混合動(dòng)力系統(tǒng)建模及能量管理策略應(yīng)用

王 哲，郭迎清

（西北工業(yè)大學(xué)動(dòng)力與能源學(xué)院，西安710072）

0 引言

隨著全球性石化能源短缺和環(huán)境問題的日益嚴(yán)峻，動(dòng)力系統(tǒng)的效率、污染排放、噪聲等問題備受關(guān)注。傳統(tǒng)的燃油發(fā)動(dòng)機(jī)在這些方面有巨大缺陷，而電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)憑借效率高、噪聲低和能源多樣性的優(yōu)點(diǎn)在近些年得到更多關(guān)注，但是受限于蓄電池的能量密度，續(xù)航時(shí)間普遍較短。燃料電池/蓄電池混合動(dòng)力系統(tǒng)是提高電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)續(xù)航時(shí)間的1種有效方案，最早應(yīng)用于電動(dòng)汽車行業(yè)，屬于“電電”混合動(dòng)力，其儲(chǔ)能部件是蓄電池和使用清潔燃料（如氫氣、甲醇）的燃料電池，與傳統(tǒng)的油電混合動(dòng)力系統(tǒng)相比污染更小、效率更高。燃料電池/蓄電池混合動(dòng)力系統(tǒng)在航天飛機(jī)等空間飛行器的電力系統(tǒng)和高空無(wú)人機(jī)、多電飛機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)中有良好應(yīng)用前景[1-2]，并已經(jīng)有許多成功案例：NASA研制了使用太陽(yáng)能/燃料電池/蓄電池混合動(dòng)力的高空長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)“太陽(yáng)神”，波音公司研制了第1架燃料電池/鋰電池混合動(dòng)力載人飛機(jī)，并進(jìn)行飛行試驗(yàn)[3]。由于燃料電池系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)較慢，輸出特性較軟，無(wú)法滿足負(fù)載功率變化比較大的工作情況，需要采用蓄電池來(lái)增加系統(tǒng)瞬時(shí)功率輸出，能量管理技術(shù)成為燃料電池/蓄電池混合動(dòng)力系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。在電動(dòng)汽車領(lǐng)域，燃料電池/蓄電池混合動(dòng)力系統(tǒng)能量管理策略已有較多研究[4-5]。金振華等[4]在選定的工況下，用動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法計(jì)算車輛最優(yōu)功率分配方案，并依次設(shè)計(jì)模糊控制器對(duì)系統(tǒng)能量流動(dòng)實(shí)時(shí)管理；Erdinc等[5]基于小波變換理論研究能量管理策略，將功率高頻部分和低頻部分分配給不同儲(chǔ)能部件；在航空航天領(lǐng)域，劉莉等[6]提出1種考慮全機(jī)質(zhì)量能量耦合關(guān)系的總體設(shè)計(jì)方法和任務(wù)剖面驅(qū)動(dòng)的能量管理策略；方麗娟等[7]設(shè)計(jì)了平流層飛艇多能源優(yōu)化控制系統(tǒng)；混合動(dòng)力系統(tǒng)的拓?fù)浼軜?gòu)設(shè)計(jì)也是未來(lái)飛機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的組成部分[8-10]。

有限狀態(tài)機(jī)（Finite-state machine）是表示有限個(gè)狀態(tài)及在這些狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移和動(dòng)作等行為的數(shù)學(xué)模型，若有限狀態(tài)機(jī)狀態(tài)集、輸入集以及轉(zhuǎn)移函數(shù)都是確定的，稱為確定的有限狀態(tài)機(jī)（Deterministic finite-state machine，DFSM）適合基于邏輯規(guī)則的能量管理策略的實(shí)現(xiàn)。

本文基于Matlab/Simulink平臺(tái)建立了質(zhì)子膜燃料電池（Proton exchange membrane fuel cell，PEMFC）、蓄電池（Battery）的部件模型和燃料電池/蓄電池混合動(dòng)力系統(tǒng)模型?；谟邢逘顟B(tài)機(jī)能量管理系統(tǒng)（Energy Management System），對(duì)能量管理開展研究。

