基于功率跟隨策略的混合動力機器人能量控制研究與仿真

顧 琪 王 敏

（1.鹽城工業職業技術學院智能制造學院，江蘇 鹽城 224005；2.國網上海市北供電公司，上海 200040）

0 引言

燃料電池和鋰電池的混合動力機器人可以在低排放和低噪聲的前提下，實現機器人長時間、無線纜靈活作業。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這一缺點，因此，國內外很多學者對混合動力系統進行了研究，以改善單一燃料電池能源存在的不足。金振華等人[1]利用動態規劃算法對混合動力系統城市公交車運行工況進行了全局優化計算，設計了實時控制策略，并通過仿真實驗證明了該全局優化控制策略提高了系統的燃料經濟性。李禮夫等人[2]建立了混聯式混合動力電動汽車動力系統能量管理策略瞬時優化控制器，對運行著的發動機、電動機和發電機功率進行了基于能量利用率的瞬時優化仿真分配，提高了系統的能量利用率。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，并利用粒子群優化算法優化所提模糊邏輯能量管理策略，進一步提高了混合動力機車的動態性和經濟性。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，并按一定原則進行分解的瞬態信號分析特性，將離散需求功率信號進行分解，按照需求功率的變化頻率對燃料電池和輔助能源進行能量分配，既滿足了負載的功率需求，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器人控制策略研究中，需對機器人啟動、加速、勻速、減速制動等不同運行狀態下的功率和動態需求進行分析，從而實現合理控制、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

在燃料電池機器人系統中，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器人系統中，機器人不同的運行狀態對應著不同的能量流動方向，因此，首先要確定系統的能量管理策略總體目標，具體包括：

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

（2）在滿足機器人需求功率的前提下，保持燃料電池安全高效運行，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，滿足負荷功率需求。

（3）保證輔助能源鋰電池處在合理的充放電區間，即SOCbat在[SOCmin，SOCmax]區間。過度充電和過度放電都會損害鋰電池，進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值較低，機器人制動時，可以吸收燃料電池釋放的能量及電機制動回饋的能量。

2 典型運行狀態下的能量流向

混合動力電池機器人運行狀態不同，其能量分配和流動方向也就不同，圖1為混合動力系統能量利用示意圖。

圖1 混合動力系統能量利用示意圖

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

（2）在機器人勻速行駛階段，此時能量流動有3種情況，分別是：

1）當負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低于運行允許的最小值時，那么由燃料電池向機器人負載提供能量，同時向鋰電池充電，如圖2（c）所示；

2）當負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處在允許運行的范圍內時，燃料電池僅向機器人負載提供能量，如圖2（d）所示；

3）當負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器人負載提供能量，能量流動方向和機器人啟動后期相同，如圖2（b）所示。

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

（4）在機器人制動減速時，燃料電池停止工作，燃料電池不能吸收能量，所以機器人電機反轉產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由機器人的負載需求功率與蓄電池的荷電狀態SOC兩方面決定。事先設定蓄電池SOC的上下范圍限定值，保證蓄電池的SOC處在這個范圍內，燃料電池首先要滿足負載需求功率，在此前提下，根據蓄電池SOC值決定是否對蓄電池充電。然而，燃料電池開關的頻繁切換將破壞電堆的正常運行，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顯得十分重要。

設定燃料電池的最大輸出功率，避免出現因為燃料電池輸出電流過大和電壓下降造成的電堆損壞現象。傳統功率跟隨式控制將燃料電池的運行狀態分為run和stand兩種[5]，如圖3所示。

圖3 燃料電池工作狀態變換圖

燃料電池功率的計算與負載電機需求功率、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。

燃料電池輸出功率的計算，首先要滿足機器人負載的需求功率，即：

式中：Pfcbyload為燃料電池輸出負載功率；Pload為負載需求功率。

其次，要根據鋰電池的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SOC值低于理想值SOC*時，燃料電池增發功率，給鋰電池充電；當SOC值高于理想值SOC*時，燃料電池減發功率，鋰電池放電。這兩種運行狀態都是使鋰電池的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，仿真驗證采用的基于最小功率的燃料電池混合動力系統能量管理策略。為驗證功率跟隨策略在燃料電池和鋰電池混動機器人能量控制中的有效性[5-6]，設置鋰電池SOC初始值在60%，通過仿真實驗，分別研究了負載需求功率、燃料電池輸出功率、鋰電池輸出功率以及鋰電池SOC值的變化級對應關系，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，機器人在啟動階段，由于負載需要，鋰電池進行快速放電，輸出功率。燃料電池啟動后，由于負載需求功率在燃料電池允許放電范圍內，所以燃料電池獨立供電；當t=2 s時，負載需求功率增大，單靠燃料電池供電無法滿足負載功率需求，此時鋰電池開始與燃料電池一起為負載供電，鋰電池的SOC迅速下降；當t=6 s時，負載所需功率降低到燃料電池設定的最小功率以下，此時鋰電池的SOC略低于理想的SOC值，根據最小功率跟隨控制策略，當鋰電池的SOC在[0.4，0.8]范圍內時，燃料電池保持上一時刻的工作狀態。因此，t=6 s后，燃料電池工作在最小輸出功率狀態，既滿足負載功率需求，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%時混合動力系統功率分配圖及鋰電池SOC變化曲線圖

5 結論

基于以上仿真實驗及結果分析，可以得出以下結論：基于最小功率跟隨的能量管控策略，實現了滿足負載功率需求、燃料電池和鋰電池雙高效利用三個目標，提高了混合動力系統的經濟性。