引言

燃料電池和鋰電池的混合動(dòng)力機(jī)器人可以在低排放和低噪聲的前提下,實(shí)現(xiàn)機(jī)器人長時(shí)間、無線纜靈活作業(yè)。但是燃料電池輸出特性較軟,且無法通過控制策略來完全改進(jìn)這一缺點(diǎn),因此,國內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)混合動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行了研究,以改善單一燃料電池能源存在的不足。金振華等人利用動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法對(duì)混合動(dòng)力系統(tǒng)城市公交車運(yùn)行工況進(jìn)行了全局優(yōu)化計(jì)算,設(shè)計(jì)了實(shí)時(shí)控制策略,并通過仿真實(shí)驗(yàn)證明了該全局優(yōu)化控制策略提高了系統(tǒng)的燃料經(jīng)濟(jì)性。李禮夫等人建立了混聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)能量管理策略瞬時(shí)優(yōu)化控制器,對(duì)運(yùn)行著的發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)功率進(jìn)行了基于能量利用率的瞬時(shí)優(yōu)化仿真分配,提高了系統(tǒng)的能量利用率。王旭峰提出了基于模糊邏輯的能量管理控制策略,以負(fù)載需求功率和蓄電池的SOC為輸入信號(hào),DC/DC變換器的參考輸出功率為輸出信號(hào),并利用粒子群優(yōu)化算法優(yōu)化所提模糊邏輯能量管理策略,進(jìn)一步提高了混合動(dòng)力機(jī)車的動(dòng)態(tài)性和經(jīng)濟(jì)性。張炳力等人[4]利用小波變換可以提取時(shí)域和頻域信號(hào)信息,并按一定原則進(jìn)行分解的瞬態(tài)信號(hào)分析特性,將離散需求功率信號(hào)進(jìn)行分解,按照需求功率的變化頻率對(duì)燃料電池和輔助能源進(jìn)行能量分配,既滿足了負(fù)載的功率需求,又避免了高頻功率對(duì)燃料電池的沖擊。

基于燃料電池和鋰電池的混合動(dòng)力機(jī)器人控制策略研究中,需對(duì)機(jī)器人啟動(dòng)、加速、勻速、減速制動(dòng)等不同運(yùn)行狀態(tài)下的功率和動(dòng)態(tài)需求進(jìn)行分析,從而實(shí)現(xiàn)合理控制、分配燃料電池和蓄電池的功率輸出。

1能量管理策略的目標(biāo)

在燃料電池機(jī)器人系統(tǒng)中,以清潔無污染的燃料電池為主要能源,鋰電池作為輔助能源。但是,燃料電池與鋰電池組成的混合動(dòng)力機(jī)器人系統(tǒng)中,機(jī)器人不同的運(yùn)行狀態(tài)對(duì)應(yīng)著不同的能量流動(dòng)方向,因此,首先要確定系統(tǒng)的能量管理策略總體目標(biāo),具體包括:

(1)滿足機(jī)器人的功率需求。機(jī)器人在不同運(yùn)行狀態(tài)時(shí),對(duì)能源系統(tǒng)的要求不同,在啟動(dòng)階段,速度突然增加,需要可以快速放電的能源,即刻滿足機(jī)器人負(fù)載的能源需求:在速度較高的運(yùn)行階段,需要混合動(dòng)力共同滿足負(fù)載需求,此時(shí)就需要輔助能源增加輸出功率,滿足負(fù)載需求功率,保證燃料電池工作在合理的運(yùn)行范圍。

(2)在滿足機(jī)器人需求功率的前提下,保持燃料電池安全高效運(yùn)行,燃料電池的輸出功率不能超過允許的最大值,即Pfc<Pfcmax。利用配備的輔助能源,在負(fù)載需求功率突變和波動(dòng)較大時(shí),輔助能源能快速放電,滿足負(fù)荷功率需求。

(3)保證輔助能源鋰電池處在合理的充放電區(qū)間,即SOCbat在[SOCmin,SOCmax]區(qū)間。過度充電和過度放電都會(huì)損害鋰電池,進(jìn)而影響鋰電池的充放電效果,縮短使用壽命。

(4)輔助能源鋰電池的電荷狀態(tài)值較低,機(jī)器人制動(dòng)時(shí),可以吸收燃料電池釋放的能量及電機(jī)制動(dòng)回饋的能量。

2典型運(yùn)行狀態(tài)下的能量流向

混合動(dòng)力電池機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài)不同,其能量分配和流動(dòng)方向也就不同,圖1為混合動(dòng)力系統(tǒng)能量利用示意圖。

(1)在機(jī)器人起步加速階段,由于燃料電池響應(yīng)速度較慢,此時(shí)主要由輔助能源鋰電池向負(fù)載提供能量,燃料電池緩慢啟動(dòng),兩種能源共同向負(fù)載提供能量。能量流動(dòng)方向依次如圖2(a)(b)所示。

(2)在機(jī)器人勻速行駛階段,此時(shí)能量流動(dòng)有3種情況,分別是:

1)當(dāng)負(fù)載需求功率低于燃料電池的最佳輸出功率,并且輔助能源鋰電池的SOC低于運(yùn)行允許的最小值時(shí),那么由燃料電池向機(jī)器人負(fù)載提供能量,同時(shí)向鋰電池充電,如圖2(c)所示:

