摘要：能量管理策略對解決車輛行駛在不同工況下的能量分配問題具有重要作用。從燃料電池汽車(FEV)能量管理系統(tǒng)的燃料電池特性、組成和能量管理關(guān)鍵技術(shù)等方面，敘述以質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)為主要?jiǎng)恿υ础�鋰離子電池和超級電容器作為輔助動(dòng)力源的混合動(dòng)力系統(tǒng)的能量管理策略研究，并嘗試探尋以PEMFC作為主電源、鋰離子電池和超級電容器作為輔助電源，使能量分配達(dá)到最優(yōu)的能量管理系統(tǒng)。最后，討論當(dāng)前能量管理系統(tǒng)控制策略仍存在控制精度優(yōu)化的問題，未來能量管理策略將以智能優(yōu)化算法為導(dǎo)向，進(jìn)一步提升控制精度。

　　關(guān)鍵詞：混合動(dòng)力汽車;能量管理系統(tǒng);鋰離子電池;燃料電池;超級電容器

　　燃料電池雖然具有綠色無污染、能量轉(zhuǎn)化率高和壽命長等優(yōu)點(diǎn)，但由于存在動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度慢并且特性偏軟的缺點(diǎn)，導(dǎo)致難以作為獨(dú)立電源使用，若要滿足負(fù)載功率的需求，最好是使用復(fù)合能源系統(tǒng)。燃料電池汽車(FEV)通常采用質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)作為主電源，鋰離子電池或超級電容器(SC)作為二次電源，以應(yīng)對頻繁啟停、加減速、反極等[1]惡劣工況對燃料電池穩(wěn)定性和耐久性的影響[2]。本文作者以混合動(dòng)力系統(tǒng)為總體，分別從鋰離子電池、PEMFC和超級電容器不同組合的控制策略，闡述近幾年來國內(nèi)外的研究進(jìn)展。

　　1燃料電池能量管理系統(tǒng)特性及組成

　　1.1燃料電池能量管理系統(tǒng)輸出特性

　　PEMFC的控制比較復(fù)雜。當(dāng)氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷變化時(shí)，PEMFC電堆中的氣體流量也會(huì)發(fā)生變化。如果陰極的氧氣流量過低，則電堆內(nèi)氧氣不足，系統(tǒng)功率降低，造成匱氧現(xiàn)象，會(huì)使質(zhì)子交換膜表面出現(xiàn)“熱點(diǎn)”，導(dǎo)致電堆短路和使用壽命降低等問題[3]。與陽極氫氣相比，陰極的氧氣流量具有相對緩慢的動(dòng)態(tài)性能。

　　如果高電流負(fù)載快速變化，則很難保護(hù)PEMFC系統(tǒng)免受過氧化氫的影響，比如車輛頻繁的加、減速過程，而實(shí)現(xiàn)PEMFC系統(tǒng)的過氧保護(hù)非常困難。PEMFC測試中，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流突然變化時(shí)，電化學(xué)反應(yīng)器中的電化學(xué)反應(yīng)速率會(huì)發(fā)生變化，會(huì)改變陽極和陰極壓力。在存在大擾動(dòng)的情況下，必須防止兩極出現(xiàn)過大壓力差，以免導(dǎo)致質(zhì)子交換膜損壞，使得使用壽命縮短[45]。

　　1.2燃料電池車輛能量管理系統(tǒng)組成

　　FEV的主要能量源為燃料電池系統(tǒng)(FCS)，但現(xiàn)階段FCS的輸出特性較軟，而且無法回收制動(dòng)能量[6]。有鑒于此，F(xiàn)EV通常FCS和用作能量緩沖器的鋰離子電池或超級電容器組成。超級電容器的功率密度較高，是一般鋰離子電池的數(shù)10倍，但能量密度較低，續(xù)航能力不足，無法滿足在FEV在行駛過程中一直放電的需求[7]，但可以在保證汽車動(dòng)力性能的前提下回收汽車的再生制動(dòng)能量，提高能源的利用率。

　　能量管理策略(EMS)的研究對FEV有重要意義。在滿足需求功率的前提下，適當(dāng)?shù)腅MS可直接影響能量源的工作點(diǎn)，延長燃料電池的使用壽命，提高系統(tǒng)效率，減少燃料消耗，并根據(jù)需求功率的變化進(jìn)行能量分配。

　　2能量管理系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

　　2.1燃料電池控制系統(tǒng)

