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电动汽车燃料电池功率和超级电容器充电状态管理
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a ESIT Team, LGS Laboratory ENSA, Ibn Tofail University, 14000 Keacute;nitra, Morocco
b Laboratoire drsquo;Automatique de Caen, Universiteacute; de Caen, Bd Marechal Juin, B.P 8156, 14032, Caen, France
c ENSET, Mohammed V University, Rabat, 10000, Morocco
文章信息
文章历史：
于2016年11月15日收到
于2017年3月6日修改后收到
于2018年2月6日接收
摘 要
本文针对汽车应用，设计了一种功率管理系统(PMS)，该系统考虑到燃料电池有限的动态特性、额定功率和有限的超级电容器电压这些条件，提出并设计了燃料电池和超级电容器之间负载功率分配的控制策略。该策略中电源通过升压和降压-升压转换器连接到DC总线，控制转换器来调节DC总线电压，并且超级电容器电流必须跟踪由PMS单元提供的基准电流。燃料电池是主电源，超级电容器是辅助电源，并且在制动或减速模式下恢复超级电容器电力，同时也需要控制超级电容器电流以将充电状态(SOC)保持在可接受的范围内。因此，当SOC太低时，燃料电池给超级电容器充电，并且每当超级电容器被过度充时，超级电容器给动力系供电。同时，在算法换向过程中，燃料电池的输出动力得到了很好的控制。最后理论分析和仿真结果表明，所设计的控制器和电源管理系统均满足设计要求。
关键词
燃料电池，超级电容器，电源转换器，能源管理，非线性控制器
简介
科学家们一致同意化石燃料引起了温室效应，并且它们的枯竭是不可避免的，这刺激了研究人员和工业生产寻求清洁并且可持续能源。这其中最受人期待的能源是燃料电池，这是因为它仅仅消耗氢气，但它的产物仅仅是水和热量[1 2]。但是燃料电池（FC）是一种功率相对较低的能源，此外，它也不能为负荷变化快速的汽车提供动力并且回收制动能量。因此，为确保混合动力汽车有更好的性能，能量存储系统（ESS）是必要的[3]。而ESS可以是电池或超级电容器（SC）。在这两种存储设备中，超级电容器在充电时间方面更短，因为它充满仅需1-10秒，而新的快速锂离子电池充电到70%需要几分钟[4]。此外，超级电容器能提供更好的性能峰值功率，寿命更长并且它维护费用实际上为零。因此，在这项工作中，我们选择超级电容器作为燃料电池汽车的储能系统。
燃料电池汽车必须结合了这两种能源来源。这其中的原因如下：
1. 燃料电池将用于满足汽车平稳和长久行驶时的车辆动力需求。
2. 同时，超级电容器将用于满足汽车高峰和瞬态功率的需求。它还可以在制动和减速阶段时进行能量回收。
3. 由于燃料电池不支持快速负载变化，它将避免燃料缺失的问题，燃料缺失会对质子交换膜的单元造成永久性的损害[4]。
命名
设计参数
直流链电容器[F]
电源管理系统的调整参数
变量k与其参考之间的误差
二进制输出的迟滞块
升压输出电流的平均值（A）
转换器输出电流（A）
燃料电池输出电流（A）的参考信号
超级电容器电流的参考信号（A）
变频器输入保证（A）
混合电源的负载电流（A）
燃料电池输出电流（A）
超级电容器输出电流（A）
升压转换器的输入电感[H]
降压 - 升压转换器的输入电感[H]
降压 - 升压转换器在升压模式下的效率
降压模式下降压 - 升压转换器的效率
降压 - 升压转换器工作模式的二进制代码
二进制输入的占空比
降压 - 升压转换器的公共输入变量的平均值
