氫燃料-光伏電池汽車動力系統分層能量管理策略

任明　王鐵

摘 要：汽車產業的熱門趨勢是新能源汽車，光伏電池汽車和燃料電池汽車的技術卻未被開發，正是最好的發展方向。本文根據燃料電池和光伏電池的工作原理及輸出特性，對其進行數學建模，選用雙向全橋DC/DC變換器，作為系統控制的一部分，使用傳統移相控制正向工作模式，并對其傳輸功率進行分析。利用matlab/simulink軟件對上面的建立的數學模型進行建模仿真，建立出氫燃料-光伏電池汽車動力系統模型。分析研究氫燃料電池和光伏電池的能量控制理論，從而設計出系統級的協調控制與能量管理，即分層能量管理策略。

關鍵詞：燃料電池 光伏電池 能量控制 動力系統 建模仿真

1 引言

從近代的汽車發展情況來看，汽車科技研究得到充分關注，發展迅速，從而引發了嚴峻的能源、環境問題[1]。汽車工業將會向節能、減排方向發展，這樣就形成了兩條道路。一條是從傳統原始的內燃發動機著手，研究突破新技術，能夠將汽油更高效地利用起來，可以起到節能的效果，同時在尾氣排放方面引進新技術，能夠降低乃至零排放。另一條就是發展新能源汽車，這個相比較研究傳統內燃機突破新技術更有發展前景，新能源汽車本身使用的就是環保的可再生能源，所以在節能、減排方面極大地符合了當前汽車工業發展的趨勢[2]。而且，新能源相比較傳統的汽油在價格方面也是比較低廉。

本文研究了氫燃料電池+光伏電池+蓄電池的電動汽車的動力系統控制，分為多種搭配供電情況，利用matlab/simulink軟件進行建模仿真，建立出氫燃料-光伏電池汽車動力系統模型，對動力系統的能量管理進行了分層控制，合理分配燃料電池和光伏電池的能量。

2 系統級的協調控制與管理

三個能量源的能量管理策略設計控制管理較為復雜，可以將其進行分層管理控制，采用分層能量管理控制可以將三個能量源分為兩層，每層對兩個能量源進行能量管理控制，根據這一設計思路可以將本課題研究的動力系統劃分為氫燃料電池和蓄電池的能量管理控制、光伏電池和蓄電池的能量管理控制。該策略分為上下兩層，上層的能量管理控制方法為根據燃料電池的內部原理和蓄電池的SOC值來設計燃料電池的最優輸出功率;下層能量管理控制方法為根據光伏電池的輸出特性和蓄電池的SOC值來判斷光伏電池的最佳功率。下圖為分層能量管理策略。

2.1 上層能量管理策略

根據燃料電池的穩態工作特性，進行劃分區域;然后再根據燃料電池的內部特性即在充電和放電的時候電池內部電阻的特點，劃分不同工作狀態;最后分析汽車的實際需求功率來分配能量，設計出燃料電池的能量管理策略[3]。

當蓄電池的SOC值發生改變時，工作效率與電池的SOC值變化保持一致，本文設計的燃料電池的能量管理策略，是根據蓄電池的SOC值以及系統內部參數、驅動電機驅動功率來判斷使用情況。

燃料電池和蓄電池一起工作時會出現一個問題：當系統狀態切換時，對應的能量管理策略也會隨之發生改變，系統狀態會發生來回切換，能量管理策略控制起來較為繁瑣。為解決這一問題，可以引進一個磁滯環，可以避免狀態切換在特殊點處發生來回切換即發生波動，提高電池利用效率。下圖為電池工作狀態切換圖。

圖中實線表示電池放電曲線，虛線表示電池充電曲線，當蓄電池的SOC值小于0.5時，燃料電池為其充電，處于充電狀態;當SOC值位于0.5至0.8之間時，燃料電池繼續為其充電，處于最佳狀態;當SOC值大于0.8時，燃料電池不再為其充電，蓄電池開始放電，處于放電狀態。

根據燃料電池的穩定性和工作區間以及不同的負載功率，保證燃料電池的功率輸出狀態是最優結果。

2.1.1 放電狀態

當蓄電池的SOC值大于0.8時，蓄電池開始放電，燃料電池和其他裝置功率劃分如下：

當所需功率時：

式中是輔助能量源功率。

當所需功率時：

當所需功率時：

2.1.2 最佳狀態

當蓄電池處于最佳狀態時，電池的SOC值適中，燃料電池和其他裝置功率劃分如下：

當所需功率時：

當所需功率時：

當所需功率時：

2.1.3 充電狀態

當蓄電池的SOC值小于0.5時，燃料電池會對其充電。燃料電池和其他裝置功率劃分如下：

當所需功率時：

當所需功率時：

式中是蓄電池的最大充電功率。

當所需功率時：

以上就是蓄電池的三種狀態下的上層能量管理策略，結合負載，根據所需功率的范圍來制定能量管理策略。

2.2 下層能量管理策略

下層的能量管理策略主要是針對光伏電池和蓄電池，由于光伏電池是通過太陽光進行發電，所以相比較氫氣資源幾乎不用成本，盡量使用光伏電池能量，當下層管理策略不能支持驅動電機正常運轉時，再引入上層能量管理策略。

光伏電池產生電能的大小是根據太陽光的輻射強度和周圍環境溫度來判斷[4]，所以光伏電池的輸出特性不是線性的。本文對光伏電池發電控制只是光照強度方面，通過改變光照強度，來判斷光伏電池的發電效果，結合蓄電池的SOC值，按照電池工作狀態切換設置，可以得出下層能量管理策略。

利用建立的光伏電池模型，對其光照的強度進行分類，當振幅為時，對應的是低光照強度;當振幅為時，對應的是高光照強度。利用不同的光照強度和蓄電池的SOC值，得出下層能量管理策略。

3 結語

本章主要研究了管理控制，首先對氫燃料電池的低、中和高需求功率下的能量管理策略做出研究。然后，對光伏電池的光照強度分類，得出能量管理策略。根據以上的能量控制，設計出系統級的協調控制與管理即分層能量管理策略。

參考文獻：

[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]陳維榮，張國瑞，孟翔，等.? 燃料電池混合動力有軌電車動力性分析與設計[J].西南交通大學學報，2017，52（1）：1-8.

[3]陳維榮，張國瑞，孟翔，等.? 燃料電池混合動力有軌電車動力性分析與設計[J].西南交通大學學報，2017，52（1）：1-8.

[4]張峰.太陽能光伏發電控制系統的研究與實現[D].華北電力大學（河北），2009.