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)境污染問題的日益嚴(yán)重以及化石能源的日漸枯竭，發(fā)展無污染可再生的新能源汽車是大勢所趨。在所有的新能源汽車中，發(fā)展燃料電池汽車是一個被公認(rèn)的終極目標(biāo)[1]。但是由于燃料電池啟動和運(yùn)行的動態(tài)響應(yīng)較慢，難以滿足車輛行駛過程中需求功率的快速變化，所以把燃料電池和一個或多個輔助能量源混合使用是解決這一問題的重要方法[2]。燃料電池混合動力系統(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整車的動力性和經(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有充分考慮實(shí)際行駛工況大幅度瞬變的負(fù)載電流對燃料電池和蓄電池的沖擊，要么過于復(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)確性和簡單性之間的折衷[9]。

本文針對包含3種能量源混合動力系統(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。在能量分配過程中，能充分發(fā)揮超級電容動態(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 燃料電池混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

許多燃料電池混合動力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)已被研究和公開發(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)和超級電容(SC)并聯(lián)在直流母線上，可通過各自的DC-DC變換器同時或單獨(dú)地給牽引電機(jī)的控制器提供電能，這種混合動力系統(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力，而低比功率顯著地限制了其在快速動態(tài)應(yīng)用中的性能，如啟動時間長、動態(tài)響應(yīng)慢等。蓄電池經(jīng)過不斷的發(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，超級電容具有更高的功率密度、更長的使用壽命和更短的充放電時間，可以適應(yīng)負(fù)載電流的快速變化。蓄電池和超級電容作為輔助能源可以更好地滿足燃料電池混合動力汽車的動力需求[11]。

圖2 3種動力源能量特征

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)每個能源的適應(yīng)頻率和能量特征來分配其在運(yùn)行過程中承擔(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設(shè)定2個濾波頻率(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)部分由超級電容承擔(dān)。若已知燃料電池和超級電容的比功率(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]。基于濾波的能量分配策略通過使用2個具有不同截止頻率(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)載電流和超級電容的荷電狀態(tài)(state of charge，SOC)來實(shí)時改變的二次濾波頻率f2的值，f2被分為低、中、高3個頻段，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個狀態(tài)來自適應(yīng)的調(diào)整濾波頻率f2的取值。當(dāng)負(fù)載電流小于0且超級電容SOC小于0.3時，f2取較小值以使超級電容回收更多頻段的制動能量；當(dāng)負(fù)載電流大于0且超級電容SOC小于0.3時，f2應(yīng)取較大值來減少能量的輸出。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，直流母線不需要各能量源的功率輸出，所以不管超級電容SOC的大小為多少，f2應(yīng)取較大值來減少能量輸出。

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)測試臺架，進(jìn)行了模擬城市道路循環(huán)工況(urban dynamometer driving schedule，UDDS)的測試，混合動力系統(tǒng)的3種能量源的相關(guān)參數(shù)見表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為一個采樣點(diǎn)，整個工況測試時長約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為超級電容SOC在UDDS工況下的變化情況。以上2個參數(shù)將作為本文提出的能量管理策略模型(見圖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，然后對模型不斷仿真調(diào)試并根據(jù)動力系統(tǒng)匹配的需要來選取，本文模型仿真參數(shù)值見表3。實(shí)驗(yàn)室臺架測試的數(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)工況測試過程中的超級電容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為臺架聯(lián)調(diào)測試的燃料電池系統(tǒng)輸出電流和優(yōu)化后的輸出電流的對比，可以看出在臺架聯(lián)調(diào)測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較小且變化斜率較緩，大大減少了高頻負(fù)載對燃料電池的沖擊，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，避免了快充快放對蓄電池的壽命造成的損害。同時，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為超級電容輸出電流，可以看出優(yōu)化后的超級電容輸出電流保持了快充快放的特性，同時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 超級電容輸出電流

圖10為超級電容分別在自適應(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)?？梢钥闯觯谧赃m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)載電流和超級電容SOC實(shí)時變化，超級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電容輸出電流

3 結(jié) 論

針對燃料電池多能源混合動力系統(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，利用有限狀態(tài)機(jī)控制濾波頻率的自適應(yīng)變化來保證實(shí)際運(yùn)行工況下的最佳功率分配。在Matlab/Simulink平臺上搭建控制策略模型并利用已在實(shí)驗(yàn)室聯(lián)調(diào)臺架上的實(shí)測數(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。蓄電池和超級電容輸出電流的增加減輕了燃料電池系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，超級電容承擔(dān)了高頻變化的負(fù)載電流，減少了高頻功率對系統(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)載電流和超級電容SOC實(shí)時變化，超級電容輸出電流可以更快地響應(yīng)負(fù)載電流的快速變化。