燃料電池與超級電容復合雙電源系統(tǒng)功率控制研究

徐曉玲，劉 珺

(華東交通大學電氣與電子工程學院，江西南昌330013）

車載復合電源系統(tǒng)作為電動汽車的一項關鍵技術已成為研究熱點。復合電源的功率管理決定了系統(tǒng)的性能與壽命與成本，復合電源功率分配是電動汽車能量管理策略研究的關鍵。國內外眾多研究人員對電動汽車復合電源進行了廣泛研究。燃料電池FC視為電動汽車電源的極佳選擇，但它外特性太軟且不適用于沖擊性負荷而常與其它電源組合構成復合電源系統(tǒng)提供能量，超級電容UC具備高功率能力而能量密度過小，兩者恰能互補，因而燃料電池與超級電容(FC+UC)復合電源方案被研究人員廣泛采用。

Uzunoglu，Alam等［1］人采用FC+UC復合電源方案，功率需求較低時，F(xiàn)C提供平均功率向負載供電同時超級電容充電；負載功率需求較高時，F(xiàn)C則以額定功率向負載供電而超級電容放電提供不足功率部分；超級電容回收減速或剎車時的能量。Ardalan，Wesley［2］利用分散式模型預測控制（MPC）方法對混合電動汽車HEV(hybrid electric vehicle，HEV)能量管理進行控制。FC 和UC 都有自己的MPC 控制器，控制器決定瞬時約束許可性及UC和FC的最優(yōu)電流值?？刂破魍ㄟ^目標函數(shù)及需匹配的功率對FC和UC的動態(tài)與約束條件進行解耦。Rodatz等［3］研究人員則旨在對FC和它的輔助能量存儲系統(tǒng)之間進行實時的功率分配控制，優(yōu)化全局的氫氣消耗，控制策略依然是以等效燃料消耗最小策略為基礎。Zdenek，Pavel［4］利用UC回收制動能量。Julia，Oliver［5］等應用對FC+UC 復合電源以最小燃料消耗控制策略來保證最小燃料消耗。Mahshid，Shahrokh 等［6］人利用等效燃料最小策略，用模糊算法對FC+UC 混合電動車進行了仿真研究。Fazal，Dimitar等［7］人運用模糊算法對燃料經(jīng)濟性進行了研究。清華大學研究人員［8-10］燃料電池城市客車為研究對象，探討了FC+UC驅動型式的特點及整車的參數(shù)匹配，建立整車仿真模型，對整車的動力和燃料經(jīng)濟性進行了仿真研究。

Schell 等［11］人采用模糊控制法對電動車的復合電源進行控制，認為模糊控制適應性強，使復雜的FC-HEV系統(tǒng)更可行更靈活。文獻［12］針對FC+B構型，利用解耦算法在保障蓄電池SOC（state of charge）的情況下對最小燃料消耗進行了研究。Wu，Sheldon［13］則對等效燃料消耗最小策略與負載跟隨控制策略進行了分析比較。華東交通大學研究人員［14］對超級電容儲能裝置進行了研究。

國內外研究集中于利用算法提高車輛運行的經(jīng)濟性，研究人員更多地關注整車的能量管理。眾多研究在標準工況進行測試，實驗中所測工況已知，通過事先制定各種規(guī)則進行功率管理，因而往往針對某一工況具有很好的特性，而其它工況表現(xiàn)稍差，并且實際運行中的工況往往事先并不可知。本文針對FC+UC的電動汽車復合電源系統(tǒng)，從電氣角度出發(fā)，關注任意時刻各電源子系統(tǒng)的瞬時功率分配，實時處理任意工況下的功率分配。

1 復合電源驅動系統(tǒng)

為了對車載復合電源進行研究，本文研制開發(fā)了一款車用復合供電系統(tǒng)實驗臺。試驗臺的設計比實際電動汽車的功率要小得多，進行了比例縮小。實驗臺可分為兩部分：驅動系統(tǒng)部分與負載系統(tǒng)部分，其結構圖如圖1所示。

性能不同的電源構成的復合電源系統(tǒng)通過一定規(guī)則驅動一個直流電機-驅動電機，形成試驗臺的動力總成。另外一個直流電機-負載電機通過聯(lián)軸器和驅動電機相連，它在驅動狀態(tài)下充當發(fā)電機作用，此電機與其后的實驗臺負載系統(tǒng)相聯(lián)一起構成驅動系統(tǒng)的負載，其中實驗臺負載系統(tǒng)可編程并實時變化以模擬車輛的功率與能量需求。

