CN111600290B - 一种pemfc混合供电系统能量管理控制器的建立方法 - Google Patents

一种pemfc混合供电系统能量管理控制器的建立方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种PEMFC混合供电系统能量管理控制器的建立方法，基于串并联拓扑结构，采用功率跟随控制策略。该控制器以负载功率和蓄电池的SOC为衡量标准，将整个系统的工作模式划分为五种，通过变换器控制工作模式的切换。本发明根据负载需求功率和动力源的状态来确定系统的运行状态，分配动力源的输出功率，覆盖动力源所有可能输出，PEMFC输出功率不是恒定值，而是在一个工作区间内变化，在此区间内PEMFC输出效率较高，因此提高了燃料的利用率，且降低了系统的控制成本。

Description

一种PEMFC混合供电系统能量管理控制器的建立方法
技术领域
本发明属于新能源领域，特别是涉及一种PEMFC(质子交换膜燃料电池)混合供电系统能量管理控制器的建立方法。
背景技术
能量管理策略是混合供电系统的核心部分，决定各个动力源的运行状态，对提高系统能量利用效率、改善燃料经济性具有重要意义。目前能量管理策略主要有基于规则和基于优化两种。基于优化的控制策略需要预先采集特定工况或者循环工况的负载需求，只可实现系统的瞬时优化控制，且很多优化算法仅停留在仿真阶段，无法应用于实际。而基于规则的控制策略能够对功率进行合理分配，易于实现且有广泛应用，但依赖于设计者的工程经验，难以优化系统能量效率。
Torreglosa J P作者在《PEM fuel cell modeling using systemidentification methods for urban transportation applications》一文中，制定了状态机控制策略规则表，该策略硬件要求低，但是未考虑不同动力源的放电特性，无法解决动力源之间功率分配。
Harmon F G作者在《Conceptual Design and Simulation of a Small Hybrid-Electric Unmanned Aerial Vehicle》一文中，采用逻辑门限控制策略对混合供电系统能量管理，仿真和实验结果表明该控制策略能够满足无人机飞行需求并有效减少了燃料的消耗，但反复启动开关会导致电池寿命减小。
发明内容
本发明的目的在于提供一种PEMFC混合供电系统能量管理控制器的建立方法，负载变化并不是特定工况或者循环工况，从基于规则的控制策略出发，改善传统状态机控制策略无法解决动力源之间功率分配的问题。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种PEMFC混合供电系统能量管理控制器的建立方法，包括以下步骤：
步骤1、根据负载需求功率，确定PEMFC混合供电系统；
步骤2、根据PEMFC混合供电系统，确定串并联拓扑结构；
步骤3、根据串并联拓扑结构的能量流动情况，将PEMFC混合供电系统分为五种工作模式；
步骤4、在每种工作模式下分别建立变换器动态模型即四开关Buck/Boost变换器开关网络等效模型；
步骤5、建立小信号数学模型，反馈变换器的运作状态，从而获得PEMFC混合供电系统能量管理控制器。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：
(1)根据负载需求功率和动力源的状态来确定系统的运行状态，分配动力源的输出功率，覆盖动力源所有可能输出，PEMFC输出功率不是恒定值，而是在一个工作区间内变化，在此区间内PEMFC输出效率较高。
(2)将串联和并联拓扑结合，在任何负载情况下串并联拓扑效率最高，其高效性不依赖于负载功率分布，具有很高的实用价值。
(3)提高了系统的稳定性和快速性以及燃料的利用率，降低了系统的控制成本。
附图说明
图1是本发明PEMFC混合供电系统能量管理控制器的建立方法流程图。
图2是本发明PEMFC混合供电系统控制框图。
图3是本发明串并联拓扑图。
图4是本发明串并联拓扑能量流动图，其中，图(a)是工作模式1的能量流动图，图(b)是工作模式2的能量流动图，图(c)是工作模式3的能量流动图，图(d)是工作模式4的能量流动图，图(e)是工作模式5的能量流动图。
图5是本发明四开关Buck/Boost变换器开关网络等效模型图。
