CN107415730B - 一种车用燃料电池电源系统的功率控制方法 - Google Patents

一种车用燃料电池电源系统的功率控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种车用燃料电池电源系统的功率控制方法，针对瞬时功率的分配，将不同的DC/DC变换器的电流环响应速度设计得不同，以实现负载功率的不同频率分量在燃料电池与蓄电池之间合理的分配；针对平均功率的分配，是通过各DC/DC变换器的电压外环与下垂控制的配合，使调节燃料电池与蓄电池的平均输出功率，最后，通过引入模糊逻辑计算DC/DC变换器的输出功率指令，以实现对电源系统功率的自适应控制。

Description

一种车用燃料电池电源系统的功率控制方法
技术领域
本发明属于新能源电动汽车技术领域，更为具体地讲，涉及一种车用燃料电池电源系统的功率控制方法。
背景技术
随着能源危机与环境问题的日益严峻，新能源电动车的开发备受世界瞩目，燃料电池汽车以其独特的节能环保优势得到了广泛的重视。由于纯燃料电池系统的输出特性偏软、动态响应慢，无法满足车辆在某些特殊工况下的功率需求，它通常与蓄电池或者超级电容等辅助能源组成多能源混合的电源系统。在多能源混合的电源系统中，必然涉及到多能源之间的功率分配问题，并且车辆的动力性能、燃料利用率、各能源的耐久性和可靠性都很大程度上取决于电源系统的功率控制方法。
针对电源系统中多能源之间的功率分配问题，国内外学者已经进行了大量的研究，他们从不同的优化目标出发，提出了多种功率分配策略，但是这些方法大部分都是基于中央控制器的集中控制方法，在通信发生故障时可能会造成严重的后果。此外，不少策略还存在设计实现困难、运算量大、实时性差、控制结构复杂等问题。
基于直流电压下垂控制的功率控制方法无需中央控制器，是一种在直流微电网中应用广泛的分布式控制方法，具有控制结构简单、动态性好、可靠性高等优点。因此，将直流电压下垂控制引入到车用燃料电池电源系统中，以提高电源系统的可靠性具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种车用燃料电池电源系统的功率控制方法，通过直流电压下垂控制和模糊逻辑控制来实现功率在燃料电池与蓄电池之间的合理分配。
为实现上述发明目的，本发明一种车用燃料电池电源系统的功率控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)、将燃料电池通过单向DC/DC变换器接入直流母线，将蓄电池通过双向DC/DC变换器接入直流母线；
(2)、通过改进的直流电压下垂控制方法计算各DC/DC变换器的电压外环指令；
其中，τ＝1，2；表示单向DC/DC变换器的电压外环指令，表示双向DC/DC变换器的电压外环指令；表示单向DC/DC变换器的空载电压设定值，表示双向DC/DC变换器的空载电压设定值；表示单向DC/DC变换器的下垂控制器，表示双向DC/DC变换器的下垂控制器；表示单向DC/DC变换器的输出功率，表示双向DC/DC变换器的输出功率；表示单向DC/DC变换器的低通滤波器传递函数，表示双向DC/DC变换器的低通滤波器传递函数；表示单向DC/DC变换器的功率指令，表示双向DC/DC变换器的功率指令；
(3)、设计所述的下垂控制器
下垂控制器采用PI控制，其传递函数为：
其中，kp为比例系数，ki为积分系数，ENτ为下垂控制器中积分器的使能信号，s表示S域；
(4)、将步骤(3)设计的代入到步骤(2)中，计算出各DC/DC变换器的实际电压外环指令值，再通过该实际电压外环指令值调节燃料电池与蓄电池的平均输出功率，实现功率控制。
本发明的发明目的是这样实现的：
本发明为一种车用燃料电池电源系统的功率控制方法，针对瞬时功率的分配，将不同的DC/DC变换器的电流环响应速度设计得不同，以实现负载功率的不同频率分量在燃料电池与蓄电池之间合理的分配；针对平均功率的分配，是通过各DC/DC变换器的电压外环与下垂控制的配合，使调节燃料电池与蓄电池的平均输出功率，最后，通过引入模糊逻辑计算DC/DC变换器的输出功率指令，以实现对电源系统功率的自适应控制。
同时，本发明一种车用燃料电池电源系统的功率控制方法还具有以下有益效果：
(1)、采用分布式控制方案，提高系统的可靠性
(2)、控制结构简单、计算量小，实时性好。
附图说明
图1车用燃料电池汽车电源系统框图；
图2电源系统的DC/DC变换器控制框图；
图3改进的直流电压下垂控制框图；
