燃料电池/蓄电池混合动力汽车能量管理系统研究

陈明帅 华青松 张洪伟 隋宗强 李立伟

摘要： 为合理分配燃料电池/蓄电池电源投入的功率及很好地保护蓄电池，本文利用Matlab/Simulink搭建了燃料电池/蓄电池混合动力汽车整车系统模型，并基于燃料电池系统的功率效率曲线，设计了其能量管理系统（energy management system，EMS），根据蓄电池的荷电状态（state of charge，SOC）和负载需求功率分为14种状态，以此确定燃料电池系统的输出参考功率，在合理保护蓄电池的同时，尽可能地提高燃料电池系统的输出效率。为测试该能量管理系统对燃料经济性的改善程度，本文在Matlab/Simulink环境下进行仿真模拟。仿真结果表明，与基于功率追踪的EMS相比，本文提出的EMS蓄电池储存的电能更高，可以有效地减少氢气的消耗，同时使蓄电池的SOC保持在合理区域，使混合动力汽车具有更好的经济性和安全性。该研究具有重要的经济实用价值。

关键词： 燃料电池； 蓄电池； 能量管理系统； Matlab/Simulink； SOC

中图分类号： TM911.4； TM912； U469.72 文献标识码： A

收稿日期： 20170518； 修回日期： 20170824

基金项目： 863计划项目资助（2014AA052303）；山东省自然科学基金项目资助（Y2008F23）；山东省科技发展计划项目资助（2011GGB01123）；山东省自主创新及成果转化专项（2014ZZCX05501）

作者简介： 陈明帅（1992），男，硕士研究生，主要研究方向为电力系统在线监测及故障诊断。

通讯作者： 李立偉（1970），男，山东人，博士，教授，硕士生导师，主要研究领域为电力系统的智能监测和状态维修，可再生能源接入与智能配电网技术，电能质量调节与控制，高速列车运行监测、控制系统及新能源汽车电控系统开发等。Email： ytllw@163.com 汽车是人类交通发展史上最重要的发明之一。随着汽车数量的不断增多，汽车尾气大量排放，环境污染问题越来越严重，能源危机问题日益凸显。因此，大力发展环境友好型的汽车已成为汽车发展的重要方向[14]。纯电池电动汽车虽然几乎“零污染”，但其充电时间长、续驶里程短的缺点为日常出行带来诸多不便，而燃料电池存在输出特性曲线软和功率响应慢的缺点[56]。因此，基于燃料电池与蓄电池的混合动力汽车应运而生，能量管理系统则在二者的功率分配、整车的动力性能及燃耗的经济性方面起着重要的作用。能量管理系统对混合动力系统功率的优化分配分为全局优化和实时优化两类。D. Feroldi等人[7]提出了基于稳态性效率图的控制策略；H.Hemi等人[8]设计了一种基于Pontryagin原理的最优功率分配策略。以上研究都在一定程度上降低了燃料的消耗；而B.Erdinc等人[9]则是以瞬时等效燃耗最低为目标函数，同时引入惩罚因子的方法来对蓄电池的SOC进行调控，使混合动力系统拥有较好的经济性；O. Farouk等人[10]则研究了两种控制策略，一种是基于模糊控制的能量管理策略，另一种则是基于最优控制的能量管理策略，并通过实验验证最优控制策略的经济性更好。基于此，本文提出的是一种基于燃料电池系统功率效率曲线的实时优化控制策略，在保证蓄电池工作于合理充放电和SOC的前提下，最大限度的提高燃料电池系统的效率，以达到实现燃料消耗最低的目的。该研究具有一定的经济适用性。

1燃料电池/蓄电池混合动力系统模型

燃料电池/蓄电池混合动力系统模型如图1所示。该模型参考Honda FCX Clarity实车建立，主要由燃料电池系统模块、蓄电池功率计算模块、DC/DC变换器模块、电机系统模块、蓄电池模块、车辆动力学模块和能量管理控制模块构成。