降压 - 升压输出功率的参考信号（W）
降压 - 升压转换器的输出功率（W）
混合直流电源的输出功率（W）
电源管理滤波器输出（W）
燃料电池输出功率的下限值和上限值（W）
高增益观察者的设计参数
电感k的等效串联电阻（ESR）
超级电容器等效串联电阻（ESR）
估计变量x的值
变量的估计误差
变量x的时间导数
超级电容器电流的平均值isc [A]
直流链电压的平均值vdc [V]
燃料电池电流的平均值ifc [A]
降压 - 升压转换器的通用二进制输入变量
二进制输入变换器的变量
直流母线电压[V]
直流母线电压的参考值[V]
超级电容器输出电压（V）
富克电池输出电压（V）
超级电容器电压的理论上极限（V）
超级电容器电压的理论下极限（V）
超级电容器电压（V）的上限和下限值
滞后区块的中间变量（V）
超级电容器电压标称（V）的调谐变量
李亚普诺夫功能
超级电容器电压的标称值（V）
超级电容器电压由定义，
电源管理滤波器的自然频率和阻尼比
这种组合使得燃料电池混合动力系统非常高效，因为燃料电池在输出功率低或者高时效率相对较低[5]。 而且，这种组合可以缩小燃料电池的体重，降低电力系统成本，这是因为FC是最昂贵的组件[6]。
在这项工作中，我们开发了一种基于多环路非线性控制器的新型电源管理系统，分别连接到作为主要来源的FC和作为辅助SC的升压/降压转换器。整个控制单元旨在满足四个主要目标：（1）对直流母线电压进行严格调节;（2）SC电流必须跟踪并参考;（3）负载功率必须在FC额定功率和低功率斜率的两个源之间进行分配;（4）制动或减速模式下的恢复功率必须存储在超级电容器中，并且SC电压必须保持在可行范围内。
在FC / SC混合动力系统中我们进行了大量工作来处理能源管理问题，这作为一个优化问题，目的是可以在特定的驾驶周期内进行离线执行。使成本函数被最小化，并且满足一些限制，这么做的主要目的是最大限度地减少氢的消耗[1，4,7-9]。最优化问题也可以使用模型预测控制的方法（MPC）来解决[10]。在参考文献[11]中考虑到燃料电池的变化缓慢，提出了基于两个源之间负载功率的共享设计线性控制策略。在参考文献[12,3]中的平坦度控制策略考虑了燃料电池输出的额定功率及其缓慢的动态特性，它还可以在充电和放电过程中限制SC的电流。在参考文献中[13]提出了基于无源性控制（PBC）的模糊逻辑估计的有效能源管理策略。在参考文献[14-16]中许多控制器是基于Lyapunov方法设计的，并没有考虑燃料电池动力学极限和超级电容器SOC约束。
在这项工作研究中，我们考虑设计一个在线电源管理系统。这个系统实现了一种控制策略，旨在解决燃料源慢速动态，弱额定功率和有限SC充电状态（SOC）之间的功率分配问题。功率管理算法是基于根据Lyapunov稳定性工具[17]开发的控制器而设计的。PMS生成单个输出是SC电流参考，而FC电流参考用于调节直流母线电压。因此，SC提供瞬态负载功率并回收制动或减速的能量，这使得FC能以稳定的状态在有限的动态和额定功率下提供功率。此外，控制算法将SC电压保持在可接受范围内。当超级电容器过载时，它提供稳定状态下负载所需的一些能量。另外，当SC状态变得比较危急时，它从燃料电池接收能量。在后两种SOC情况下，PMS允许超级电容器的电压达到其标称值，并且在算法换向期间完全控制FC的动态。
与现有的文献相比，现在的科研贡献包含几个新颖的东西，其中包括以下内容。
a）首次基于Lyapunov控制器设计电源管理系统，而在使用这种控制器的现有文献中，燃料电池动力学未被考虑在内[14-16]。
b）SC电压限制算法考虑了FC慢动态，这使得即使SC电荷状态超出界限，也避免燃料电池输出功率的不连续性和快速变化。也就是说，在以前的研究中[3,11,12,17]，燃料电池约束的处理仅在超级电容器SOC处于的正常情况下。