图4电源系统的模式切换图；
图5燃料电池的模糊控制框图；
图6蓄电池的模糊控制框图；
图7CYC_HFWEI工况下电源系统的仿真曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
实施例
图1车用燃料电池汽车电源系统框图。
在本实施例中，如图1所示，将燃料电池通过单向DC/DC变换器接入直流母线，将蓄电池通过双向DC/DC变换器接入直流母线；
如图2所示，燃料电池侧与蓄电池侧的DC/DC变换器均采用电流内环、电压外环的双闭环控制策略，且电压环与电流环均采用PI控制器。通过设计合理的PI控制器参数，使得燃料电池侧DC/DC变换器的电流环、电压环的带宽均小于蓄电池侧DC/DC变换器的电流环与电压环的带宽，从而使燃料电池与蓄电池分别响应负载功率的低频分量与高频分量。
结合图3所示的改进的直流电压下垂控制器，利用改进的直流电压下垂控制方法计算各DC/DC变换器的电压外环指令；
其中，τ＝1，2；表示单向DC/DC变换器的电压外环指令，表示双向DC/DC变换器的电压外环指令；表示单向DC/DC变换器的空载电压设定值，表示双向DC/DC变换器的空载电压设定值；表示单向DC/DC变换器的下垂控制器，表示双向DC/DC变换器的下垂控制器；表示单向DC/DC变换器的输出功率，表示双向DC/DC变换器的输出功率；表示单向DC/DC变换器的低通滤波器传递函数，表示双向DC/DC变换器的低通滤波器传递函数；表示单向DC/DC变换器的功率指令，表示双向DC/DC变换器的功率指令；
其中，下垂控制器采用PI控制，其传递函数为：
其中，kp为比例系数，ki为积分系数，ENτ为下垂控制器中积分器的使能信号，s表示S域；
使能信号ENτ将各DC/DC变换器的控制模式划分为功率控制模式和电压控制模式；通过控制ENτ的值切换各DC/DC变换器的控制模式,在切换各DC/DC变换器的控制模式时,需保证至少一个DC/DC变换器工作在电压控制模式下；
使能信号ENτ的取值与DC/DC变换器的控制模式的对应关系如表1所示，而使能信号ENτ的值由蓄电池的荷电状态和直流母线电压的值确定，根据两个DC/DC变换器的不同控制模式的组合，将电源系统的工作模式换分为3种工作模式，电源系统的模式切换图如图4所示，各DC/DC变换器的模式切换的控制逻辑如表2所示。
表1是ENτ的取值与DC/DC变换器的控制模式的对应关系表。
EN<sub>τ</sub> 0 1
控制模式 电压控制模式 功率控制模式
表1
表2是各DC/DC变换器的模式切换的控制逻辑表。
表2
在本实施例中，我们是利用模糊逻辑分别计算燃料电池与蓄电池侧的DC/DC变换器的功率指令下面进行详细说明：
图5为燃料电池侧的模糊控制器控制框图，图5中是以燃料电池的输出功率与期望的输出功率的偏差率Δγfc和直流母线电压与直流母线电压的额定值的偏差率Δγdc作为模糊控制器的输入变量，以燃料电池侧DC/DC变换器的功率指令占负载功率PLoad的比例为模糊控制器的输出变量；
其中，
Pfc(t)为燃料电池的实时输出功率，Pfc_u为期望的燃料电池输出功率，Vdc(t)母线电压实时值，Vdc_rated为额定母线电压；
在本实施例中，Pfc_u取燃料电池最大输出功率的0.45倍，Δγfc的范围取为[-0.25,0.25]；Vdc_rated取600V，Δγdc的范围取为[-0.05,0.05]；的范围取为[0.75,1.25]。
图6为蓄电池侧的模糊控制器的控制框图，图6中是以蓄电池的实时SOC值与期望的SOC值的差值ΔSbat和直流母线电压与直流母线电压的额定值的偏差率Δγdc作为模糊控制器的输入变量，以蓄电池侧DC/DC变换器的功率指令为模糊控制器的输出变量；
其中，
S(t)为蓄电池的实时SOC值，Sref为蓄电池期望的SOC值。
在本实施例中，Sref取0.7，ΔSbat的范围取为[-0.2,0.2]；Vdc_rated取600V，Δγdc的范围取为[-0.05,0.05]。
最后，将设计的ENτ代入电压外环指令计算公式中，计算出各DC/DC变换器的实际电压外环指令值，再通过该实际电压外环指令值调节燃料电池与蓄电池的平均输出功率，实现功率控制。
实例验证
通过Simulink仿真电源系统在CYC_HWFEI工况下的电源工作曲线，以证明本方法的有效性。
电源系统的仿真参数如表3所示，CYC_HFWEI工况下电源系统的工作曲线图如图7所示。
表3是电源系统的仿真参数；
表3