车辆、永磁同步电机、燃料电池和蓄电池模块参数如表1～表4所示。

1.1燃料电池系统建模

本文所用到的燃料电池模型是基于开路电压EOC，塔菲尔斜率A和交换电流i0建立的模型。其输出电压为[11]

VFC=EOC-NAlniFCi01sTd/3+1-iFCrFCin（1）

式中，Td为反应时间；iFC为燃料电池电流；rFCin为燃料电池内阻；N为反应单元数。开路电压EOC为在额定条件下的电压常数KC和能斯特电压En的乘积，即

EOC=KCEn（2）

En=1229+（T-298）-44432F+RT2Fln（PH2P1/2O2）， T≤373K（3）

式中，T为反应温度；F为法拉第常数；PH2为氢气进入反应堆的分压；PO2为氧气进入反应堆的分压；PH2O为水蒸气在反应堆的分压。即

PH2=（1-UfH2）x%Pfuel（4）

PO2=（1-UfO2）y%Pair（5）

PH2O=（w+2y%UfO2）Pair（6）

式中，Pfuel为燃料的绝对压力；Pair为空气的绝对压力；x为氢气在燃料中的比重；y为氧气在空气中的比重；w为氧化剂中水蒸气的百分比；UfH2为氢气的利用率；UfO2为氧气的利用率。即

UfH2=60 000RTiFCzFPfuelVfuelx%（7）

UfH2=60 000RTiFC2zFPairVairy%（8）

式中，Vfuel为燃料的流速，L/min；Vair为空气的流速，L/min。

燃料电池系统不仅有质子交换膜燃料电池（proton exchange membrane fuel cells， PEMFC），还有相应的辅助设备[1213]。而空气压缩机占辅助设备消耗功率Paux的95%，本文只考虑空气压缩机的消耗功率，所以燃料电池系统的实际输出功率为

Pout=Pstack-Paux（9）

式中，Pstack和Pout和分别为燃料电池和燃料电池系统的输出功率。如果燃料电池本身的效率为ηFC，则燃料电池系统的输出效率为

该燃料电池系统的整体效率和功率关系如图2所示。

1.2蓄电池建模

本文所用的蓄电池模型是基于空载电压Ebatt，内阻rbatt，电池电流ibatt建立的模型。其中，Ebatt分为充电空载电压Ebattcha与放电空载电压Ebattdis，即

Ebattdis=E0-K＼[Q/（Q-it）＼]i*-

K＼[Q/（Q-it）＼]it+Aexp（-Bit）（11）

Ebattcha=E0-K＼[Q/（01Q+it）＼]i*-

K＼[Q/（Q-it）＼]it+Aexp（-Bit）（12）

式中，Q为最大电池容量；it为电池实际放电容量；K为极化系数；A为指数放电区电压值；B为指数区时间常数倒数[1416]。

蓄电池在满充的情况下，电池的SOC为100%；在电量全部耗尽的情况下，电池的SOC为0%。SOC的计算公式为[11]

SOC=1001-1Q∫t0i（t）dt（13）

本文采用的蓄电池额定容量为25 A·h，额定电压为288 V的锂离子电池。蓄电池放电特性曲线如图3所示。

1.3DC/DC变换器建模

由于燃料电池动态响应慢，当电流增大时，电压减小，不适合直接带负载。因此，需要合适的DC/DC变换器，使燃料电池的输出电压更加稳定，从而满足电机电压的需求[1719]。由于燃料电池的电压高于负载侧电压，所以采用电流控制的降压电路。DC/DC變换器的仿真模型如图4所示。