图6是本发明系统小信号数学模型图，其中，图(a)是第一变换器稳压工作图，图(b)是第一变换器限流工作图，图(c)是第二变换器限流工作图，图(d)是第三变换器稳压工作图。
图7是本发明High SOC-负载变化时相关波形图，其中，图(a)是High SOC-负载变化时PEMFC、蓄电池和负载电压相关波形，图(b)是High SOC-负载变化时PEMFC、蓄电池和负载电流相关波形，图(c)是High SOC-负载变化时蓄电池SOC相关波形。
图8是本发明Normal SOC-负载变化时相关波形图，其中，图(a)是Normal SOC-负载变化时PEMFC、蓄电池和负载电压相关波形，图(b)是Normal SOC-负载变化时PEMFC、蓄电池和负载电流相关波形，图(c)是Normal SOC-负载变化时蓄电池SOC相关波形。
图9是本发明Low SOC-负载变化时相关波形图，其中，图(a)是Low SOC-负载变化时PEMFC、蓄电池和负载电压相关波形，图(b)是Low SOC-负载变化时PEMFC、蓄电池和负载电流相关波形，图(c)是Low SOC-负载变化时蓄电池SOC相关波形。
图10是本发明负载空载时相关波形图，其中，图(a)是负载空载时PEMFC、蓄电池和负载电压相关波形，图(b)是负载空载时PEMFC、蓄电池和负载电流相关波形，图(c)是负载空载时蓄电池SOC相关波形。
图11是本发明PEMFC失效时相关波形图，其中，图(a)是PEMFC失效时PEMFC、蓄电池和负载电压相关波形，图(b)是PEMFC失效时PEMFC、蓄电池和负载电流相关波形，图(c)是PEMFC失效时蓄电池SOC相关波形。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步说明本发明方案。
如图1所示，本发明是一种PEMFC混合供电系统能量管理控制器的建立方法，用于实现基于串并联拓扑结构的功率跟随控制策略，包括以下步骤：
步骤1、根据负载需求功率，确定PEMFC混合供电系统。如图2所示，所述PEMFC混合供电系统包括输入电流调节器、输出电流调节器、EMS、四个PWM控制器、三个变换器和两个输出电压调节器。第一PWM控制器分别连接第一输出电压调节器、第一变换器和EMS；第二PWM控制器分别连接输入电流调节器、第一变换器和EMS；第三PWM控制器分别连接输出电流调节器、第二变换器和EMS；第四PWM控制器分别连接第二输出电压调节器、第三变换器和EMS。
PEMFC混合供电系统输出电压的实际值和参考值通过第一输出电压调节器和第一PWM控制器发送给第一变换器；燃料电池输入电流的实际值和参考值通过输入电流调节器和第二PWM控制器发送给第一变换器；辅助电源输出电流的实际值和参考值通过输出电流调节器和第三PWM控制器发送给第二变换器；PEMFC混合供电系统输出电压的实际值和参考值通过第二输出电压调节器和第四PWM控制器发送给第三变换器；负载需求功率、辅助电源SOC和燃料电池功率通过EMS控制四个PWM控制器运行。
步骤2、根据PEMFC混合供电系统，确定串并联拓扑结构。如图3所示，所述的串并联拓扑结构包括燃料电池、辅助电源、负载和三个变换器，燃料电池通过第一变换器向负载供电；燃料电池通过第二变换器向辅助电源供电；辅助电源通过第三变换器向负载供电。
步骤3、根据串并联拓扑结构的能量流动情况，将PEMFC混合供电系统分为五种工作模式(如图4所示)，具体包括：
工作模式1：燃料电池单独为负载供电，第一变换器维持负载电压稳定，第二变换器、第三变换器和辅助电源不工作；
工作模式2：燃料电池为辅助电源充电，第二变换器给辅助电源恒流充电，第一变换器、第三变换器和负载不工作；
工作模式3：辅助电源单独为负载供电，第三变换器维持负载电压稳定，第一变换器、第二变换器和燃料电池不工作；
工作模式4：燃料电池和辅助电源同时为负载供电，第一变换器控制燃料电池输出电流即可控制其输出功率，第三变换器调节负载电压，在实现输入源功率分配的同时维持负载电压稳定，第二变换器不工作；
工作模式5：燃料电池为负载供电同时为辅助电源充电，第一变换器维持负载电压稳定，同时第二变换器使蓄电池恒流充电，第三变换器不工作。
步骤4、建立变换器动态模型即四开关Buck/Boost变换器开关网络等效模型，采用开关网络等效法建立通用模型(如图5所示)。
