燃料电池汽车用三输入直流变换器能量管理策略

陈 禹，易灵芝，2，李济君，李胜兵

（1.智能计算与信息处理教育部重点实验室，湘潭 411105；2.湖南省风电装备与电能变换2011协同创新中心，湘潭 411101）

燃料电池汽车用三输入直流变换器能量管理策略

陈 禹1，易灵芝1，2，李济君1，李胜兵1

（1.智能计算与信息处理教育部重点实验室，湘潭 411105；2.湖南省风电装备与电能变换2011协同创新中心，湘潭 411101）

本文提出一种新型非隔离三输入双向DC-DC变换器，将燃料电池、超级电容、蓄电池3个能量单元与直流母线连接，组成电动汽车新型混合动力系统。该变换器具有结构精简、可实现双向的升降压、输入输出电压同极性、各种输入源可单独或同时向负载供电等优点。将小波变换与模糊控制应用于混合动力系统能量管理策略中，其中小波变换对负载功率需求信号进行实时处理，依据变化频率进行能量分配，模糊控制对系统中能量流动进行管理。该方法可满足车辆负载所需功率，同时改善系统性能，减少燃料消耗。通过在MATLAB中建模和仿真，验证了理论分析的正确性和能量管理策略的有效性。

三输入双向DC-DC变换器；小波变换；模糊控制；燃料电池；燃料经济性

2003 年全球57%的石油消耗在交通领域，预计到2020年交通用油占全球石油总消耗的62%以上，汽车带来的污染已经对城市环境造成严重破坏[1-2]。因此研究节约能源、保护环境、降低排放污染物的汽车，成为世界各国共同关注的问题。由于燃料电池FC（fuel cell）具有输出特性偏软、瞬态响应慢的特性，为适应频繁启停的电动汽车工况，需提高系统动态响应。FC供电系统需要配置辅助储能装置，如蓄电池和超级电容。开关磁阻电机的工作电压一般很大，在实际应用中必须采用电能变换环节作为输入源与开关磁阻电机的中间环节。同时FC、蓄电池、超级电容的电压在使用过程是变化的，如果直接驱动开关磁阻电机的工作电压就不稳定，所以中间环节也需要稳压装置。汽车在行驶过程中所需电压是变化的，而输入源的电压在一定时间范围内是相对稳定的，所以也需要变换装置提供变化的实时电压来提高电机的驱动性能[3]。同时希望FC电动汽车能够储存汽车在制动或减速过程中回馈的能量提高汽车续航能力和能量利用的效率。因此，在储能装置和开关磁阻电机之间，必须增加多输入双向DC-DC变换器[4]。

本文提出一种三输入双向DC-DC变换器作为储能装置和开关磁阻电机的中间连接环节，每个输入源与开关管组成模块串联连接，电路控制灵活，变换器能够工作在多种运行模式下，在1个开关周期内通过1个共同的电感和电容连接于直流母线，共用续流二极管、输出滤波电感、电容，减小了变换器的成本和尺寸大小，同时这种结构还减少了器件数量；提供了输入源可同时或单独向负载供电，功率密度高且电压稳定；在直流变换器的开关器件和二极管处反并联二极管和开关器件，得到相应的双向直流变换器实现能源的回馈。

1 电路拓扑工作原理

三输入DC-DC变换器如图1所示。为了简化分析其工作原理，做如下假设：①所有开关管、二极管均为理想器件；②电感、电容为理想元件。理想条件下，开关管采用相同开关频率，储能电感足够大，电感电流工作在电流连续模式。V1、V2和V3分别代表FC、蓄电池、超级电容3个输入源[5]。

图1 三输入双向DC-DC变换器Fig.1 Three-input bidirectional DC-DC converter

图3 正向单输入升压工作模式Fig.3 Work mode of positive single-input boost converter

如图2所示，开关管的不同开关断状态使变换器工作在4种工作模式，包括正向单输入升压、正向多输入升压、反向单输入降压、反向多输入降压。4种工作模式如图3～图5所示。

（1）在t4时段里，输入源V1单独给负载提供能量。S2、S3关断，S1导通，电流通过S1、L、S5、D3、D2工作在正向升压模式，通过调节S5的占空比调节升压幅值，S5关断后经D4向负载供电。