　　燃料電池在工作過程中會(huì)產(chǎn)生一定熱量，電池溫度過低時(shí)，電池內(nèi)阻加大，影響電池壽命;溫度較高時(shí)，質(zhì)子交換膜內(nèi)水蒸發(fā)，導(dǎo)致脫水，加大內(nèi)阻，對質(zhì)子交換膜也會(huì)產(chǎn)生影響。同時(shí)，在運(yùn)行過程中要保障電堆的最低電壓，低電壓大電流放電，會(huì)對鉑催化劑造成不可逆的損害。燃料電池主控制器功能包括氣路管理、水熱管理、電氣管理、通信功能和故障診斷等。燃料電池控制系統(tǒng)與發(fā)動(dòng)機(jī)類似，包含能量閉環(huán)控制和熱管理閉環(huán)控制。

　　能量閉環(huán)控制氣體的進(jìn)入與反應(yīng)，熱管理閉環(huán)控制熱程量，使燃料電池更好地反應(yīng)。與鋰離子電池相比，燃料電池在運(yùn)行過程中的復(fù)雜程度更高，多個(gè)模型之間有數(shù)據(jù)互相輸入，因此采用基于能量守恒、電化學(xué)反應(yīng)的機(jī)理模型，很難得到最優(yōu)控制。

　　2.2EMS

　　在車輛行駛的過程中，為了實(shí)現(xiàn)對整車功率削峰填谷的功能，需要對不同能量源之間的能量分配進(jìn)行管理。對于FEV能源，一般包括以燃料電池為主的4種不同的能源混合方式，分別為：燃料電池單獨(dú)作為能源、燃料電池鋰離子電池混合能源、燃料電池超級電容器混合能源和燃料電池鋰離子電池超級電容器混合能源。EMS可分為基于規(guī)則、基于優(yōu)化和基于智能等3個(gè)大類。在基于規(guī)則的大類里，又包含開關(guān)控制策略、功率跟隨控制策略與模糊控制策略。

　　在研究FEV時(shí)，氫耗和電池的衰退是兩個(gè)重點(diǎn)考慮的方面，在建立動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)簡化模型、等效氫耗和燃料電池衰退數(shù)學(xué)模型后，設(shè)計(jì)管理策略的規(guī)則層和優(yōu)化層，其中規(guī)則層用來縮小優(yōu)化算法搜索空間，而優(yōu)化層將對構(gòu)成的成本函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以此得到最優(yōu)功率分配方案[8]。設(shè)計(jì)特定的雙堆棧燃料電池搭配效率優(yōu)化和瞬時(shí)優(yōu)化的策略，可保證FEV啟停頻率在合理的范圍內(nèi)[9]。燃料電池單獨(dú)作為能源系統(tǒng)時(shí)，輸出特性偏軟、動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢，且存在能量無法回收、行駛里程短、技術(shù)存在困難等問題，因此混合能源的應(yīng)用更廣泛。

　　2.2.1燃料電池鋰離子電池混合能源

　　純模糊控制本身具有一定的主觀性，缺乏自適應(yīng)能力，在能量管理中應(yīng)用受限，因此可采用BP算法和最小二乘估計(jì)法對自適應(yīng)神經(jīng)模糊推理系統(tǒng)(ANFIS)控制器的前后參數(shù)進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)，來延長鋰離子電池和燃料電池的壽命，并降低整車成本[10]。為了降低等效氫耗量，達(dá)到最優(yōu)效果，可將燃料電池工作效率和電流添加為模糊控制器的輸入量，并用灰狼優(yōu)化(GWO)和改進(jìn)的灰狼優(yōu)化(IGWO)算法對模糊邏輯參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)燃料電池和鋰離子電池之間功率的合理分配。

　　為了達(dá)到智能功率分配的目的，采用遺傳算法對模糊控制器的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化;并采用改進(jìn)的快速非支配排序遺傳處(NSGAII)算法優(yōu)化多目標(biāo)問題的控制參數(shù)，將氫耗量降低[12]。基于優(yōu)化的策略運(yùn)算復(fù)雜，實(shí)際運(yùn)用起來比較困難;基于規(guī)則的策略依賴于專家經(jīng)驗(yàn)，忽略了燃料電池供電能力和工作效率等實(shí)際限制因素。針對上述問題，可通過設(shè)計(jì)模糊控制器的隸屬度函數(shù)和模糊規(guī)則，使燃料電池處于更健康的狀態(tài)[13]。

　　燃料電池的使用壽命關(guān)系到FEV的使用時(shí)間，用小波規(guī)則的EMS來延長燃料電池的使用壽命，不僅可以實(shí)現(xiàn)一級功率分流甚至是多級功率的分流[14]。選取不同的典型工況來分別制定EMS，能通過遺傳算法優(yōu)化支持向量機(jī)(GASVM)算法來根據(jù)工況自主選擇EMS[15]。通過增強(qiáng)學(xué)習(xí)算法實(shí)現(xiàn)FEV中燃料電池與鋰離子電池之間的最優(yōu)能量分配，實(shí)現(xiàn)電池能量之間的消耗均衡[16]。

