SCI论文（www.lunwensci.com）:
摘 要：氢燃料电池具有、零污染、亲环境、静音、易维护等优势。针对氢燃料电池与锂电池组成的车载储能系统也得到 广泛使用。为了实现各种模式的切换，提高储能系统的整体使用效率及电池寿命，在动力系统能量分配及控制设计尤为重要。 本文章以燃料电池储能系统为研究对象，对混合动力系统能量管理系统进行分析，并对其进行控制设计。
关键词：燃料电池 ；有轨电车 ；能量管理
Energy Distribution and Control Design of Hybrid Power System Based on Fuel Cell
XIANG Hui, HUANG Yi
(Hunan Electrical College of Technology, Xiangtan Hunan 411101)
【Abstract】： Hydrogen fuel cell has the advantages of zero pollution, environment friendly, quiet, easy maintenance and so on. The energy storage system composed of hydrogen fuel cell and lithium battery is also widely used. In order to achieve various mode switching, improve the overall efficiency of energy storage system and battery life, in the power system energy distribution and control design is particularly important. This paper takes fuel cell energy storage system as the research object, analyzes the energy management system of hybrid power system, and designs the control system.
【Key words】： fuel cell;tram;energy management
0 前言
燃料电池车的充放电管理直接关系到蓄电池的使用寿命，要限制其过度充电和放电 [1]。有的能量控制系统能大大减少对电池的冲击性，从而确保了燃料电池的工作寿命 [2]。氢能源和超级电容两种储能设备在有轨电车的应用，有其优缺点 [3]。在有轨电车建设高速发展的现在，传统的有轨电车必须采用接触网供电，从而影响城市的景观，为了在重要区域设置无电网区域，本文将燃料电池与锂电池、超级电容的混合系统应用到有轨电车上，可以实现全线无电网供电。
1 工况描述
图 1 示意表示车辆从启动、匀速行驶、减速停车的 循环工况。所述动力系统随车速变换的运行情况。
在 0 ～ 10 秒内，车速为 0 整车处于停车状态 ，燃 料电池输出在一个较低水平来保证整车辅件系统能量消 耗，动力电池基本不对外进行电流输出。
在 0 ～ 50 秒内， 车速开始由 0 提高至 50km/h, 燃 料电池根据整车需求提高自身输出能力至 200kW 左右， 此时动力电池开始对外输出电流以满足整车的需求。
在 50 ～ 90 秒内，车速保持在 50km/h，整车对功 率需求下降，燃料电池功率也随之下降，燃料电池和整车的需求基本持平，动力电池基本不对外进行电流输出。
在 90 ～ 130 秒 内， 车速 由 50km/h 减速到 0， 整 车进行动能回馈，燃料点电池功率下降到最低已避免过 流，动力电池进行充电将动能回收。
在 130 ～ 140 秒内，车速为 0 整车处于停车状态， 燃料电池输出在一个较低水平来保证整车辅件系统能量 消耗，动力电池基本不对外进行电流输出。
140 ～ 280 秒重复之前工况。
1.1 牵引功率分配
在牵引时，整车功率由燃料电池与动力电池共同提 供。此时，牵引逆变器的最大需求功率需满足以下条件 ：
Pm<=(Pdc+Pbatmax‒Paux)/3=(Vdc×Idc+Vbat× Ibatmax ‒Paux)/3。
在上式中，Vdc、Idc、Vbat、Ibatmax 使用 CAN 网络中实时数据，而 Paux 则使用之前一段时间内的附 件功率的统计平均值。
对于电机控制器，需要根据燃料电池的输出功率、 动力电池最大充放电功率，来确定牵引逆变器所能使用的最大功率，保证牵引过程中电机实际使用功率不超过 此功率值，这样可以保证动力电池以及燃料电池处于正 常工作状态。