在t1、t2、t3时段里3个输入源同时提供能量，在t1时段V1和V2同时给负载提供能量。S1导通，S2导通，电流通过S2、S1、L、S5工作在正向升压模式，通过调节S5的占空比调节升压幅值，S5关断时经D4向负载供电。t3时段V1、V2、V3同时提供能量，工作方式与t1、t2时段相似。

（2）在开关周期T2时段，可看作单输入多输出的变换器，因V1无法储存回收的能量，始终导通。合理地控制的导通可使变换器单独给1个输入源或2个输入源同时回馈能量。在t7时段，变换器工作在反向降压模式，负载同时向V2、V3反馈能量。关断，导通，负载流出的电流通过S4、L流向V2、V3，在关断时电流通过L续流。

图4 正向多输入升压工作模式Fig.4 Work mode of positive multi-inputs boost converter

图5 反向降压工作模式Fig.5 Work mode of reverse decompression

2 能源单元

1）燃料电池

FC在混合能源系统中是主电源，提供大部分负载功率需求。如图6所示氢氧FC单元温度为25℃时的理想伏安特性曲线，图6中包含3种不可逆电压降落：活化过电压、欧姆过电压、浓度过电压。在低电流密度时，激活过电压产生电压降落。在高电流密度时，浓度过电压产生更显著的电压降落。由于FC存在不可逆的电压降落，实际电压值可能低于理想值。因此FC工作在中间线性区域对于整个系统效率很重要。

图6 燃料电池极化曲线Fig.6 Polarization curve of fuel cell

式中：Ra为活化和浓度等效电阻之和；Vact为活化过电压；VFC为FC电压；Vconc为浓度过电压；Vohmic为欧姆损失电压；IFC为FC电流；ENernst为FC内部能斯特瞬时电动势。

在Matlab中搭建FC系统模型如图7所示。由图8可知，FC效率随着输出功率的变化而变化。为了提高经济性，应确保FC系统可以工作在高效率区域。图9显示了该系统最大输出功率约为30 kW，额定输出功率约为20 kW。

如图10所示，FC系统模型的极化曲线与实验数据描点绘制的曲线基本相同，验证了FC系统模型能较准确地反映FC系统特性。

图7 燃料电池等效电路Fig.7 Equivalent circuit of fuel cell

图8 燃料电池效率与输出功率的关系Fig.8 Relationship between efficiency and output power of fuel cell

图9 燃料电池功率与电流的关系Fig.9 Relationship between power and current of fuel cell

图10 燃料电池极化曲线Fig.10 Polarization curve of fuel cell

2）超级电容

超级电容可以被许多等效电路替代，这里采用经典的RC等效模型，等效模型如图11所示。超级电容器的荷电状态SOC（state of charge）为

式中：VSC是超级电容电压；Vmax超级电容最大电压；SOCSC超级电容荷电状态。

图11 超级电容等效模型Fig.11 Equivalent circuit of super capacitor

3 基于小波变换和模糊决策的能量管理

为实现高效的电动功率分配和制动能量回馈，多输入双向DC-DC变换器需要采用合理的控制方式，根据不同的负载情况来决定能量流动方向，从而确定双向变换器的工作状况。

三输入直流变换器的控制策略需要实现两大功能，保证输出电压稳定和实现多个输入源的功率分配。目前有许多能源管理技术应用于混合动力车辆系统，这些策略只证明了其在提高效率上的有效性[6]，但不能保证在功率波动的情况下混合能源系统的安全性。基于小波变换和模糊决策的能量管理系统对城市循环工况的瞬态总功率进行实时捕捉，并由能量管理系统对总功率进行分配[7]。

图12为某型FC混合动力汽车根据城市道路循环UDDS（urban dynamometer driving schedule）的速度变化而产生瞬态功率需求信号。小波变换可以在时域和频域里提取信号信息，并且将其按照不同相位和尺度进行分解。功率需求是离散信号调用MATLAB中离散小波分解函数和重构函数，将分解得到的近似低频信号x0（n）传输给FC和蓄电池，FC不能吸收能量，近似低频信号中包含的负功率信号传输给蓄电池，见式（4）。