c）与以前的文献[14-16]相比，闭环系统是二阶的，导致控制低点不那么复杂。
d）这些原创性贡献的一些与参考文献[17]相反的内容在下文中指出
bull;参考文献[17]忽略了超级电容器电压。
bull;当超级电容器过度充电时（即SOCgt;），它会参与给负载供电。而且，当超级电容器充电不足（即SOC＜）时，FC必须不仅给负载供电而且也要给超级电容器充电。在这两种情况下，我们提出的方法保证了FC功率的变化斜率是有限的。在参考文献[17]中只有在超级电容器SOC正常工作时，PMS才会考虑FC慢动态，le;SOCle;。
bull;PMS允许超级电容器的电压达到其标称值。参考文献[17]假定SC电压在下限和上限之间。
bull;在本文中，使用MATLAB Sympower工具箱进行仿真，该工具箱是高保真专业软件，可为所有组件提供相当精确的模型（参见图5）。而在会议论文中，模拟只是基于使用MATLAB SIMULINK的模型（3a）-（3d）
理论研究证明，非线性控制器满足所有伺服目标，电源管理系统实现了主电源与辅助电源之间合适的负载功率分配，我们使用MATLAB Simpower System工具箱7.8.0.347版，通过类似的真实仿真模型对结果进行验证。
本文组织如下：在第二节，我们描述和建立系统。在第三节中，我们设计了整个系统的控制器。在第四节中，介绍了一个电源管理系统。在第五节中，通过使用MATLAB / SIMULINK软件进行仿真来说明控制器和电源管理系统的性能。 结论，参考清单和附录A在论文结尾。
2.系统概述和建模
2.1系统概述
所研究的电动汽车混合动力储能系统（HESS）如图1所示。它由连接到升压转换器（BC）的质子交换膜（PEM）燃料电池和连接到降压升压转换器的超级电容器组成（BBC）。转换器并联在直流母线上，并根据PWM原理进行控制。请注意，我们此处不研究逆变器（INV）和感应电机的控制。
2.2直流电源子系统的建模
图1.混合动力电动汽车的功率级电路
电动机
FC配件
燃料电池系统
超级电容器
在图1所示的电路上应用基尔霍夫定律，可以得到直流电源子系统的以下双线性切换模型[14,15]。
(1a)
(1b)
(1c)
是如下定义的降压-升压转换器的公共控制输入变量
(2a)
其中m是一个二元变量，定义如下
(2b)
开关模型（1a）-（1c）有利于对所研究的系统进行精确模拟，但它不适用于控制律的综合，这是因为它涉及二元输入。为了控制模型这个目的，使用具有连续输入的模型更方便。这个模型是通过使用所谓的平均技术获得的，该技术使用沿开关周期的平均变量[18]。 从（1a）-（1c）和（2a）-（2b）可以看出，平均模型如下[17]
(3a)
(3b)
(3b)
(3c)
(4)
其中变量在表1中定义，并且信号，和是在开关周期内在dc-dc电力转换器输入，和中执行的平均变量。由于转换器根据PWM原理进行控制，因此它们仍然是输入变量。
表1
平均模型变量
|
物理变量 |
平均表示符号 |
|
SC电流 |
|
|
升压转换器输出电压 |
|
|
燃料电池电流 |
|
|
降压 - 升压转换器二进制输入 |
|
|
升压转换器输出电流 |
|
|
升压转换器二进制输入 |
备注1：降压-升压转换器的实际输入和都从组合控制输入获得，根据（2b）和（4），如下
(5)
3. 控制设计和分析
3.1 控制目标
HESS的控制的目标如下。
a）严格调整直流母线电压 。
b）将SC电流完全跟踪到由PMS集团提供的参考信号。
c）闭环系统必须是渐近稳定的。
3.2. DC-DC电源转换器的控制器设计
直流母线电压必须调整到给定的参考值.但是，当输入为且输出为时[18,19]，升压转换器具有
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