燃料电池混合动力汽车分层能量管理策略*

李桢辉，付主木，2⋆，陶发展，2

（1.河南科技大学信息工程学院，河南 洛阳 471023；2.河南科技大学河南省机器人与智能系统重点实验室，河南 洛阳 471023）

0 引言

燃料电池混合动力汽车（Fuel Cell Hybrid Electric Vehicle，FCHEV）是最具有潜力的新能源汽车之一，具有无需充电、零排放、低噪音等特点，已成为世界各大汽车厂商竞相研发的热点。由于其含有的多种能量源工作特性各不相同，因此，在循环工况下，如何有效分配各能量源的输出，提高其部件效率，降低氢气消耗，已成为目前的研究热点。

针对双能量源的能量分配问题，Ahmadi 和Jiang 等［1-2］使用电池辅助燃料电池，依据电池SOC、负载功率、燃料电池效率变化规律，优化燃料电池能量输出，在提高燃料电池效率的同时，使电池SOC 值维持在一定的范围。Payman 和Mane 等［3-4］使用超级电容辅助燃料电池，分析燃料电池效率、超级电容特性，设计燃料电池功率输出以及超级电容的荷电状态的参考值，提高燃料电池效率。对于三能源能量分配策略，Zandi、Paladini 和Garcir［5-7］使用电池和超级电容辅助燃料电池，依据燃料电池效率、电池SOC、超级电容特性，优化燃料电池和电池功率输出，并使电池SOC 维持在一定范围内，克服了双能量源的局限性，提升了汽车的动力性与舒适性，降低了氢燃料消耗，延长了部件寿命。此外，等燃油消耗最小策略［8］、最优化策略［9-10］、基于小波变换的策略［11］等也被用于三能源的能量管理中。

基于此，为简化三能源能量管理的控制难度，依据能量源在汽车动力传出体系中扮演角色的不同，将其划分为两层：主能量源与辅助能量源为上层，辅助能量源中的两个能量存储装置为下层，提出一种分层能量管理策略。本文中主能量源为燃料电池，辅助能量源为电池和超级电容。上层依据电池的不同状态，设计基于规则的能量分配策略，优化燃料电池的功率输出；下层依据电池SOC、超级电容特性，设计基于滑动平均滤波能量分配策略，优化电池的功率输出。

1 FCHEV 结构

FCHEV 拓扑结构如图1 所示，燃料电池与单向DC/DC 串联连接到功率总线上，电池和超级电容与双向DC/DC 串联连接到功率总线上。能量管理策略根据各动力源工作特性以及负载功率的大小，调节单向DC/DC 和双向DC/DC 进而管理3 个能量源的功率输出。

当调节单向DC/DC，双向DC/DC 时，三能量源可以组成不同的工作模式。当汽车驱动时，有以下工作模式：燃料电池单独驱动，电池和超级电容单独驱动，行车充电（燃料电池向电池和超级电容充电），三能源混合驱动。当汽车回收能量时，共有以下3 种工作模式：超级电容单独回收能量，电池单独回收能量，机械制动。

图1 FCHEV 系统结构图

2 FCHEV 分层能量管理设计

分层能量管理策略把对3 个能量源的能量管理问题转化为两个对双能量源的能量管理问题。使用两种能量管理策略，对所划分的两层分别设计能量分配策略，减轻控制难度，其分层能量管理框图如图2 所示。

图2 分层能量管理策略图

该策略划分为上下两层，上层能量管理策略根据燃料电池效率，结合电池SOC 值以及需求功率设计燃料电池的最优输出功率；剩余不足功率由电池和超级电容来提供，下层能量管理策略依据电池，超级电容特性、功率、电流限制等因素来分配电池和超级电容的输出功率，使其辅助燃料电池工作在最优区间。其图中功率传输关系如式（1）所示。

式中，Preq表示汽车需求功率，Pess表示下层能量管理策略的需求功率，Pfc表示燃料电池输出功率，Pb表示电池输出功率，Psc表示超级电容输出功率。

2.1 上层能量管理策略

先对燃料电池稳态工作特性进行分析，划定燃料电池工作区域；然后，依据电池充放电内阻特性分析，对其划定不同工作状态；最后，结合汽车负载功率，在不同的电池设计基于规则的能量分配策略，输出燃料电池和下层能量管理策略的功率需求。