式中：Pbat-ref为蓄电池需求功率；PFC-ref为燃料电池需求功率。

图12 UDDS路况下功率需求Fig.12 Power demand under UDDS condition

图13 燃料电池功率需求Fig.13 Power demand of fuel cell

仅采用小波变化还不足以使动态系统工作在最适合的范围。为了保证蓄电池和超级电容能在加速时提供其余所需能量，在汽车刹车时充分吸收回馈能量。当蓄电池和超级电容的SOC在正常值时，应减少对FC功率的需求，调用蓄电池和超级电容补足其余功率需求。FC、蓄电池和超级电容的功率需求如图13—图15所示。采用模糊控制策略作为混合能源系统的控制方法。基于小波变换和模糊决策的能量管理系统如图16所示，该系统将蓄电池和超级电容的SOC值作为模糊控制的输入变量，这样可减少燃料消耗[8]。模糊控制规则主要考虑电动加速、刹车减速两种情况下功率的分配情况，模糊控制采用四输入和两输出，经小波变换得到的FC和蓄电池的功率参考信号以及蓄电池和超级电容的SOC值作为变量输入。所用到模糊控制输入输出隶属度函数如图17所示。经模糊控制确定蓄电池和FC之间的功率分配情况[9]，在满足车辆动力性的前提下提高车辆的燃料经济性。

图14 蓄电池功率需求Fig.14 Power demand of battery

图15 超级电容功率需求Fig.15 Power demand of super capacitor

图16 基于小波变换和模糊控制的能量管理系统Fig.16 Energy management system based on wavelet transform and fuzzy control

图17 输入输出隶属函数Fig.17 Membership functions of input and output

模糊控制规则：

（1）当SOCbat是S，SOCSC是S

则PFC＞PFC-ref，Pbat＜Pbat-ref

（2）当SOCbat是S，SOCSC是M

则PFC＞PFC-ref，Pbat＜Pbat-ref

（3）当SOCbat是S，SOCSC是B

则PFC＜PFC-ref，Pbat＜Pbat-ref

（4）当SOCbat是M，SOCSC是S

则PFC＞PFC-ref，Pbat＞Pbat-ref

（5）当SOCbat是S，SOCSC是S

则PFC＞PFC-ref，Pbat＜Pbat-ref

（6）当SOCbat是M，SOCSC是B

则PFC＜PFC-ref，Pbat＞Pbat-ref

（7）当SOCbat是B，SOCSC是S

则PFC＜PFC-ref，Pbat＞Pbat-ref

（8）当SOCbat是B，SOCSC是M

则PFC＜PFC-ref，Pbat＞Pbat-ref

（9）当SOCbat是B，SOCSC是B

则PFC＜PFC-ref，Pbat＞Pbat-ref

SOCbat为蓄电池荷电状态，SOCSC为超级电容荷电状态，PFC为FC输出功率，Pbat为蓄电池输出功率。

4 系统仿真

在MATLAB/SIMULINK系统仿真中用30 kW Nedstack PS30 PEMC作为FC，FC选5～20 kW中有较高的效率。蓄电池型号为PanasonicNCR18650E锂电池，每个电池电压为3.6 V，容量为2 900 mAh，将电池30个电池先串联为组后再并联40组得到额定电压为108 V，额定功率为12.5 kW，可满足负载对蓄电池最大需求。考虑超级电容需能供应最大功率需求10 s，需74 Wh的电量，选用BMODO500 P016 B1型号超级电容，将3个超级电容串联后再并联，得到额定电压48 V，334 F的超级电容组，其电量为108 Wh，满足最大功率需求。如图18所示，变换器输出端电压维持在220 V，输出电压稳定。

图18 变换器输出端电压Fig.18 Output voltage of three-input DC-DC converter

如图19所示，其输出功率与小波变换后需求功率基本一致，证明了能源控制策略能满足工作路况下的功率需求，满足了车辆在城市路况下的动力性。

图19 三输入双向DC-DC变换器输出功率Fig.19 Output power of three-input bidirectional bidirectional DC-DC converter