1 PEMFC/BAT混合動(dòng)力系統(tǒng)建模

1.1 PEMFC/BAT模型

燃料電池模型以PEMFC為原型。PEMFC的燃料為氫，反應(yīng)物產(chǎn)物是水，具有壽命長(zhǎng)、低噪聲和效率高的優(yōu)點(diǎn)。為了降低建模復(fù)雜度，本文所建模型主要反映燃料電池電堆的輸出特性，模型所需的結(jié)構(gòu)參數(shù)和過(guò)程參數(shù)源自文獻(xiàn)[11-12]，PEMFC模型如圖1所示，反映PEMFC輸出特性的極化曲線如圖2所示。模型的輸入是工作電流Ist，陰極干空氣流量Frdair，陰極進(jìn)口空氣壓力Paircomp，陰極出口背壓Pbp，陽(yáng)極流量閥開度Oanfr，電堆工作溫度Top，輸出是電堆電壓Vstack等。

圖1 燃料電池模型

圖2 標(biāo)稱狀況下PEMFC極化曲線

PEMFC模型由陰極子模型、陽(yáng)極子模型、電壓計(jì)算子模型組成。陰極模型以氧氣、氮?dú)?、水的質(zhì)量流量動(dòng)態(tài)平衡為基礎(chǔ)，計(jì)算氧氣和水蒸氣的分壓變化；陽(yáng)極模型以氫氣和水的質(zhì)量流量動(dòng)態(tài)平衡為基礎(chǔ)，計(jì)算氫氣的分壓變化。利用帶修正項(xiàng)的理想氣體方程計(jì)算容腔內(nèi)的氣體壓力。PEMFC的容積動(dòng)態(tài)是其主要的動(dòng)態(tài)特性，流道內(nèi)質(zhì)量動(dòng)態(tài)特性的一般形式為[13]

式中：WX，in、WX，out、WX，reached、WX，member分別為流道內(nèi)物質(zhì)流入、流出、反應(yīng)消耗、通過(guò)質(zhì)子膜滲透對(duì)應(yīng)的質(zhì)量流量。

電壓計(jì)算子模型基于一系列電化學(xué)方程，考慮電池的電容效應(yīng)，但由于電容效應(yīng)的動(dòng)態(tài)遠(yuǎn)快于容積動(dòng)態(tài)，因此其影響并不明顯。Vstack計(jì)算取決于PEMFC的理想熱力學(xué)電動(dòng)勢(shì)和3種極化電壓損失：活化極化、濃差極化和歐姆極化。單片電池的輸出電壓為

式中：Enerst為PEMFC的理想熱力學(xué)電動(dòng)勢(shì)；νact為活化極化電壓損失；νconc為濃差極化電壓損失；νohm為歐姆極化電壓損失。

考慮完整電池堆與外電路之間的接觸電阻Rres和電堆中單電池的數(shù)量Nc，電堆電壓可表示為

燃料電池?zé)崃W(xué)電動(dòng)勢(shì)的一般形式為

式中：ΔG為電池反應(yīng)Gibbs自由能的變化；ΔS為電池反應(yīng)的熵變化；F、R為熱力學(xué)常數(shù)。由于PEMFC陽(yáng)極反應(yīng)物為氫氣（H2），陰極反應(yīng)物為氧氣（O2），代入反應(yīng)過(guò)程的 ΔG、ΔS、和F、R 的數(shù)值，式（4）轉(zhuǎn)化為

對(duì)PEMFC模型進(jìn)行放電測(cè)試仿真。在只改變陰極干空氣流量Frdair時(shí)，模型輸出電壓Vstack如圖3所示。在一定范圍內(nèi)空氣流量的過(guò)量比增大會(huì)引起Vstack的升高，但超過(guò)某個(gè)閾值后，過(guò)量比增大會(huì)導(dǎo)致Vstack的明顯降低。在只改變電堆工作溫度Top時(shí)，模型輸出電壓Vstack如圖4所示。Top由300 K升高至360 K時(shí)，Vstack先升后降，仿真結(jié)果符合PEMFC實(shí)際特性。

蓄電池模型需要滿足2個(gè)基本條件：（1）反映正確的電池伏安特性；（2）能夠準(zhǔn)確估算電池的荷電狀態(tài)（State of charge）。本文所建立的蓄電池模型以磷酸鐵鋰電池為原型[14]，輸入為工作電流Ibat，輸出為電池電壓Vbat，模型如圖5所示。對(duì)蓄電池模型進(jìn)行仿真放電測(cè)試，極化曲線如圖6所示。