　　由于燃料電池具有大電流、低電壓的輸出特性，需要采用動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法來管理能量的最優(yōu)分配，避免復(fù)雜多變的行駛工況下產(chǎn)生大電流脈沖，以及降低負(fù)載的變化給燃料電池帶來的影響[17]。FCS成本高，采用強(qiáng)化學(xué)習(xí)(RL)策略，可以在減小FCS功率波動(dòng)的同時(shí)延長使用壽命。相比于基于動(dòng)態(tài)規(guī)劃的策略，該策略保證了等效燃油的經(jīng)濟(jì)性，也證明了不同工況的適應(yīng)性[18]。傳統(tǒng)的控制策略在燃料電池混合動(dòng)力汽車優(yōu)化功率分配和提升燃油經(jīng)濟(jì)性方面能力有限，而極小值原理的全局優(yōu)化能力，可在線對協(xié)態(tài)變量取值，并設(shè)計(jì)馬爾可夫鏈速度預(yù)測器，用于協(xié)態(tài)變量的更新[19]。

　　為了最小化系統(tǒng)耗氫量，分別運(yùn)用雙循環(huán)動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法和凸優(yōu)化算法對FEV的EMS和動(dòng)力電池容量進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，兩種方法的對比分析，將得到更精確的結(jié)果[20]。燃料電池不僅需要考慮經(jīng)濟(jì)性，還需要考慮燃料電池的快速降解;文獻(xiàn)[21]提出了建立一種結(jié)合了FCS在不同健康狀態(tài)下的極化曲線和燃料電池效率的模型，然后利用燃料電池的健康狀態(tài)，自適應(yīng)地改變不同電源之間的功率分配，使燃料電池在壽命時(shí)間內(nèi)獲得更高的能源效率，燃料電池等效油耗最小化，可以提高儲(chǔ)能系統(tǒng)的總效率。

　　由于燃料電池自身存在因技術(shù)問題導(dǎo)致的行駛里程偏短的問題，需要借助鋰離子電池來輔助解決。雖然燃料電池的比能量相對鋰離子電池高出10倍以上，可以在復(fù)雜的工況下，通過優(yōu)化算法獲得更好的爬坡能力，但對于較平穩(wěn)的道路，仍需要借助鋰離子電池能持久釋放能量的優(yōu)點(diǎn)，解決燃料電池不能持續(xù)釋放能量的問題。

　　2.2.2燃料電池超級電容器混合能源

　　與鋰離子電池相比，超級電容器可承受更多次的充放電循環(huán)，還具有很低的內(nèi)阻，可提供更高的瞬時(shí)功率。在超級電容器中，能量以靜電方式存儲(chǔ)在材料表面，不涉及化學(xué)反應(yīng)[22]。對比例積分(PI)控制和微分平滑控制、龐特里亞金(pontryagin)極小值原理、基于小波的負(fù)載共享算法、小波自適應(yīng)線性神經(jīng)元控制等方法進(jìn)行比較，可以選擇氫耗最低的方法[23]。

　　為了實(shí)現(xiàn)混合動(dòng)力汽車PEMFC與超級電容器之間的功率最優(yōu)分配，減少外部參數(shù)變化的影響，可以設(shè)計(jì)尋找最大功率點(diǎn)和最大效率點(diǎn)的在線極值搜索的能量管理優(yōu)化策略，極值結(jié)果采用自適應(yīng)遞歸最小二乘算法，對“安全操作區(qū)”進(jìn)行更新[24]。

　　自適應(yīng)最優(yōu)控制的燃料電池/超級電容器混合動(dòng)力系統(tǒng)EMS，利用懲罰函數(shù)將該問題轉(zhuǎn)化成無約束的問題，用徑向基函數(shù)組成自適應(yīng)最優(yōu)控制算法，以達(dá)到最優(yōu)能量管理的目的，可解決燃料電池/超級電容器混合動(dòng)力系統(tǒng)非線性動(dòng)力學(xué)和能量管理與運(yùn)行限制帶來的狀態(tài)和輸入約束保持一致的問題[25]。

　　基于積分滯回滑模控制器與兩個(gè)級聯(lián)線性控制器的非線性控制，不僅可以保護(hù)燃料電池和超級電容器免受突然變化的負(fù)載電流，也能在提高抗干擾能力的同時(shí)，提升濾波電感和直流母線電容等參數(shù)變化的魯棒性[26]。與鋰離子電池相比，超級電容器的能量密度小，難以支持較長時(shí)間的放電，且成本較高，因此，燃料電池超級電容器混合能源這一方式仍具有一定的局限性。