FC+UC車載復合電源驅動系統(tǒng)如圖2所示。

圖1 試驗系統(tǒng)結構圖Fig.1 Structure scheme of test bench

圖2 FC+UC復合電源系統(tǒng)結構Fig.2 FC+UC power supply system structure

燃料電池接單向DC-DC（燃料電池變換器）之后構成燃料電池電源子系統(tǒng)，而超級電容與雙向DC-DC （超級電容變換器）一起構成超級電容電源子系統(tǒng)。此兩個子系統(tǒng)在驅動控制器的控制下一起構成FC+UC車載復合電源系統(tǒng)。

FC+UC復合電源系統(tǒng)采用上下級控制管理方案，控制器分為上下兩層，上層為驅動控制器，它負責管理執(zhí)行層的功率分配；下層為執(zhí)行層，它最終完成上層意圖，提供功率，并具備一定的獨立工作能力。上下層級通過CAN（controller area network，CAN）通訊方式進行聯(lián)系。

由于FC伏安外特性特別軟，當電流增加時電壓下降較快且當它工作于大電流工況時效率較低，因此穩(wěn)定FC出力將是復合電源系統(tǒng)的工作目標之一。直流母線電壓穩(wěn)定有利于電機的控制，保持母線電壓在一定范圍內變化。燃料電池不適于沖擊性負載而加以限制，引入一階慣性濾波環(huán)節(jié)能有效地抑制其響應變化率使FC變換器只響應低頻負荷需求，同時算法采用PI控制算法。

2 瞬時功率控制

復合電源系統(tǒng)采用上下分層控制方案，即驅動控制器充當上層控制器完成功率的分配計算，以CAN通訊方式發(fā)令，下層的各個電源變換器子系統(tǒng)收到各自的給定量，充當執(zhí)行機構完成最終的功率分配。

復合電源系統(tǒng)將FC變換器控制目標設定為恒定直流母線電壓。對此變換器加入一階慣性環(huán)節(jié)濾波以抑制其響應高頻負載，使其平穩(wěn)地提供能量?？紤]到燃料電池的動態(tài)響應時間常數(shù)為1 s，因此取變換器的慣性時間常數(shù)為1 s以保證燃料電池不去響應高頻負載的同時對其功率進行有效利用。

UC變換器控制目標為跟蹤給定電流。UC變換器對所有負載均響應，不限制其功率輸出變化率。

式中：T= 1 s；S為拉氏變換算子；pL為負載需求功率；pFC為FC變換器功率；pUC為UC變換器功率。

FC+UC復合電源系統(tǒng)勻速驅動電源功率分配如圖3所示，圖中實線為FC變換器輸出功率，在圖中下部的點線為UC變換器輸出功率，在圖中上部的虛線為總功率需求。從圖3中可以看出在功率要求平穩(wěn)時，F(xiàn)C變換器提供全部功率而UC變換器幾乎不提供功率，滿足算法要求。

實驗結果可以看到在此控制方案下整個能量系統(tǒng)能滿足負載功率需求，而在功率需求平衡運行時，燃料電池變換器提供所有出力，而UC變換器幾乎不工作，滿足系統(tǒng)控制目標要求。

FC+UC復合電源系統(tǒng)進行變功率運行實驗，其結果如圖4所示，圖中實線為FC變換器輸出功率，虛線為總的功率需求。圖5為此實驗轉速轉矩參考值。

從圖5中可以看出FC變換器以慣性曲線形式提供功率避免其響應高頻負載而UC變換器提供不足功率。在此控制方案下當功率變化時，F(xiàn)C變換器的功率變化按照控制方式即慣性環(huán)節(jié)特性進行變化。因此利用慣性環(huán)節(jié)可以有效抑制其響應高頻負載，滿足系統(tǒng)控制目標要求。

圖3 FC+UC電源系統(tǒng)勻速驅動電源功率分配Fig.3 FC+UC Power allocation of power sources in uniform velocity driving

圖4 FC+UC復合電源系統(tǒng)變功率電源功率分配Fig.4 Power allocation of power sources in variable power

圖5 FC+UC復合電源系統(tǒng)轉速轉矩參考值Fig.5 Rotate speed and torque reference values

將此控制算法用于進行UDDS(urban dynamometer driving schedule，UDDS)運行的功率控制以測試其效果。FC+UC復合電源系統(tǒng)UDDS工況測試如圖6所示，圖中虛線為參考值而實線為跟蹤值，兩者幾乎重合，實驗結果表明系統(tǒng)能很好的進行復雜工況運行。

