氢燃料-光伏电池汽车动力系统分层能量管理策略

任明　王铁

摘 要：汽车产业的热门趋势是新能源汽车，光伏电池汽车和燃料电池汽车的技术却未被开发，正是最好的发展方向。本文根据燃料电池和光伏电池的工作原理及输出特性，对其进行数学建模，选用双向全桥DC/DC变换器，作为系统控制的一部分，使用传统移相控制正向工作模式，并对其传输功率进行分析。利用matlab/simulink软件对上面的建立的数学模型进行建模仿真，建立出氢燃料-光伏电池汽车动力系统模型。分析研究氢燃料电池和光伏电池的能量控制理论，从而设计出系统级的协调控制与能量管理，即分层能量管理策略。

关键词：燃料电池 光伏电池 能量控制 动力系统 建模仿真

1 引言

从近代的汽车发展情况来看，汽车科技研究得到充分关注，发展迅速，从而引发了严峻的能源、环境问题[1]。汽车工业将会向节能、减排方向发展，这样就形成了两条道路。一条是从传统原始的内燃发动机着手，研究突破新技术，能够将汽油更高效地利用起来，可以起到节能的效果，同时在尾气排放方面引进新技术，能够降低乃至零排放。另一条就是发展新能源汽车，这个相比较研究传统内燃机突破新技术更有发展前景，新能源汽车本身使用的就是环保的可再生能源，所以在节能、减排方面极大地符合了当前汽车工业发展的趋势[2]。而且，新能源相比较传统的汽油在价格方面也是比较低廉。

本文研究了氢燃料电池+光伏电池+蓄电池的电动汽车的动力系统控制，分为多种搭配供电情况，利用matlab/simulink软件进行建模仿真，建立出氢燃料-光伏电池汽车动力系统模型，对动力系统的能量管理进行了分层控制，合理分配燃料电池和光伏电池的能量。

2 系统级的协调控制与管理

三个能量源的能量管理策略设计控制管理较为复杂，可以将其进行分层管理控制，采用分层能量管理控制可以将三个能量源分为两层，每层对两个能量源进行能量管理控制，根据这一设计思路可以将本课题研究的动力系统划分为氢燃料电池和蓄电池的能量管理控制、光伏电池和蓄电池的能量管理控制。该策略分为上下两层，上层的能量管理控制方法为根据燃料电池的内部原理和蓄电池的SOC值来设计燃料电池的最优输出功率;下层能量管理控制方法为根据光伏电池的输出特性和蓄电池的SOC值来判断光伏电池的最佳功率。下图为分层能量管理策略。

2.1 上层能量管理策略

根据燃料电池的稳态工作特性，进行划分区域;然后再根据燃料电池的内部特性即在充电和放电的时候电池内部电阻的特点，划分不同工作状态;最后分析汽车的实际需求功率来分配能量，设计出燃料电池的能量管理策略[3]。

当蓄电池的SOC值发生改变时，工作效率与电池的SOC值变化保持一致，本文设计的燃料电池的能量管理策略，是根据蓄电池的SOC值以及系统内部参数、驱动电机驱动功率来判断使用情况。

燃料电池和蓄电池一起工作时会出现一个问题：当系统状态切换时，对应的能量管理策略也会随之发生改变，系统状态会发生来回切换，能量管理策略控制起来较为繁琐。为解决这一问题，可以引进一个磁滞环，可以避免状态切换在特殊点处发生来回切换即发生波动，提高电池利用效率。下图为电池工作状态切换图。

图中实线表示电池放电曲线，虚线表示电池充电曲线，当蓄电池的SOC值小于0.5时，燃料电池为其充电，处于充电状态;当SOC值位于0.5至0.8之间时，燃料电池继续为其充电，处于最佳状态;当SOC值大于0.8时，燃料电池不再为其充电，蓄电池开始放电，处于放电状态。

根据燃料电池的稳定性和工作区间以及不同的负载功率，保证燃料电池的功率输出状态是最优结果。

2.1.1 放电状态

当蓄电池的SOC值大于0.8时，蓄电池开始放电，燃料电池和其他装置功率划分如下：

当所需功率时：

式中是辅助能量源功率。

当所需功率时：

当所需功率时：

2.1.2 最佳状态

当蓄电池处于最佳状态时，电池的SOC值适中，燃料电池和其他装置功率划分如下：

当所需功率时：

当所需功率时：

当所需功率时：

2.1.3 充电状态

当蓄电池的SOC值小于0.5时，燃料电池会对其充电。燃料电池和其他装置功率划分如下：

当所需功率时：

当所需功率时：

式中是蓄电池的最大充电功率。

当所需功率时：

以上就是蓄电池的三种状态下的上层能量管理策略，结合负载，根据所需功率的范围来制定能量管理策略。

2.2 下层能量管理策略

下层的能量管理策略主要是针对光伏电池和蓄电池，由于光伏电池是通过太阳光进行发电，所以相比较氢气资源几乎不用成本，尽量使用光伏电池能量，当下层管理策略不能支持驱动电机正常运转时，再引入上层能量管理策略。

光伏电池产生电能的大小是根据太阳光的辐射强度和周围环境温度来判断[4]，所以光伏电池的输出特性不是线性的。本文对光伏电池发电控制只是光照强度方面，通过改变光照强度，来判断光伏电池的发电效果，结合蓄电池的SOC值，按照电池工作状态切换设置，可以得出下层能量管理策略。

利用建立的光伏电池模型，对其光照的强度进行分类，当振幅为时，对应的是低光照强度;当振幅为时，对应的是高光照强度。利用不同的光照强度和蓄电池的SOC值，得出下层能量管理策略。

3 结语

本章主要研究了管理控制，首先对氢燃料电池的低、中和高需求功率下的能量管理策略做出研究。然后，对光伏电池的光照强度分类，得出能量管理策略。根据以上的能量控制，设计出系统级的协调控制与管理即分层能量管理策略。

参考文献：

[1]Hu Z，Li J，Xu L，etal.Multi-objective energy management optimization and parameter sizing for proton exchange membrane hybrid fuel cell vehicles[J].Energy Conversion and Management，2016， 129： 108-121.

[2]陳维荣，张国瑞，孟翔，等.  燃料电池混合动力有轨电车动力性分析与设计[J].西南交通大学学报，2017，52（1）：1-8.

[3]陈维荣，张国瑞，孟翔，等.  燃料电池混合动力有轨电车动力性分析与设计[J].西南交通大学学报，2017，52（1）：1-8.

[4]张峰.太阳能光伏发电控制系统的研究与实现[D].华北电力大学（河北），2009.