1.2 制动功率分配
在制动时，整车功率由燃料电池与电机回馈能量共 同提供，动力电池负责消耗该能量，此外牵引逆变器中 还有制动电阻用于消耗多余的制动能量。此时，各个器 件的功率需满足以下条件 ：
Pdc‒Pm=Pbatmax+Paux+Pr（此时 Pm<0）
通过控制消耗在制动电阻上的能量，可以保证动力 电池不过充。消耗在制动电阻上的能量可以由下式得到 ：
Pr>=(Pdc‒Pbatmax‒Paux)/3-Pm=(Vdc×Idc‒ Vbat×Ibatmax-Paux)/3‒Vm×Im（此时 Pm<0,Im< 0）
在上式中，Vdc、Idc、Vbat、Ibatmax 使用 CAN 网络中实时数据，而 Paux 则使用之前一段时间内的附 件功率的统计平均值。而 Vm 以及 Im 则有牵引逆变器 根据自身制动状态得到。
2 故障模式
当发生故障时，电机控制器需要根据预设值对机车 牵引以及制动时的功率进行限制。同时应关闭燃料电池 系统，车辆转为纯电动行驶模式。
2.1 牵引功率分配
此时，动力电池参数取其额定工作参数，附件功率 按照 50kw 最大值计算 ：根据 Pm<=(Pdc + Pbatmax‒ Paux)/3=(Vdc×Idc+Vbat×Ibatmax‒Paux)/3=(0+ 724.5×360 -50000)/3=210820/3 W=70kW。
即在故障模式下，单个电机牵引所能使用的最大功 率为 70kW。同时，电机控制器应监测直流侧电压，使 得电压不低于 630V（该数值由动力电池厂家提供）。
2.2 制动功率分配
此时，动力电池参数取其额定工作参数，附件功率 按照 10kW 最小值计算 ：
根据 Pr>=Pdc‒Pm‒Pbatmax‒Paux=Vdc×Idc‒Vm× Im×3‒Vbat×Ibatmax‒Paux。这里取Vm 和 Im 均为绝 对值，那么有 Pr>=0+Vm×Im×3-724.5×360-0=Vm×Im×3-260820W=Vm×Im-260kW。
即在故障模式下，电机制动时动力电池所能吸收的 最大功率为 260kW，电机控制器应控制制动电阻上的 电流，使得动力电池不超过其最大充电能力。同时，电 机控制器应监测直流侧电压，使得电压不高于 820V（该 数值由动力电池厂家提供）。
3 控制的实现
3.1 硬件的设计
燃料 电池 ECU 采用 Qorivva MPC5748G 系列 32 位 MCU，它为新一代中央车身控制和网关应用提供了 高度集成、低功耗、安全的单芯片解决方案。表 1 为控 制器 MCU 的特性及优势。
3.2 软件设计
图 2 为 ECU 控制系统意图。其中 ：CAN_MSG 表示 ECU 通过 CAN 总线获取外围设备上数据信息 ；I_di 表示ECU 采集的辅件数字信号开关信息 ；I_ana 表示 ECU 采 集的附件数字信号模拟信息 ；Monitor_Display_Msg 表示 动力系统状态信息，此信息通过 CAN 发送给监控系统 ； IO_Clt_ports 表示附件系统开关量的控制信息 ；CAN_ Clt_Msg 表示附件 CAN 指令的控制命令。
图 3 为算法状态时序示意图。总体算法的主状态分 为 7 个状态分别为 ：（1）Standby 表示系统上电后系统 待启动状态。（2）Diagose 表示进行开机前自检，对附 件系统的安全性进行评估。（3）EV 表示动力系统可以 进行纯电动功率输出。（4）Startup 表示系统进入燃料 电池启动流程，准备进行混合功率输出。（5） HyB 表示 系统已进入混合功率输出模式。（6）Shutdown 表示系 统接到关机指令执行关机流程。（7）Error 系统故障。
4 结语
通过基于燃料电池的混合动力系统能量分配及控制 设计，整个系统在运行过程中能确保电池 SOC 在 80% 左右，同时保证了整个运行过程中燃料的经济性。
参考文献
[1] 曾洁,郭永伟.燃料电池汽车的电池管理系统设计[J].电子设 计应用,2003(12):66-68.
[2] 姜志玲,陈维荣,刘小强,等.燃料电池发电系统的能量管理控制[J].电源技术,2010,34(9):911-914.
[3] 魏调忠.氢能源与超级电容在现代有轨电车的应用[J].机电 工程技术,2020(9):185-187.
关注SCI论文创作发表，寻求SCI论文修改润色、SCI论文代发表等服务支撑，请锁定SCI论文网！
文章出自SCI论文网转载请注明出处：https://www.lunwensci.com/jisuanjilunwen/35703.html