四开关Buck/Boost变换器在升压和降压模式下工作状态不同，根据高频网络等效原理，将变换器中MOS管用受控电流源代替，电感两端电压由受控电压源代替，且受控电压源和电流源的值为高频元件在一个周期内的算术平均值。
本发明采用的变换器包括输出电流闭环和输出电压闭环两种情况，根据四开关Buck/Boost变换器开关网络等效模型，计算出占空比变化对输出电流变化和输出电压变化的影响。
在变换器输出电流闭环的情况下，模型稳态和暂态工作关系式分别为：
Figure BDA0002527077430000041
式中：I1为第一受控电流源的电流，IL为电感电流，D1为第一电感的占空比，I2为第二受控电流源的电流，I3为第三受控电流源的电流，D2为第一电容的占空比，I4为第四受控电流源的电流，V1为第一受控电压源的电压，Vfc为燃料电池输入电压，V2为第二受控电压源的电压，Vbat为辅助电源输出电压。
令
Figure BDA0002527077430000051
其中X为稳态量，
Figure BDA0002527077430000052
为摄动量，x为动态量，得出：
Figure BDA0002527077430000053
式中：
Figure BDA0002527077430000054
为第一受控电流源电流的摄动量，IL为电感电流的稳态量，
Figure BDA0002527077430000055
为第一电感占空比的摄动量，
Figure BDA0002527077430000056
为电感电流的摄动量，D1为第一电感占空比的稳态量，
Figure BDA0002527077430000057
为第二受控电流源电流的摄动量，
Figure BDA0002527077430000058
为第三受控电流源电流的摄动量，
Figure BDA0002527077430000059
为第一电容占空比的摄动量，D2为第一电容占空比的稳态量，
Figure BDA00025270774300000510
为第四受控电流源电流的摄动量，
Figure BDA00025270774300000511
为第一受控电压源电压的摄动量，Vfc为燃料电池输入电压的稳态量，
Figure BDA00025270774300000512
为燃料电池输入电压的摄动量，
Figure BDA00025270774300000513
为第二受控电压源电压的摄动量，Vbat为辅助电源输出电压的稳态量，
Figure BDA00025270774300000514
为辅助电源输出电压的摄动量。
可列写出电感L3和电容C3动态特性的回路KVL方程为：
Figure BDA00025270774300000515
式中：s为复频率，即s域内的变量，L1为第一电感值，
Figure BDA00025270774300000516
为电感电流的摄动量，
Figure BDA00025270774300000517
为第二受控电压源电压的摄动量，
Figure BDA00025270774300000518
为第一受控电压源电压的摄动量，C1为第一电容值，
Figure BDA00025270774300000519
为辅助电源输出电压的摄动量，
Figure BDA00025270774300000520
为辅助电源输出电流的摄动量，
Figure BDA0002527077430000061
为第四受控电流源电流的摄动量。
再由Thevenin模型数学关系可知式(4.4)，其中Rx＝R1+R2/(sC2R2+1)。
Figure BDA0002527077430000062
式中：s为复频率，即s域内的变量，R1为第一电阻值，R2为第二电阻值，C2为第二电容值，
Figure BDA0002527077430000063
为辅助电源输出电压的摄动量，Rx为复合电阻值，
Figure BDA0002527077430000064
为辅助电源输出电流的摄动量。
将式(4.3)与式(4.4)联立化简可得：
Figure BDA0002527077430000065
Figure BDA0002527077430000066
式中：s为复频率，即s域内的变量，
Figure BDA0002527077430000067
为辅助电源输出电流的摄动量，
Figure BDA0002527077430000068
为第四受控电流源电流的摄动量，C1为第一电容值，Rx为复合电阻值，IL为电感电流的稳态量，