2)當(dāng)負(fù)載需求功率低于燃料電池的最佳輸出功率,并且鋰電池的SOC處在允許運(yùn)行的范圍內(nèi)時(shí),燃料電池僅向機(jī)器人負(fù)載提供能量,如圖2(d)所示:

3)當(dāng)負(fù)載需求功率大于燃料電池的最大輸出功率時(shí),燃料電池和鋰電池共同向機(jī)器人負(fù)載提供能量,能量流動(dòng)方向和機(jī)器人啟動(dòng)后期相同,如圖2(b)所示。

(3)在機(jī)器人負(fù)載突增時(shí),燃料電池和輔助能源鋰電池共同向機(jī)器人負(fù)載提供能量,能量流動(dòng)方向如圖2(b)所示。

(4)在機(jī)器人制動(dòng)減速時(shí),燃料電池停止工作,燃料電池不能吸收能量,所以機(jī)器人電機(jī)反轉(zhuǎn)產(chǎn)生的制動(dòng)能量只能向鋰電池充電,能量流動(dòng)方向如圖2(e)所示。

3基于功率跟隨的能量管理策略

在功率跟隨式控制策略中,燃料電池的工作狀態(tài)由機(jī)器人的負(fù)載需求功率與蓄電池的荷電狀態(tài)SOC兩方面決定。事先設(shè)定蓄電池SOC的上下范圍限定值,保證蓄電池的SOC處在這個(gè)范圍內(nèi),燃料電池首先要滿足負(fù)載需求功率,在此前提下,根據(jù)蓄電池SOC值決定是否對(duì)蓄電池充電。然而,燃料電池開關(guān)的頻繁切換將破壞電堆的正常運(yùn)行,從而降低燃料電池的性能,縮短其使用壽命。因此,在功率跟隨式控制策略中,研究最小輸出功率以避免燃料電池頻繁開關(guān)顯得十分重要。

設(shè)定燃料電池的最大輸出功率,避免出現(xiàn)因?yàn)槿剂想姵剌敵鲭娏鬟^大和電壓下降造成的電堆損壞現(xiàn)象。傳統(tǒng)功率跟隨式控制將燃料電池的運(yùn)行狀態(tài)分為run和stand兩種,如圖3所示。

燃料電池功率的計(jì)算與負(fù)載電機(jī)需求功率、鋰電池的SOC值以及燃料電池自身的條件限制其輸出功率的上限值等3個(gè)因素有關(guān)。

燃料電池輸出功率的計(jì)算,首先要滿足機(jī)器人負(fù)載的需求功率,即:

式中:Pfcbyload為燃料電池輸出負(fù)載功率:Pload為負(fù)載需求功率。

其次,要根據(jù)鋰電池的SOC值修正燃料電池的輸出功率,使鋰電池的SOC值保持在理想的SOC*。基于SOC值修正的燃料電池增發(fā)功率由式(2)計(jì)算得到:

式中:SOC*=0.5(SOCmax+SOCmin):ASOC=0.5(SOCmax-SOCmin):Pfc-chg為燃料電池充電功率。

當(dāng)SOC值低于理想值SOC*時(shí),燃料電池增發(fā)功率,給鋰電池充電:當(dāng)SOC值高于理想值SOC*時(shí),燃料電池減發(fā)功率,鋰電池放電。這兩種運(yùn)行狀態(tài)都是使鋰電池的SOC值向理想SOC*靠近。

燃料電池自身的條件限制其輸出功率,則是通過限制燃料電池的輸出功率防止其輸出電流過大,引起電壓大幅下降,對(duì)電堆造成破壞,可以對(duì)燃料電池起到保護(hù)作用。

最小輸出功率跟隨式能量管理策略simulink模型如圖4所示。

4仿真結(jié)果及分析

通過如圖4所示功率跟隨式能量管理策略的Matlab/simulink仿真模型,仿真驗(yàn)證采用的基于最小功率的燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)能量管理策略。為驗(yàn)證功率跟隨策略在燃料電池和鋰電池混動(dòng)機(jī)器人能量控制中的有效性,設(shè)置鋰電池SOC初始值在60%,通過仿真實(shí)驗(yàn),分別研究了負(fù)載需求功率、燃料電池輸出功率、鋰電池輸出功率以及鋰電池SOC值的變化級(jí)對(duì)應(yīng)關(guān)系,如圖5所示。

從圖5可以看出,機(jī)器人在啟動(dòng)階段,由于負(fù)載需要,鋰電池進(jìn)行快速放電,輸出功率。燃料電池啟動(dòng)后,由于負(fù)載需求功率在燃料電池允許放電范圍內(nèi),所以燃料電池獨(dú)立供電:當(dāng)i=2s時(shí),負(fù)載需求功率增大,單靠燃料電池供電無法滿足負(fù)載功率需求,此時(shí)鋰電池開始與燃料電池一起為負(fù)載供電,鋰電池的SOC迅速下降:當(dāng)i=6s時(shí),負(fù)載所需功率降低到燃料電池設(shè)定的最小功率以下,此時(shí)鋰電池的SOC略低于理想的SOC值,根據(jù)最小功率跟隨控制策略,當(dāng)鋰電池的SOC在[0.4,0.8]范圍內(nèi)時(shí),燃料電池保持上一時(shí)刻的工作狀態(tài)。因此,i=6s后,燃料電池工作在最小輸出功率狀態(tài),既滿足負(fù)載功率需求,又為鋰電池緩慢充電,避免了燃料電池的頻繁充放電。