圖3 陰極空氣流量對(duì)Vstack影響

圖4 電堆工作溫度對(duì)Vstack影響

圖5 鋰電池模型

圖6 鋰電池極化曲線

1.2 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析

燃料電池/蓄電池混合動(dòng)力系統(tǒng)根據(jù)變換器類型不同，有多種不同的拓?fù)浞绞?。燃料電池和蓄電池間接并聯(lián)是1種常見的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖7所示。燃料電池和負(fù)載之間用單向直流/直流升壓變換器連接，輔助蓄電池通過(guò)雙向直流/直流變換器與系統(tǒng)直流母線連接。該拓?fù)浞绞绞瓜到y(tǒng)直流母線電壓不會(huì)直接影響燃料電池的功率輸出能力，減少直流總線的電壓紋波，提高負(fù)載的運(yùn)行效率。雙向直流/直流變換器可以調(diào)節(jié)蓄電池的輸入和輸出功率，避免電池的“過(guò)充過(guò)放”。單向直流變換器可調(diào)節(jié)燃料電池側(cè)的電流波動(dòng)，避免高頻電流損傷燃料電池。

圖7 燃料電池/蓄電池混合動(dòng)力系統(tǒng)拓?fù)?/p>

1.3 PEMFC/BAT模型混合動(dòng)力系統(tǒng)模型

Simscape是Matlab/Simulink平臺(tái)下的1個(gè)工具包，其中的電氣子系統(tǒng)包含完善的電氣部件，利用其中的變換器模型，可以簡(jiǎn)化燃料電池/蓄電池混合動(dòng)力系統(tǒng)的建模[15]。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的電機(jī)逆變器和負(fù)載電機(jī)部分簡(jiǎn)化為1個(gè)指定負(fù)載功率計(jì)劃模塊，雙向升/降壓直流變換器用單向升壓變換器和單向降壓變換器逆向并聯(lián)來(lái)代替。根據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)燃料電池、鋰電池、模擬負(fù)載模塊和變換器進(jìn)行連接，并加入能量管理模塊組成燃料電池/蓄電池混合動(dòng)力系統(tǒng)能量管理模型，如圖8所示。

圖8 燃料電池/蓄電池混合動(dòng)力系統(tǒng)能量管理模型

2 PEMFC/BAT混合動(dòng)力系統(tǒng)能量管理策略

能量管理所使用的控制策略可分為2類，即基于規(guī)則和基于優(yōu)化的控制策略。能量管理的核心目的是滿足負(fù)載靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的功率需求，即通過(guò)控制措施使能量密度高但響應(yīng)較慢的能量裝置滿足負(fù)載的功率低頻需求，功率密度高同時(shí)響應(yīng)快的能量裝置滿足負(fù)載的功率高頻需求。本文研究的基于有限狀態(tài)機(jī)的管理策略是基于規(guī)則的控制策略中的1種典型方法。

2.1 驅(qū)動(dòng)模式分析

本文研究的多能源管理策略主要包括3種驅(qū)動(dòng)模式：起動(dòng)模式、低負(fù)載工況模式和高負(fù)載工況模式。

2.1.1 起動(dòng)模式

在該模式下由蓄電池為負(fù)載電機(jī)及燃料電池附件供電，當(dāng)燃料電池的陰極流道的空氣壓力和陽(yáng)極流道的壓力穩(wěn)定，且燃料電池預(yù)熱到一定到工作溫度后，再根據(jù)工況功率需求和蓄電池荷電狀態(tài)決定燃料電池的啟動(dòng)與否。該模式下的功率平衡關(guān)系為

式中：Pload為工況需求功率；為負(fù)載實(shí)際需求功率；Pfc為燃料電池系統(tǒng)輸出功率；Pbat為蓄電池輸入/輸出功率（符號(hào)為正表示向直流總線放電，符號(hào)為負(fù)表示向蓄電池充電）；ηl為負(fù)載的工作效率，ηl除與負(fù)載自身的性能有關(guān)外，還與直流總線輸入的電壓品質(zhì)以及工況需求相關(guān)，是1個(gè)時(shí)變的數(shù)值。

2.1.2 低負(fù)載工況模式

在該模式下由燃料電池單獨(dú)驅(qū)動(dòng)負(fù)載，若此時(shí)蓄電池荷電狀態(tài)處于低電量或者標(biāo)稱范圍，且負(fù)載實(shí)際需求功率d在燃料電池所能提供的最大輸出功率Pfcmax和最小輸出功率Pfcmin之間時(shí)，燃料電池對(duì)負(fù)載供電，并給蓄電池充電。蓄電池的充電功率由燃料電池的輸出功率剩余值以及電池本身的充電功率限制決定。該模式下的功率平衡關(guān)系為