Figure BDA0002527077430000069
为第一电容占空比的摄动量，
Figure BDA00025270774300000610
为电感电流的摄动量，D2为第一电容占空比的稳态量，
Figure BDA00025270774300000611
为第一受控电压源电压的摄动量，
Figure BDA00025270774300000612
为第二受控电压源电压的摄动量，L1为第一电感值，Vfc为燃料电池输入电压的稳态量，
Figure BDA00025270774300000613
为第一电感占空比的摄动量，
Figure BDA00025270774300000614
为燃料电池输入电压的摄动量，D1为第一电感占空比的稳态量，Vbat为辅助电源输出电压的稳态量。
将式(4.6)代入式(4.5)可得：
Figure BDA00025270774300000615
式中：s为复频率，即s域内的变量，
Figure BDA00025270774300000616
为辅助电源输出电流的摄动量，L1为第一电感值，IL为电感电流的稳态量，
Figure BDA00025270774300000617
为第一电容占空比的摄动量，D2为第一电容占空比的稳态量，Vfc为燃料电池输入电压的稳态量，
Figure BDA00025270774300000618
为第一电感占空比的摄动量，
Figure BDA00025270774300000619
为燃料电池输入电压的摄动量，D1为第一电感占空比的稳态量，Vbat为辅助电源输出电压的稳态量，
Figure BDA0002527077430000071
为第一电容占空比的摄动量，C1为第一电容值，Rx为复合电阻值。
取占空比D1＝D2＝D，由此将占空比变化对输出电流变化的影响可统一为：
Figure BDA0002527077430000072
式中：s为复频率，即s域内的变量，
Figure BDA0002527077430000073
为输出电流的传递函数，
Figure BDA0002527077430000074
为
Figure BDA0002527077430000075
关于输出电流的一个有理分式，IL为电感电流，L1为第一电感值，D为占空比，Vfc为燃料电池输入电压，Vbat为辅助电源输出电压，C1为第一电容值，Rx为复合电阻值。
当变换器输出电压闭环的情况下，根据戚志东和裴进在《基于分数阶PID控制的质子交换膜燃料电池前级功率变换器》中提出的小信号电路模型，占空比变化对输出电压变化的影响可统一为：
Figure BDA0002527077430000076
式中：s为复频率，即s域内的变量，
Figure BDA0002527077430000077
为输出电压的传递函数，
Figure BDA0002527077430000078
为
Figure BDA0002527077430000079
关于输出电压的一个有理分式，D为占空比，Vbat为辅助电源输出电压，Vo为电路输出电压，L2为第二电感值，RL为电感阻值，C2为第二电容值。
步骤5、建立小信号数学模型，反馈变换器的运作状态，如图6所示，得出电压电流闭环环路增益函数，从而获得PEMFC混合供电系统能量管理控制器，具体如下：
工作模式1：燃料电池单独为负载供电，第一变换器输出电压闭环；
工作模式2：燃料电池为辅助电源充电，第二变换器输出电流闭环；
工作模式3：辅助电源单独为负载供电，第三变换器输出电压闭环；
工作模式4：燃料电池和辅助电源同时为负载供电，第一变换器输入电流闭环，第三变换器输出电压闭环；
工作模式5：燃料电池为负载供电同时为辅助电源充电，第一变换器输出电压闭环，第二变换器输出电流闭环；
由此得出，每种工作模式最多存在两个闭环，由于各变换器独立工作，闭环系统也是相互独立的，不存在耦合，分别得到电压电流闭环环路增益函数为：
Figure BDA0002527077430000081
Figure BDA0002527077430000082
Figure BDA0002527077430000083
Figure BDA0002527077430000084
式中：Gcr(s)为电流调节器的传递函数，Gvr(s)为电压调节器的传递函数，GPWM(s)为载波传递函数，
Figure BDA0002527077430000085
