(shè)計控制管理較為復(fù)雜，可以將其進行分層管理控制，采用分層能量管理控制可以將三個能量源分為兩層，每層對兩個能量源進行能量管理控制，根據(jù)這一設(shè)計思路可以將本課題研究的動力系統(tǒng)劃分為氫燃料電池和蓄電池的能量管理控制、光伏電池和蓄電池的能量管理控制。該策略分為上下兩層，上層的能量管理控制方法為根據(jù)燃料電池的內(nèi)部原理和蓄電池的SOC值來設(shè)計燃料電池的最優(yōu)輸出功率;下層能量管理控制方法為根據(jù)光伏電池的輸出特性和蓄電池的SOC值來判斷光伏電池的最佳功率。下圖為分層能量管理策略。

2.1 上層能量管理策略

根據(jù)燃料電池的穩(wěn)態(tài)工作特性，進行劃分區(qū)域;然后再根據(jù)燃料電池的內(nèi)部特性即在充電和放電的時候電池內(nèi)部電阻的特點，劃分不同工作狀態(tài);最后分析汽車的實際需求功率來分配能量，設(shè)計出燃料電池的能量管理策略[3]。

當(dāng)蓄電池的SOC值發(fā)生改變時，工作效率與電池的SOC值變化保持一致，本文設(shè)計的燃料電池的能量管理策略，是根據(jù)蓄電池的SOC值以及系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)、驅(qū)動電機驅(qū)動功率來判斷使用情況。

燃料電池和蓄電池一起工作時會出現(xiàn)一個問題：當(dāng)系統(tǒng)狀態(tài)切換時，對應(yīng)的能量管理策略也會隨之發(fā)生改變，系統(tǒng)狀態(tài)會發(fā)生來回切換，能量管理策略控制起來較為繁瑣。為解決這一問題，可以引進一個磁滯環(huán)，可以避免狀態(tài)切換在特殊點處發(fā)生來回切換即發(fā)生波動，提高電池利用效率。下圖為電池工作狀態(tài)切換圖。

圖中實線表示電池放電曲線，虛線表示電池充電曲線，當(dāng)蓄電池的SOC值小于0.5時，燃料電池為其充電，處于充電狀態(tài);當(dāng)SOC值位于0.5至0.8之間時，燃料電池繼續(xù)為其充電，處于最佳狀態(tài);當(dāng)SOC值大于0.8時，燃料電池不再為其充電，蓄電池開始放電，處于放電狀態(tài)。

根據(jù)燃料電池的穩(wěn)定性和工作區(qū)間以及不同的負載功率，保證燃料電池的功率輸出狀態(tài)是最優(yōu)結(jié)果。

2.1.1 放電狀態(tài)

當(dāng)蓄電池的SOC值大于0.8時，蓄電池開始放電，燃料電池和其他裝置功率劃分如下：

當(dāng)所需功率時：

式中是輔助能量源功率。

當(dāng)所需功率時：

當(dāng)所需功率時：

2.1.2 最佳狀態(tài)

當(dāng)蓄電池處于最佳狀態(tài)時，電池的SOC值適中，燃料電池和其他裝置功率劃分如下：

當(dāng)所需功率時：

當(dāng)所需功率時：

當(dāng)所需功率時：

2.1.3 充電狀態(tài)

當(dāng)蓄電池的SOC值小于0.5時，燃料電池會對其充電。燃料電池和其他裝置功率劃分如下：

當(dāng)所需功率時：

當(dāng)所需功率時：

式中是蓄電池的最大充電功率。

當(dāng)所需功率時：

以上就是蓄電池的三種狀態(tài)下的上層能量管理策略，結(jié)合負載，根據(jù)所需功率的范圍來制定能量管理策略。

2.2 下層能量管理策略

下層的能量管理策略主要是針對光伏電池和蓄電池，由于光伏電池是通過太陽光進行發(fā)電，所以相比較氫氣資源幾乎不用成本，盡量使用光伏電池能量，當(dāng)下層管理策略不能支持驅(qū)動電機正常運轉(zhuǎn)時，再引入上層能量管理策略。

光伏電池產(chǎn)生電能的大小是根據(jù)太陽光的輻射強度和周圍環(huán)境溫度來判斷[4]，所以光伏電池的輸出特性不是線性的。本文對光伏電池發(fā)電控制只是光照強度方面，通過改變光照強度，來判斷光伏電池的發(fā)電效果，結(jié)合蓄電池的SOC值，按照電池工作狀態(tài)切換設(shè)置，可以得出下層能量管理策略。

利用建立的光伏電池模型，對其光照的強度進行分類，當(dāng)振幅為時，對應(yīng)的是低光照強度;當(dāng)振幅為時，對應(yīng)的是高光照強度。利用不同的光照強度和蓄電池的SOC值，得出下層能量管理策略。

3 結(jié)語

本章主要研究了管理控制，首先對氫燃料電池的低、中和高需求功率下的能量管理策略做出研究。然后，對光伏電池的光照強度分類，得出能量管理策略。根據(jù)以上的能量控制，設(shè)計出系統(tǒng)級的協(xié)調(diào)控制與管理即分層能量管理策略。

參考文獻：

[1]Hu Z，Li J，Xu L，etal.Multi-objective energy management optimization and parameter sizing for proton exchange membrane hybrid fuel cell vehicles[J].Energy Conversion and Management，2016， 129： 108-121.

[2]陳維榮，張國瑞，孟翔，等.? 燃料電池混合動力有軌電車動力性分析與設(shè)計[J].西南交通大學(xué)學(xué)報，2017，52（1）：1-8.

[3]陳維榮，張國瑞，孟翔，等.? 燃料電池混合動力有軌電車動力性分析與設(shè)計[J].西南交通大學(xué)學(xué)報，2017，52（1）：1-8.

[4]張峰.太陽能光伏發(fā)電控制系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[D].華北電力大學(xué)（河北），2009.