2.1.1 燃料电池工作效率分析

燃料电池作为主能量源在汽车运行过程中提供稳态能量，而且还要提供正常运转所需附属组件的功率消耗，其燃料电池系统工作效率与输出功率之间的关系如图3 所示。

图3 燃料电池稳态工作效率图

燃料电池最大效率为60 %，最大输出功率为25 kW。为提高燃料电池效率，划定燃料电池高效工作区，图3 中Pfc_min，Pfc_max分别为燃料电池高效工作区的最小和最大输出功率，Pfc_eff为燃料电池最大效率所对应的功率输出。为保证燃料电池工作在最优工作区域，使燃料电池输出功率工作在Pfc_min和Pfc_max之间。当需求功率低于Pfc_min，燃料电池工作在Pfc_min，多余功率可以给辅助能量源来充电；当需求功率大于Pfc_max时，使燃料电池工作在Pfc_max，不足功率由辅助能量源来提供。在此基础上，设计上层能量管理策略提高燃料电池效率。

2.1.2 电池充放电内阻特性分析

该结构采用镍氢电池，电池型号为ESS_NIMH6。为能准确估计镍氢电池SOC 值，采用Advisor 中自带的Rint 模型来模拟电池的运行状态，包括开路电压和电池内阻与温度、SOC 的关系，电池电流和输出功率的计算，电流、功率限制等。其Rint 模型以及电池SOC 的求法参照文献［12］。

Rint 模型中电池功率损耗主要消耗在电池等效内阻上面，电池等效内阻的大小与电池SOC、温度有关，相比电池SOC 来说温度影响较小，因此，忽略温度影响、镍氢电池充放电内阻与SOC 的关系，如图4，当电池SOC 工作在0.4～0.7 时，充放电内阻较低，此时电池工作效率最高。因此，本文将不同阶段的SOC值定义为不同的状态，如图4 可划分为：充电状态、最优状态、放电状态。为避免能量管理策略在状态切换点处来回切换，本文引入一个磁滞环，如图5 所示。

实线表示电池放电曲线、虚线表示电池充电曲线。电池充电时，当SOC＞0.6 时为放电模式，当0.45＜SOC≤0.6 时为平衡模式，当SOC≤0.45 时为充电模式；电池充电时，当SOC＞0.65 时为放电模式，当0.5＜SOC≤0.65 为平衡模式，当SOC≤0.5 时为充电模式。通过设计带有磁滞环的状态切换曲线可避免在切换点附近波动，提高电池利用效率。

图4 镍氢电池充放电曲线

图5 镍氢电池工作状态切换曲线

2.1.3 燃料电池最优功率输出

上两节对燃料电池稳态工作特性和电池高效工作区间进行分析，在此基础上根据负载功率的不同设计燃料电池最优功率输出。

1）放电状态

当处于放电状态时，电池SOC 值较高，根据负载功率的大小，此时燃料电池和能量存储装置功率输出如下：

当需求功率Preq≤Pfc_min时，此时，上层能量管理策略如下：

当需求功率Pfc_min＜Preq≤Pfc_eff时，此时，上层能量管理如下：

当需求功率Pfc_eff＜Preq时，此时，上层能量管理如下：

2）最佳状态

当处于最佳状态，电池SOC 值适中，根据负载功率的大小，此时燃料电池和能量存储装置功率输出如下：

当需求功率Preq≤Pfc_eff时，此时，上层能量管理策略如下：

当需求功率Pfc_eff＜Preq≤Pfc_max时，此时，上层能量管理如下：

当需求功率Pfc_max＜Preq时，此时，上层能量管理如下：

3）充电状态

当处于充电状态，电池SOC 值较小，根据负载功率的大小，此时燃料电池和能量存储装置功率输出如下：

当需求功率Preq≤Pfc_min时，此时，上层能量管理策略如下：

当需求功率Pfc_min＜Preq≤Pfc_max-Pb_mc时，此时，上层能量管理如下：

式中，Pb_mc表示电池的最大充电功率。

当需求功率Pfc_max-Pb_mc＜Preq≤Pfc_max时，此时，上层能量管理如下：

当需求功率Pfc_max＜Preq时，此时，上层能量管理如下：

2.2 下层能量管理策略

上节设计了燃料电池的最优功率输出，而剩余功率则由电池和超级电容提供。电池和超级电容特点不同，电池能量密度较高，但功率密度低，且不适合大电流冲击；超级电容却功率密度高，循环寿命长，但能量密度低。下层能量管理策略就是要融合电池和超级电容的优点，合理分配其功率输出满足需求功率。另外，电池和超级电容还可回收汽车再生制动能量。

2.2.1 驱动模式

电池和超级电容向外输出能量，利用超级电容瞬时大功率放电的特点输出Pess的峰值部分功率，辅助电池进行平稳能量输出，起到“削峰填谷”的作用。采用滑动平均滤波对电池和超级电容的功率输出进行分配，由于超级电容仅能提供大约30 s～40 s的峰值功率，因此，将滑动平均滤波的窗口大小设置为30，来对Pess进行滤波。按照先进先出（FIFO）原则，把一串连续的数据看作一个队列，队列的长度固定为30，新数据放入队尾，并舍弃原来队首的一次数据。求解队列中的30 个数据进行算术平均值作为输出项。当其对辅助能量源Pess进行滤波时，电池输出功率如式（12）。