为输入电流的传递函数，
Figure BDA0002527077430000086
为输出电流的传递函数，
Figure BDA0002527077430000087
为输出电压的传递函数，设定GPWM(s)＝1，Gcf(s)为电流反馈环节传递函数，Gvf(s)为电压反馈环节传递函数，此处均为采样系数，设为常数。
实施例
为了验证本发明方法的有效性，进行如下仿真实验。
步骤1、根据负载需求功率，确定PEMFC混合供电系统。所述PEMFC混合供电系统包括输入电流调节器、输出电流调节器、EMS、四个PWM控制器、三个变换器和两个输出电压调节器。第一PWM控制器分别连接第一输出电压调节器、第一变换器和EMS，第二PWM控制器分别连接输入电流调节器、第一变换器和EMS，第三PWM控制器分别连接输出电流调节器、第二变换器和EMS，第四PWM控制器分别连接第二输出电压调节器、第三变换器和EMS。
PEMFC混合供电系统输出电压的实际值和参考值通过第一输出电压调节器和第一PWM控制器发送给第一变换器；燃料电池输入电流的实际值和参考值通过输入电流调节器和第二PWM控制器发送给第一变换器；辅助电源输出电流的实际值和参考值通过输出电流调节器和第三PWM控制器发送给第二变换器；PEMFC混合供电系统输出电压的实际值和参考值通过第二输出电压调节器和第四PWM控制器发送给第三变换器；负载需求功率、辅助电源SOC和燃料电池功率通过EMS控制四个PWM控制器运行。
步骤2、根据PEMFC混合供电系统，确定串并联拓扑结构。所述的串并联拓扑结构包括燃料电池、辅助电源、负载和三个变换器，燃料电池通过第一变换器向负载供电；燃料电池通过第二变换器向辅助电源供电；辅助电源通过第三变换器向负载供电。其中，其中燃料电池采用质子交换膜燃料电池(PEMFC)，辅助电源采用蓄电池，三个变换器均采用四开关Buck/Boost变换器。
步骤3、根据串并联拓扑结构的能量流动情况，将PEMFC混合供电系统分为五种工作模式，具体包括：
工作模式1：燃料电池单独为负载供电，第一变换器维持负载电压稳定，第二变换器、第三变换器和辅助电源不工作；
工作模式2：燃料电池为辅助电源充电，第二变换器给辅助电源恒流充电，第一变换器、第三变换器和负载不工作；
工作模式3：辅助电源单独为负载供电，第三变换器维持负载电压稳定，第一变换器、第二变换器和燃料电池不工作；
工作模式4：燃料电池和辅助电源同时为负载供电，第一变换器控制燃料电池输出电流即可控制其输出功率，第三变换器调节负载电压，在实现输入源功率分配的同时维持负载电压稳定，第二变换器不工作；
工作模式5：燃料电池为负载供电同时为辅助电源充电，第一变换器维持负载电压稳定，同时第二变换器使蓄电池恒流充电，第三变换器不工作。
步骤4、建立变换器动态模型即四开关Buck/Boost变换器开关网络等效模型，采用开关网络等效法建立通用模型，具体如下：
三个变换器根据工作状态分为输出电流闭环和输出电压闭环两种情况，在变换器输出电流闭环的情况下，占空比变化对输出电流变化的影响统一为：
Figure BDA0002527077430000091
式中：s为复频率，即s域内的变量，
Figure BDA0002527077430000092
为输出电流的传递函数，
Figure BDA0002527077430000093
为
Figure BDA0002527077430000094
关于输出电流的一个有理分式，IL为电感电流，L1为第一电感值，D为占空比，Vfc为燃料电池输入电压，Vbat为辅助电源输出电压，C1为第一电容值，Rx为复合电阻值。
在变换器输出电压闭环的情况下，占空比变化对输出电压变化的影响可统一为：
Figure BDA0002527077430000101
式中：s为复频率，即s域内的变量，
Figure BDA0002527077430000102
为输出电压的传递函数，
Figure BDA0002527077430000103
为
Figure BDA0002527077430000104
关于输出电压的一个有理分式，D为占空比，Vbat为辅助电源输出电压，Vo为电路输出电压，L2为第二电感值，RL为电感阻值，C2为第二电容值。
步骤5、建立小信号数学模型，反馈变换器的运作状态，得出电压电流闭环环路增益函数，从而获得PEMFC混合供电系统能量管理控制器，具体如下：