图20（a）所示FC提供负载部分所需功率，满足功率瞬态变化的需求，使其只工作在高效率区，提高了整个系统效率。图20（b）所示，蓄电池帮助FC供应稳态下的负载需求和储存低频的回馈功率，减少了突变负载对蓄电池化学结构的影响，为其提供了一个安全稳定的运行环境，延长蓄电池使用寿命。图20（c）所示，超级电容提供了所有负载瞬态变化所需的剩余功率和吸收了高频的负功率。

图20 输出功率Fig.20 Output power

图21和图22为仅使用小波变换的能源控制策略，图23和图24为使用了小波变换加模糊控制的能源控制策略。两者相比可以看出，本文采用的控制策略可以使蓄电池和超级电容SOC值维持在规定范围，其能量回收可根据可储存能源单元的实际情况，吸收回馈能量对其中任一个储能单元进行充能。该控制策略可以确保在加速时有足够的能量满足负载所需功率，在只有小波变换的能量控制策略中，完成城市路况仿真需消耗0.063 31 kmol氢气。在加入模糊控制策略后，仅消耗0.612 1 kmol氢气，减少了燃料消耗，提高了燃料经济性。

图21 基于小波变换的蓄电池SOCFig.21 SOC of battery based on wavelet transform

图22 基于小波变换的超级电容SOCFig.22 SOC of super capacitor based on wavelet transform

图23 基于小波变换和模糊控制的蓄电池SOCFig.23 SOC of battery based on wavelet transform and fuzzy control

图24 基于小波变换和模糊控制的超级电容SOCFig.24 SOC of super capacitor based on wavelet transform and fuzzy control

5 结语

采用新型三输入双向DC-DC变换器作为FC电动汽车3个输入源和负载之间的中间环节，通过基于小波变换和模糊决策的控制策略，避免了单独使用小波变换时可能造成在加速阶段超级电容和蓄电池没有足够能量供给和发电回馈阶段能量吸收不充分的问题。仿真结果验证了该能源控制策略的有效性和正确性。

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Energy Management Strategy for Fuel Cell Vehicle with Three-input DC-DC Converter

CHEN Yu1，YI Lingzhi1，2，LI Jijun1，LI Shengbing1
（1.Key Laboratory of Intelligent Computing&Information Processing of Ministry of Education，Xiangtan University，Xiangtan 411105，China；2.Wind Power Equipment and Power Conversion 2011 Collaborative Innovation Center，Xiangtan 411101，China）

A new three-input bidirectional non-isolated DC-DC converter is proposed in this paper.By connecting fuel cells，super capacitors and batteries with the DC bus，a new hybrid system used in an electric vehicle is constructed.With a streamlined structure，the converter can realize advantases such as bidirectional buckboost，the homopolarity of input and output voltages，and an input source that can individually or simultaneously supply the load.Wavelet transform and fuzzy logic are used in a hybrid energy management strategy，i.e.，the former processes the real-time power demand of load and distributes the energy based on frequency change，while the latter manages the energy flow in the system.This hybrid strategy can not only meet the power demand of the vehicle load，but also improve the system performance and reduce the fuel consumption.The theoretical analysis and the energy management strategy are verified through modeling and simulation in MATLAB.

three-input bidirectional DC-DC converter；wavelet transform；fuzzy control；fuel cell（FC）；fuel efficiency

TM92

A

1003-8930（2016）12-0042-07

10.3969/j.issn.1003-8930.2016.12.008

陈 禹（1991—），男，硕士研究生，研究方向为电动汽车能量控制系统。Email：chenyuzdh@126.com

易灵芝（1966—），女，博士，教授，研究方向为新能源发电系统。Email：ylzwyh@yahoo.com

李济君（1989—），男，硕士研究生，研究方向为直流变换器研究。Email：157255841@qq.com

2014-08-27；

2016-01-18

国家自然科学基金资助项目（61572416）；湖南省教育厅平台资助项目（14K095）；湖南省“十二五”重点学科“信息与通信工程”资助项目