式中，t 为当前运行时间。

剩余不足功率由超级电容提供，如式（13）所示：

2.2.2 能量回收模式

此时，辅助能量源回收再生制动能量。由于再生制动产生能量有限，且瞬时功率较大，为此，采用特性较软的超级电容优先回收能量，功率分配策略如下：

式中，SOCb表示电池荷电状态，SOCsc表示为超级电容荷电状态。

3 仿真及对比分析

为验证本文提出的分层控制策略的有效性，在MATLAB/Simulink 和Advisor 联合环境下进行仿真。验证该策略的有效性。在燃料电池混合动力汽车的BD_FUELCELL 模型的基础上，添加超级电容来实现三能源的仿真实验，如下页图6 所示。

燃料电池、电池、超级电容通过DC/DC 变换器连接到功率总线上，通过上下两层能量管理策略来管理三能量源能量输出，并将三能量源的实际输出功率传输给电机进行反馈。在此模型上面，利用UDDS（美国城市循环工况）+HWFET（高速循环工况）联合测试工况，对分层能量管理策略和Advisor自带能量管理策略进行仿真实验对比。FCHEV 仿真参数如表1 所示。

图6 燃料电池混合动力汽车系统模型

表1 燃料电池混合动力汽车动力电池参数配置

电池和超级电容初始SOC 值设为0.7。以能量分配策略的合理性和氢燃料消耗最小为性能指标对分层能量给管理策略和Advisor 自带的能量管理策略进行仿真结果对比，如图7 所示。

图7（a）和图7（b）分别表示分层能量管理策略、Advisor 自带能量管理策略在UDDS+HWFET 路况下需求功率和复合电源输出功率的大小。由图7（a）可知，汽车启动，燃料电池尚未启动完成时，暂由电池和超级电容来提供能量，燃料电池启动完成时，将作为主能量源来持续提供能量；当汽车运行在UDDS 工况时，此时需求功率比较低，电池SOC 较高，运行在放电模式，当运行到1 370 sHWFET 工况时，此时电池SOC 下降切换至最佳状态，燃料电池输出功率增加；在此过程当中电池在平均需求功率大的时候提供稳定功率输出，超级电容及时补充瞬时增大的功率需求。由图7（b）可知，采用Advisor 功率跟随能量管理策略使燃料电池依据此刻电池SOC 值时刻跟随需求功率的变化，燃料电池功率浮动范围较大，且不考虑燃料电池工作效率；电池则承担了大部分的峰值功率，超级电容仅在需求功率超出燃料电池和电池提供功率时开始工作。

图7 能量管理仿真对比结果图

分层能量管理策略相比Advisor 自带的功率跟随能量管理策略，增加了对电池运行状态的判断，使燃料电池在不同的运行状态下最大程度地工作在高效率区域，然后对辅助能量源电池和超级电容进行能量管理，利用各自工作特性不但满足需求功率，而且延长复合电源的使用寿命。对比图7（a）～图7（b）可知，燃料电池输出波动减小，工作效率提升，电池输出平稳，仅在需求功率大时输出能量，超级电容承担了峰值功率，工作更加频繁，有利于“削峰填谷”使燃料电池、电池输出能量趋于平稳。由以上所述，分层能量管理策略使燃料电池和电池工作输出能量更加平稳，超级电容承担峰值功率，相比Advisor 自带的能量管理策略，能量分配更加合理。另外，不同能量管理策略下燃料电池工作效率、电池工作效率、耗氢量等数据仿真结果对比如表2 所示。

表2 各动力部件运行效率对比

相比Advisor 自带的能量管理策略，在分层能量管理策略下燃料电池工作效率提升0.17%，电池平均工作效率持平，耗氢量减少了4.37 %，由此可知，分层能量管理策略能合理分配复合电源的能量输出，延长复合电源实用寿命，降低氢气消耗量。

5 结论

1）对于FCHEV，分析燃料电池、电池、超级电容动态工作特性，根据能量源工作的类型和种类划定FCHEV 的工作模式。2）设计分层控制策略，上层根据电池的工作模式，优化燃料电池的输出功率；下层根据电池和超级电容的工作特性，设计了滑动平均滤波器，使电池平稳输出能量。该策略合理分配了燃料电池、电池、超级电容三能量源的功率输出，提高工作效率，降低氢气消耗量。3）仿真结果分析表明，与Advisor 自带管理策略相比，在UDDS+HWFET 工况下燃料电池效率提升了0.17%，电池工作效率相持平，耗氢量提升了4.37%，有效提升了动力部件的利用效率，减少了氢气消耗量。

燃料电池混合动力汽车在运行时超级电容通常被设计成时刻满电状态，如何优化超级电容的使用，将是后续研究工作的重点。