工作模式1：燃料电池单独为负载供电，第一变换器输出电压闭环；
工作模式2：燃料电池为辅助电源充电，第二变换器输出电流闭环；
工作模式3：辅助电源单独为负载供电，第三变换器输出电压闭环；
工作模式4：燃料电池和辅助电源同时为负载供电，第一变换器输入电流闭环，第三变换器输出电压闭环；
工作模式5：燃料电池为负载供电同时为辅助电源充电，第一变换器输出电压闭环，第二变换器输出电流闭环；
由此得出，每种工作模式最多存在两个闭环，由于各变换器独立工作，闭环系统也是相互独立的，不存在耦合，分别得到电压电流闭环环路增益函数为：
Figure BDA0002527077430000105
Figure BDA0002527077430000106
Figure BDA0002527077430000107
Figure BDA0002527077430000108
其中Gcr(s)为电流调节器的传递函数、Gvr(s)为电压调节器的传递函数，GPWM(s)为载波传递函数，
Figure BDA0002527077430000109
为输入电流的传递函数，
Figure BDA00025270774300001010
为输出电流的传递函数，
Figure BDA0002527077430000111
为输出电压的传递函数，设定GPWM(s)＝1，Gcf(s)为电流反馈环节传递函数，Gvf(s)为电压反馈环节传递函数，此处均为采样系数，设为常数。
在PEMFC混合供电系统能量管理控制器上，实现基于规则的功率跟随控制策略，具体如下：
设定欧姆区最小输出功率Pfcmin，根据Pfcmin和额定功率Pfco将负载功率PL划分为三个区间，同时蓄电池的SOC被上限SOCmax和下限SOCmin也划分为High、Normal、Low三个区间，将整个控制策略分成九种状态，如表1所示，每种状态对应一个PEMFC参考输出功率。
表1 PEMFC混合供电系统功率跟随控制策略表
Figure BDA0002527077430000112
状态1(High SOC andPL＜Pfcmin)：在此状态下，蓄电池SOC较高，无需充电，PEMFC输出功率跟随实际负载功率；
状态2(High SOC andPfcmin≤PL≤Pfco)：在这种情况下，PEMFC工作在负载功率跟随模式，蓄电池不输出功率；
状态3(High SOC andPL＞Pfco)：在这种状态下，PEMFC以额定功率运行，蓄电池提供负载缺少的功率，即Pbat＝PL-Pfco，蓄电池处于放电状态，SOC减小；
状态4(Normal SOC andPL＜Pfcmin)：在这种情况下，由于PEMFC低功率运行时效率较低，此时燃料电池同时为负载供电及为蓄电池充电，SOC上升；
状态5(Normal SOC andPfcmin≤PL≤Pfco)：该状态同状态2，PEMFC工作在负载功率跟随模式，蓄电池处于保持状态；
状态6(Normal SOC andPL＞Pfco)：该状态与状态3类似，PEMFC以额定功率运行，负载缺少的功率由蓄电池提供，即Pbat＝PL-Pfco，SOC减小；
状态7(Low SOC andPL＜Pfcmin)：在这种情况下，由于蓄电池SOC较低，PEMFC不仅需要满足负载功率需求，还为蓄电池充电，SOC上升；
状态8(Low SOC andPfcmin≤PL≤Pfco)：该状态同状态2，PEMFC工作在负载功率跟随模式，蓄电池处于保持状态；
状态9(Low SOC andPL＞Pfco)：此时蓄电池不能过放，PEMFC也不能提供足够的能量，将PEMFC到负载的单向变换器1关机，由PEMFC为蓄电池充电，蓄电池SOC上升。
搭建PEMFC混合供电系统仿真模型，仿真模型中的EMS为功率跟随控制策略，输入为包括SOC、PL和Pfc三个变量，根据输入变量状态确定四个变换器的工作状态，具体如下：
根据PEMFC的Pfcmin和Pfco将负载功率PL划分为三个区间，在三个区间分别选取功率值进行切换，PL1＝48W、PL2＝77W、PL3＝144W，对应的电阻值为RL1＝48Ω、RL2＝30Ω、RL3＝16Ω。蓄电池的SOC上下限SOCmax＝80％，SOCmin＝20％将SOC划分为三个区间，由于蓄电池SOC变化较慢，在整个变化周期内仿真时间较长，对仿真条件要求较高，本次仿真在SOC三个区间分别取对应初始值，进行负载变化的仿真。同时将负载空载和PEMFC失效特殊状态单独进行仿真。