如图7所示，图中曲线依次为母线电压曲线DC_Voltage、负载功率曲线PLoad、燃料电池输出功率曲线PFc、锂电池输出功率曲线PBat、以及蓄电池的SOC曲线。由图可知，蓄电池SOC维持在0.7附近；燃料电池提供负载功率的低频功率分量，而蓄电池则提供高频功率成分；负载功率的不同功率分量得到了有效分离，且在燃料电池与蓄电池之间合理的分配。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (5)

1.一种车用燃料电池电源系统的功率控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)、将燃料电池通过单向DC/DC变换器接入直流母线，将蓄电池通过双向DC/DC变换器接入直流母线；
(2)、通过改进的直流电压下垂控制方法计算各DC/DC变换器的电压外环指令；
其中，τ＝1，2；表示单向DC/DC变换器的电压外环指令，表示双向DC/DC变换器的电压外环指令；表示单向DC/DC变换器的空载电压设定值，表示双向DC/DC变换器的空载电压设定值；表示单向DC/DC变换器的下垂控制器，表示双向DC/DC变换器的下垂控制器；表示单向DC/DC变换器的输出功率，表示双向DC/DC变换器的输出功率；表示单向DC/DC变换器的低通滤波器传递函数，表示双向DC/DC变换器的低通滤波器传递函数；表示单向DC/DC变换器的功率指令，表示双向DC/DC变换器的功率指令；
(3)、设计所述的下垂控制器
下垂控制器采用PI控制，其传递函数为：
其中，kp为比例系数，ki为积分系数，ENτ为下垂控制器中积分器的使能信号，s表示S域；
(4)、将步骤(3)设计的代入到步骤(2)中，计算出各DC/DC变换器的实际电压外环指令值，再通过该实际电压外环指令值调节燃料电池与蓄电池的平均输出功率，实现功率控制。
2.根据权利要求1所述的一种车用燃料电池电源系统的功率控制方法，其特征在于，所述的DC/DC变换器均采用电流内环、电压外环的双闭环控制策略，且电压环与电流环均采用PI控制器；
其中，通过设计各DC/DC变换器的PI控制器的参数，使燃料电池侧的DC/DC变换器的电流环、电压环的带宽均小于蓄电池侧的DC/DC变换器的电流环与电压环的带宽。
3.根据权利要求1所述的一种车用燃料电池电源系统的功率控制方法，其特征在于，所述的使能信号ENτ将各DC/DC变换器的控制模式划分为功率控制模式和电压控制模式，其中，当使能信号ENτ取0时，DC/DC变换器工作在电压控制模式，当使能信号ENτ取1时，DC/DC变换器工作在功率控制模式。
4.根据权利要求1所述的一种车用燃料电池电源系统的功率控制方法，其特征在于，所述的使能信号ENτ的值由蓄电池的荷电状态和直流母线电压的值确定；具体确定方法为：
设直流母线电压为Vdc，设定的电压门限值为Vu，蓄电池的荷电状态为SOC，蓄电池的荷电状态的门限值为SOCu，则有：
当Vdc＜Vu,SOC＜SOCu时，燃料电池侧的下垂控制器中积分器的使能信号取值为1，蓄电池侧的下垂控制器中积分器的使能信号取值为0；
当Vdc＜Vu,SOC＞SOCu时，燃料电池侧的下垂控制器中积分器的使能信号取值为0，蓄电池侧的下垂控制器中积分器的使能信号取值为1；
当Vdc＞Vu时，燃料电池侧和蓄电池侧的下垂控制器中积分器的使能信号均取值为0。
5.根据权利要求1所述的一种车用燃料电池电源系统的功率控制方法，其特征在于，所述DC/DC变换器的功率指令的计算方法为：
1)、利用模糊控制器计算燃料电池侧DC/DC变换器的功率指令
以燃料电池的输出功率与期望的输出功率的偏差率Δγfc和直流母线电压与直流母线电压的额定值的偏差率Δγdc作为模糊控制器的输入变量，以燃料电池侧DC/DC变换器的功率指令占负载功率PLoad的比例为模糊控制器的输出变量；
其中，
Pfc(t)为燃料电池的实时输出功率，Pfc_u为期望的燃料电池输出功率，Vdc(t)母线电压实时值，Vdc_rated为额定母线电压；
2)、利用模糊控制器计算蓄电池电池侧DC/DC变换器的功率指令
以蓄电池的实时SOC值与期望的SOC值的差值ΔSbat和直流母线电压与直流母线电压的额定值的偏差率Δγdc作为模糊控制器的输入变量，以蓄电池侧DC/DC变换器的功率指令为模糊控制器的输出变量；
其中，
S(t)为蓄电池的实时SOC值，Sref为蓄电池期望的SOC值。
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