　　2.2.3燃料電池鋰離子電池

　　超級電容器混合能源將燃料電池、鋰離子電池和超級電容器結(jié)合，具有可靠性高、可擴(kuò)展性強(qiáng)的突出優(yōu)點(diǎn)。在車輛進(jìn)行啟動(dòng)動(dòng)作時(shí)，鋰離子電池與超級電容器同時(shí)響應(yīng)，從而更加穩(wěn)定地提供能量;在制動(dòng)過程中，鋰離子電池與超級電容器同時(shí)吸收多余的能量，避免過充造成的損壞。超級電容器負(fù)責(zé)響應(yīng)峰值負(fù)載要求;鋰離子電池負(fù)責(zé)響應(yīng)相對平緩的負(fù)載要求。

　　三種能量源同時(shí)工作，控制起來非常復(fù)雜，需要采用更加復(fù)雜的控制策略。在混合虛擬阻抗下垂的燃料電池鋰離子電池超級電容器電電混合動(dòng)力系統(tǒng)分散式EMS中，燃料電池采用虛擬電感下垂，鋰離子電池采用虛擬電阻下垂，超級電容器采用虛擬電容下垂控制，負(fù)載功率根據(jù)動(dòng)力源特性自動(dòng)分頻。該能量策略中，超級電容器制動(dòng)再生能量沒有損失[27]。

　　為了提升能量管理的質(zhì)量和燃料電池動(dòng)力汽車對工況的預(yù)知性，實(shí)現(xiàn)三種能源合理的功率分配，上層采用等效氫消耗最小控制策略，下層采用低通濾波器的基于速度預(yù)測的等效氫消耗最小的控制策略，并用聚類來獲取6種工況的特征參數(shù)，然后通過滑動(dòng)窗口算法來獲得最鄰近預(yù)測的速度狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率矩陣，結(jié)合在線工況識(shí)別器，調(diào)整變等效因子，完成速度預(yù)測的等效氫消耗最小能量管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[28]。盡管目前有許多對于燃料電池鋰離子電池超級電容器混合能源的研究，但這種混合動(dòng)力模式成本較高，控制策略的制定較復(fù)雜，因此，目前難以實(shí)現(xiàn)較大范圍的應(yīng)用。

　　3小結(jié)及展望

　　在混合能源動(dòng)力系統(tǒng)中，不同能源之間存在不同的分配策略，以使車輛在不同的運(yùn)行工況下自動(dòng)切換，使電機(jī)處在高效運(yùn)行狀態(tài)，回收再生制動(dòng)能量達(dá)到最大限度。

　　能源管理系統(tǒng)的控制策略因結(jié)構(gòu)和優(yōu)化目的不同而不同，其中能源系統(tǒng)的改進(jìn)分為能源內(nèi)部結(jié)構(gòu)的改進(jìn)和外部能源管理系統(tǒng)控制策略的改進(jìn)。對于燃料電池和鋰離子電池內(nèi)部而言，可以隔膜、電極和電解液等方面進(jìn)行改進(jìn);而超級電容器可改進(jìn)成光繼電器和飛渡電容相結(jié)合的模塊電池電路，能具有較好的電氣隔離性和一致性，也能很好地在混合動(dòng)力產(chǎn)品中進(jìn)行推廣。

　　對于外部的能量管理系統(tǒng)控制策略，可以在PEMFC為主能源、鋰離子電池和超級電容器為輔助能源時(shí)，分為基于規(guī)則、基于優(yōu)化和基于智能的算法這3類，實(shí)現(xiàn)取長補(bǔ)短，發(fā)揮各自的優(yōu)勢。針對控制精度的問題，在未來或許可以通過在線人工智能控制加以解決。

　　在車聯(lián)網(wǎng)的背景下，對路段內(nèi)車輛的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，基于駕駛員的意圖進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并導(dǎo)入機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)內(nèi)，根據(jù)車內(nèi)控制板采集的數(shù)據(jù)給出預(yù)測結(jié)果，指導(dǎo)車內(nèi)控制板的控制行為，以達(dá)成特定路段內(nèi)最優(yōu)控制策略。燃料電池特性偏軟，多能源結(jié)合的電池管理系統(tǒng)已經(jīng)成為未來的發(fā)展趨勢，未來還應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)各能量源結(jié)合最優(yōu)化的研究。

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　　作者：王志福1，2，羅崴1*，徐崧2，朱張玲3