1)High SOC-负载变化状态
在蓄电池的SOC>SOCmax时，预先设置SOC初始值为81％，在0.05s时，负载由48Ω变为30Ω，第一变换器单独工作，PEMFC单独为负载供电，在0.1s时，负载由30Ω变为16Ω，系统变为第一变换器和第三变换器同时工作，由PEMFC和蓄电池同时为负载供电。
如图7所示，在0.115s时，系统达到稳定，蓄电池放电电流稳定在2.2A，SOC线性下降。在系统稳定后，三个阶段系统的效率分别为94.8％、93.8％和93.3％。
2)Normal SOC-负载变化状态
在蓄电池的SOCmin<SOC<SOCmax时，设SOC初始值为50％，在0.05秒时，负载由48Ω变为30Ω，系统由第一变换器和第二变换器同时工作变为第一变换器单独工作，在0.1秒时，负载由30Ω变为16Ω，系统变为第一变换器和第三变换器同时工作。
如图8所示，每次换系统都在0.02s内达到稳定，SOC在0-0.05s上升，在0.1-0.15s下降。在系统稳定后，三个阶段系统的效率分别为93.1％、94.8％和93.3％。
3)Low SOC-负载变化状态
在蓄电池的SOC<SOCmin时，设SOC初始值为19％，在0.05s时，负载由48Ω变为30Ω，系统由第一变换器和第二变换器同时工作变为第一变换器单独工作，在0.1s时，负载由30Ω变为16Ω，由于蓄电池SOC较低无法满足同时为负载供电，第一变换器关闭，在负载功率降到PEMFC能同时为负载和蓄电池供电时，开始为蓄电池充电，系统变为第二变换器单独工作。
如图9所示，在0.104s时，蓄电池开始充电，SOC上升。在系统稳定后，三个阶段系统的效率分别为93.3％、94.8％和88.1％。
4)特殊状态
第一种、负载空载(PL＝0)
若SOC<SOCmax时，PEMFC为蓄电池恒流充电，只有第二变换器单独工作，若SOC>SOCmax，系统关机。设定蓄电池SOC初始值为50％，如图10所示，在0.01s时，PEMFC输出电压和输出电流稳定在16.6V和1.8A，蓄电池两端电压稳定在24V，充电电流稳定在1.2A，系统稳定时效率为96.3％，蓄电池SOC在系统稳定后保持线性增长。
第二种、PEMFC失效(Pfc＝0)
若SOC>SOCmin，由蓄电池维持负载电压稳定，只有第三变换器单独工作，若SOC<SOCmin，系统亦关机。同时负载功率应不高于100W，设定蓄电池SOC初始值为50％，在0.03s负载由48Ω切换到24Ω，在0.06s切回到48Ω，如图11所示，切换后在0.01秒内系统达到稳定，轻载和重载时效率分别为98.6％和97.8％，蓄电池SOC在不同负载时下降斜率不同。
综上所述，这种控制策略包括了所有可能的输出组合，避免燃料电池输出功率频繁变化。同时考虑负载空载和PEMFC失效两种特殊状态，当负载空载且SOC<SOCmax时，PEMFC为蓄电池恒流充电，若SOC>SOCmax，系统关机；当PEMFC失效且SOC>SOCmin，蓄电池维持负载电压稳定，若SOC<SOCmin，系统亦关机。本发明保证了蓄电池SOC在一个范围，有效避免了蓄电池过充或者过放的问题。

Claims (1)

1.一种PEMFC混合供电系统能量管理控制器的建立方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、根据负载需求功率，确定PEMFC混合供电系统；
所述PEMFC混合供电系统包括输入电流调节器、输出电流调节器、EMS、四个PWM控制器、三个变换器和两个输出电压调节器；第一PWM控制器分别连接第一输出电压调节器、第一变换器和EMS；第二PWM控制器分别连接输入电流调节器、第一变换器和EMS；第三PWM控制器分别连接输出电流调节器、第二变换器和EMS；第四PWM控制器分别连接第二输出电压调节器、第三变换器和EMS；
PEMFC混合供电系统输出电压的实际值和参考值通过第一输出电压调节器和第一PWM控制器发送给第一变换器；燃料电池输入电流的实际值和参考值通过输入电流调节器和第二PWM控制器发送给第一变换器；辅助电源输出电流的实际值和参考值通过输出电流调节器和第三PWM控制器发送给第二变换器；PEMFC混合供电系统输出电压的实际值和参考值通过第二输出电压调节器和第四PWM控制器发送给第三变换器；负载需求功率、辅助电源SOC和燃料电池功率通过EMS控制四个PWM控制器运行；