實驗結果表明對于FC+UC復合能量系統(tǒng)，該控制方案下能穩(wěn)定的工作并且能有效的跟蹤車輛對功率的需求。

圖6 FC+UC復合電源系統(tǒng)UDDS工況測試Fig.6 UDDS work condition testing

4 小結

以往研究更多地關注整車能量管理研究與經(jīng)濟性，本文針對燃料電池(FC)+超級電容(UC)復合電源構型進行瞬時功率研究。復合電源系統(tǒng)采用上下級的分級控制方案，即驅動控制器充當上層控制器完成功率的分配計算，通過CAN通訊的方式發(fā)令，下層的各個電源變換器子系統(tǒng)收到各自的給定量，充當執(zhí)行機構完成最終的功率分配。由于FC不利于響應高頻負荷，對FC變換器加入一階慣性延遲環(huán)節(jié)濾波以抑制其響應變化率。UC由于其很好的功率響應特性，對其功率響應不加限制，僅加入限流和限壓保護。此方案可以抑制FC高頻響應，對FC進行保護提高其工作效率與使用壽命而且對單片機的計算能力要求不高，易于工程化實現(xiàn)。

［1］UZUNOGLU M，ALAM M S. Modeling and analysis of an FC+UC hybrid vehicular power System using a novel-wavelet-based load sharing algorithm［J］. IEEE Transactions on Energy Conversion，2008，23（1）：263-272.

［2］ARDALAN V，WESLEY G. A decentralized model predictive control approach to power management of a fuel cell-ultracapacitor hybrid［C］//Proceedings of the 2007 American Control Conference，New York，USA：IEEE，2007：5431-5437.

［3］RODATZ P，PAGANELLI G，SCIARRETTA A，et al. Optimal power management of an experimental fuel cell/supercapacitor-powered hybrid vehicle［J］.Control Engineering Practice，2005，13（1）：41-53.

［4］ZDENEK C，PAVEL M. Regenerative braking by electric hybrid vehicles using super capacitor and power splitting generator［C］//EPE Dresden，2005，Dresden Germany:IEEE，2005：1-10.

［5］JULIA S，JULIA S B，RIK W D. Optimized energy management for fuelcell-supercap hybrid electric vehicles［C］//Vehicle Power and Propulsion：2005 IEEE Conference，Chicago，USA：IEEE，2005：341-348.

［6］MAHSHID A，SHAHROKH F. Fuzzy control of a hybrid power source for fuel cell electric vehicle using regenerative braking ultracapacitor［C］//EPE-PEMC，2006，Portoroz，Slovenia：IEEE，2006：1389-1394.

［7］FAZAL U S，DIMITAR F.Fuzzy rule-based driver advisory system for fuel economy improvement in a hybrid electric vehicle［C］//Fuzzy Information Processing Society：Annual Meeting of the North American NAFIPS’07，San Diego，USA：IEEE，2007：178-183.

［8］陳全世，仇斌，謝起成.燃料電池電動汽車［M］.北京：清華大學出版社，2005：28-38.

［9］仇斌，陳全世，黃勇.采用超級電容的燃料電池城市客車參數(shù)匹配和性能仿真［J］.汽車工程，2007（1）：41-45.

［10］張冰戰(zhàn)，趙韓，張炳力，等.超級電容與燃料電池發(fā)動機混合動力系統(tǒng)測試研究［J］.汽車技術，2008（4）：44-47.

［11］SCHELL A，PENG H，TRAN D. Modeling and control strategy development for fuel cell electric vehicles［J］.Annual Reviews in Control，2005（29）：159-168.

［12］OSVALDO B，ERIC R W，F(xiàn)RANCESCO V. Power management decoupling control for a hybrid electric vehicle［C］//Proceedings of the 44th IEEE Conference on Decision and Control and the European Control Conference 2005 ，Seville，Spain：IEEE，2005：2012-2017.

［13］WU DI ，SHELDON S W. Performance characterization and comparison of power control strategies for fuel cell based hybrid electric vehicles［C］//Vehicle Power and Propulsion Cenference 2007，Arlington，USA：IEEE，2007：55-61.

［14］曾建軍.超級電容儲能裝置的應用研究［J］.華東交通大學學報，2009，26（5）：54-58.