式中：Pfcr為燃料電池輸出的功率高于實(shí)際負(fù)載需求的部分；Pbatcmax為蓄電池充電功率上限；ηDC2為雙向直流變換器降壓工作效率。

2.1.3 高負(fù)載工況模式

2.2 有限狀態(tài)機(jī)EMS設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的EMS的輸入變量為工況需求功率Pload和蓄電池荷電狀態(tài)Sbat，輸出變量為燃料電池系統(tǒng)參考輸出功率Pfcref和蓄電池參考輸入/輸出功率Pbatref和蓄電池的充電電壓Vbatcref。有限狀態(tài)機(jī)模塊的狀態(tài)設(shè)定為蓄電池荷電狀態(tài)Sbat，驅(qū)動(dòng)事件設(shè)定為工況需求功率Pload。有限狀態(tài)機(jī)EMS見表1。具體編程可以利用Matlab/Simulink中的S-Function或是StateFlow工具箱。

表1 有限狀態(tài)機(jī)控制策略

根據(jù)第1.1節(jié)中燃料電池和鋰電池模型的仿真測(cè)試結(jié)果，有限狀態(tài)機(jī)EMS設(shè)定參數(shù)見表2。Pfcmin、Pfcmax、Pfcopt分別為燃料電池的最小、最大、標(biāo)稱輸出功率；Sbatmin、Sbatnom1、Sbatnom2、Sbatmax分別為設(shè)定的蓄電池低電量區(qū)閾值、電量標(biāo)稱區(qū)下限、電量標(biāo)稱區(qū)上限、高電量區(qū)閾值；Pbatdmax、Pbatcmax分別為蓄電池的最大放電功率、最大充電功率。

表2 有限狀態(tài)機(jī)設(shè)定參數(shù)

3 結(jié)果分析

根據(jù)系統(tǒng)功率等級(jí)制定180 s的負(fù)載功率需求計(jì)劃。在此條件下進(jìn)行仿真，得到的功率分配曲線如圖9所示，蓄電池荷電狀態(tài)變化如圖10所示，燃料電池的氫氣消耗如圖11所示，燃料電池的瞬時(shí)效率如圖12所示。

從圖9中可見，燃料電池可以依據(jù)EMS對(duì)負(fù)載和蓄電池供電。在負(fù)載功率極端變化時(shí)，蓄電池能夠起到“削峰填谷”的作用，即在負(fù)載功率過(guò)高時(shí)輔助放電，過(guò)低時(shí)充當(dāng)“負(fù)載”，儲(chǔ)存電量。

圖9 功率分配

圖10 蓄電池荷電狀態(tài)

圖11 燃料消耗

圖12 燃料電池瞬時(shí)效率

蓄電池荷電狀態(tài)在58.5%～61.5%的范圍內(nèi)變化，其趨勢(shì)與EMS分配的蓄電池功率相匹配。燃料電池在整個(gè)工作過(guò)程中消耗氫氣17.09 g，在以最大功率工作時(shí)，其瞬時(shí)效率保持在較低數(shù)值。

對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行定性分析能反映燃料電池/蓄電池混合動(dòng)力系統(tǒng)的工作情況，EMS可以實(shí)現(xiàn)功率分配。進(jìn)行定量分析可發(fā)現(xiàn)部件實(shí)際功率與設(shè)定值有一定誤差，負(fù)載功率變化劇烈時(shí)會(huì)出現(xiàn)短時(shí)間的功率分配異常。

4 結(jié)論

（1）Matlab/Simulink下建立的質(zhì)子膜燃料電池模型能正確反映燃料電池電堆的輸出特性，蓄電池模型能正確反映電池伏安特性和估算電池荷電狀態(tài)。

（2）采用燃料電池和蓄電池間接并聯(lián)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)構(gòu)建混合動(dòng)力系統(tǒng)，可減少直流總線的電壓紋波，提高負(fù)載運(yùn)行效率，并限制燃料電池側(cè)電流波動(dòng)和蓄電池充放電功率，避免二者處于惡劣工況。

（3）基于有限狀態(tài)機(jī)思想設(shè)計(jì)了EMS，仿真結(jié)果顯示，EMS能調(diào)節(jié)混合動(dòng)力系統(tǒng)使其滿足負(fù)載功率需求，并合理分配燃料電池功率使其盡量跟隨負(fù)載功率變化，減少功率損失；蓄電池對(duì)負(fù)載功率需求起到“削峰填谷”的作用，Sbat估算合理。

本文驗(yàn)證了混合動(dòng)力系統(tǒng)模型作為能量管理平臺(tái)的可用性，為進(jìn)一步制定優(yōu)化能量管理策略奠定基礎(chǔ)。