上述三个变换器均采用四开关Buck/Boost变换器；
步骤2、根据PEMFC混合供电系统，确定串并联拓扑结构；
所述的串并联拓扑结构包括燃料电池、辅助电源、负载和三个变换器，燃料电池通过第一变换器向负载供电；燃料电池通过第二变换器向辅助电源供电；辅助电源通过第三变换器向负载供电；
步骤3、根据串并联拓扑结构的能量流动情况，将PEMFC混合供电系统分为五种工作模式，具体包括：
工作模式1：燃料电池单独为负载供电，第一变换器维持负载电压稳定，第二变换器、第三变换器和辅助电源不工作；
工作模式2：燃料电池为辅助电源充电，第二变换器给辅助电源恒流充电，第一变换器、第三变换器和负载不工作；
工作模式3：辅助电源单独为负载供电，第三变换器维持负载电压稳定，第一变换器、第二变换器和燃料电池不工作；
工作模式4：燃料电池和辅助电源同时为负载供电，第一变换器控制燃料电池输出电流即可控制其输出功率，第三变换器调节负载电压，在实现输入源功率分配的同时维持负载电压稳定，第二变换器不工作；
工作模式5：燃料电池为负载供电同时为辅助电源充电，第一变换器维持负载电压稳定，同时第二变换器使辅助电源恒流充电，第三变换器不工作；
步骤4、在每种工作模式下分别建立变换器动态模型即四开关Buck/Boost变换器开关网络等效模型，采用开关网络等效法建立通用模型，具体如下：
三个变换器根据工作状态分为输出电流闭环和输出电压闭环两种情况；
在变换器输出电流闭环的情况下，占空比变化对输出电流变化的影响统一为：
Figure FDA0003737822280000021
式中：s为复频率，
Figure FDA0003737822280000022
为输出电流的传递函数，
Figure FDA0003737822280000023
为
Figure FDA0003737822280000024
关于输出电流的一个有理分式，IL为电感电流，L1为第一电感值，D为占空比，Vfc为燃料电池输入电压，Vbat为辅助电源输出电压，C1为第一电容值，Rx为复合电阻值；
在变换器输出电压闭环的情况下，占空比变化对输出电压变化的影响统一为：
Figure FDA0003737822280000025
式中：
Figure FDA0003737822280000026
为输出电压的传递函数，
Figure FDA0003737822280000027
为
Figure FDA0003737822280000028
关于输出电压的一个有理分式，Vo为电路输出电压，L2为第二电感值，RL为电感阻值，C2为第二电容值；
步骤5、建立小信号数学模型，反馈变换器的运作状态，从而获得PEMFC混合供电系统能量管理控制器；
在五种工作模式下分别给对应的工作电路建立小信号数学模型，得出电压电流闭环环路增益函数，具体如下：
工作模式1：燃料电池单独为负载供电，第一变换器输出电压闭环；
工作模式2：燃料电池为辅助电源充电，第二变换器输出电流闭环；
工作模式3：辅助电源单独为负载供电，第三变换器输出电压闭环；
工作模式4：燃料电池和辅助电源同时为负载供电，第一变换器输入电流闭环，第三变换器输出电压闭环；
工作模式5：燃料电池为负载供电同时为辅助电源充电，第一变换器输出电压闭环，第二变换器输出电流闭环；
由此得出，每种工作模式最多存在两个闭环，由于各变换器独立工作，闭环系统也是相互独立的，不存在耦合，分别得到电压电流闭环环路增益函数为：
Figure FDA0003737822280000031
Figure FDA0003737822280000032
Figure FDA0003737822280000033
Figure FDA0003737822280000034
式中：Gcr(s)为电流调节器的传递函数，Gvr(s)为电压调节器的传递函数，GPWM(s)为载波传递函数，
Figure FDA0003737822280000035
为输入电流的传递函数，
Figure FDA0003737822280000036
为输出电流的传递函数，
Figure FDA0003737822280000037
为输出电压的传递函数，设定GPWM(s)＝1，Gcf(s)为电流反馈环节传递函数，Gvf(s)为电压反馈环节传递函数，此处均为采样系数，设为常数。
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