通过对燃料电池输出效率分析可知，燃料电池系统在低功率区域和高功率区域效率都较低，同时由于燃料电池动态响应缓慢的特性，功率波动对燃料电池系统的效率也会产生影响。因此，合理控制蓄电池的充放电功率，使燃料电池系统尽可能在输出高效区工作，减少功率波动成为能量管理策略的重点。需充分考虑蓄电池使用寿命和安全性，使蓄电池的SOC控制在合理范围内。因此，引入燃料电池系统输出功率节点PFCmin和PFCmax-PB（如图2中所示）。燃料电池系统的最大输出功率定义为PFCmax，蓄电池的充放电功率分别限制为PB和-PB；SOC的高低限值定义为SOCH和SOCL，将蓄电池的SOC分为3个区域：低SOC区（SOC<40%），正常SOC区（40%≤SOC≤80%），高SOC区（SOC>80%）；负载功率需求定义为PL。

控制策略根据不同的SOC状况及负载功率需求，大致可分为14个状态，其中为避免在SOC分点SOCH和SOCL处的波动及状态的频繁切换，设置状态保持策略。当SOC由正常区进入高SOC区时，将会持续采取高SOC区控制策略至SOC值小于78%，才恢复到正常区控制策略。同理，当SOC由正常区进入低SOC区时，将会持续采取低SOC区控制策略至SOC值大于42%，才恢复到正常区控制策略。本文提出的控制策略如表5所示，由表5可以看出：

3仿真及结果分析

为测试该能量管理系统对燃料经济性的改善程度，本文在Matlab/Simulink环境下进行仿真模拟。为验证跨SOC区时的状态保持策略，更好地对比燃料消耗，分别将本文提出的能量管理策略和基于功率追踪的能量管理策略应用于同一燃料电池混合动力汽车，并在新欧洲行驶循环（new european driving cycle，NEDC）工况中的市区工况与郊外工况中进行模拟，蓄电池初始SOC选为736%。循环工况如图6所示。基于功率追踪控制的能量管理策略仿真曲线如图7所示。由图7可知，燃料电池的输出功率以负载的需求功率为依据，蓄电池是在起步加速过程中提供瞬时功率来弥补燃料电池动态响应慢的缺点，在减速刹车时回收再生制动产生的能量。

由图8可以看出，通过蓄电池的充放电可以使燃料电池避免工作在低效率区域，同时在负载低功率时，燃料电池基本保持恒定输出，大大减少了输出功率的波动；在366 s时，蓄电池的SOC达到80%，此时将进入高SOC区，并执行状态保持策略，为使与基于功率追踪控制策略的SOC值最终基本相等，在366 s后，持续执行高SOC控制策略；在524 s时，汽车刹车产生的再生制动能量远大于设定的蓄电池的充电功率限值，此时燃料电池系统输出功率置为0，刹车电阻投入工作，消耗多余的能量，蓄电池的充电功率被限制在25 000 W，直到再生制动能量小于蓄电池的充电功率限值时，燃料电池又渐渐根据再生制动能量的具体情况投入工作，最后工作于PFCmin。

两种能量管理策略仿真蓄电池SOC曲线和燃料消耗曲线如图9和图10所示，其中基于提出的EMS的SOC和燃料消耗最终值分别为76%和2198 g，基于功率追踪控制的SOC和燃料消耗最终值分别为7572%和2286 g。通过数值对比可以发现，本文提出的能量管理系统最终的结果是蓄电池储存的电能更高，而燃料消耗更小，因此具有更好的经济性。

结束语

本文根据纯燃料电池汽车和纯电动汽车存在的优缺点，设计仿真了燃料电池/蓄电池混合动力汽车，并根据燃料电池系统的输出效率曲线，设计了一种新的燃料电池/蓄电池能量管理控制系统，并在Matlab/Sinulink环境下进行了仿真验证。通过和基于功率追踪的能量管理系统进行对比可以看出，本文所提出的控制策略可有效地减少燃料消耗，提高整车经济性。同时，能很好的保护蓄电池，提高整车安全性。该研究对混合动力汽车的功率分配问题具有指导意义。

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