电动自行车用燃料电池混合动力系统设计

研究生学位论文电动自行车用燃料电池混合动力系统设计DESIGNOFFUELCELLHYBRIDPOWERSYSTEMFORELECTRICBICYCLE摘要当今世界能源匮乏日益严重，新能源的应用作为一种有效的解决途径，已逐渐成为各国研究的热点。电动自行车是当今社会重要的交通工具，不仅方便百姓出行，而且可缓解城市交通拥堵。如果将燃料电池作为电动自行车的主动力源，锂电池作为辅助动力源，使其成为高效率、低排放的混合动力系统，则不失为一种解决环境污染和城市噪音问题的可行方案。本文重新设计电动自行车的动力和控制系统，将原由铅酸蓄电池单独提供动力的电动自行车改装为由燃料电池和锂电池共同提供动力的混合动力电动自行车。根据燃料电池、锂电池和电动自行车的各自特性，设计适用于电动自行车的燃料电池混合动力系统。在SIMULINK仿真平台上，搭建峰值电流控制模式的两相交错并联BUCK变换器电路模型和燃料电池/锂电池混合动力系统模型，同时进行了仿真实验。仿真结果表明各子系统及混合动力系统模型搭建正确，混合动力系统能量可控。基于燃料电池输出特性，提出一种以燃料电池输出电压钳位控制为基础的燃料电池混合动力能量管理策略。在该策略下，燃料电池和锂电池总工作于其安全运行区域，且燃料电池输出功率波动相对较小。相比于传统的直接功率控制的能量管理策略，当燃料电池外部环境发生改变或处于亚健康状态时，该策略可有效保护燃料电池，提高能源利用效率，延长燃料电池使用寿命。同时该策略可对锂电池充电进行有效管理，保证锂电池的充电安全，延长锂电池的使用寿命。为了验证该燃料电池混合动力系统能量管理策略的有效性，研制了一套电动自行车用燃料电池混合动力系统。同时，搭建混合动力系统测试平台。通过实验数据，测试并验证了能量管理策略的有效性和可靠性。最后，实验测试表明本文所设计的燃料电池混合动力系统可以为电动自行车提供充足动力，并且动态响应快。除此之外，两动力源的功率分配合理。关键词燃料电池；电动自行车；混合动力系统；能量管理策略ABSTRACTNOWADAYS,ASARESULTOFENERGYSHORTAGE,THERESEARCHOFNEWENERGYHASBECOMEAHOTSPOTOFTHEWORLDASANIMPORTANTWAYOFTRANSPORTATIONINTODAYSSOCIETY,ELECTRICBIKESNOTONLYFACILITATEUSTOGOOUT,BUTALSOCANEASETHEURBANTRAFFICCONGESTIONANELECTRICBIKEHYBRIDPOWERSYSTEMWITHTHEFUELCELLASTHEMAINENERGYANDTHELITHIUMBETTERYASTHEAUXILIARYENERGYHASTHEBENEFITSOFHIGHEFFICIENCYANDLOWEMISSIONANDISANALTERNATIVETOSOLVETHEENVIRONMENTALPOLLUTIONANDURBANNOISEPROBLEMSTHISTHESISCONVERTSTHEORIGINALELECTRICBIKEPOWERSYSTEMOFSINGLELEADACIDBATTERYTOHYBRIDPOWERSYSTEMOFFUELCELLANDLITHIUMBATTERYBYREDESIGNINGTHEPOWERANDCONTROLSYSTEMOFTHEELECTRICBIKEACCORDINGTOTHEDYNAMICPERFORMANCEOFTHEFUELCELL,LITHIUMBATTERYANDELECTRICBIKE,THEFUELCELLHYBRIDPOWERSYSTEMFORELECTRICBIKEHASBEENDESIGNEDBASEDONSIMULINK,ATWOPHASEINTERLEAVEDBUCKCONVERTERCIRCUITMODELCONTROLLEDBYPEAKCURRENTANDAFUELCELL/LITHIUMBATTERYHYBRIDPOWERSYSTEMMODELHAVEBEENBUILTANDASIMULATIONEXPERIMENTHASBEENDONETHESIMULATIONRESULTSHOWSTHATTHEMODELSOFEACHSUBSYSTEMANDTHEHYBRIDPOWERSYSTEMARECORRECTANDTHEENERGYOFHYBRIDPOWERSYSTEMCANBECONTROLLEDBASEDONTHEOUTPUTCHARACTERISTICSOFFUELCELL,AFUELCELLHYBRIDPOWERSYSTEMENERGYMANAGEMENTSTRATEGYBASEDONCLAMPINGCONTROLOFFUELCELLOUTPUTVOLTAGEISPROPOSEDWITHTHISSTRATEGY,THEFUELCELLANDTHELITHIUMBATTERYWORKINSAFEOPERATIONALREGION,ANDTHEFLUCTUATIONOFFUELCELLOUTPUTPOWERISRELATIVELYSMALLCOMPAREDWITHTHETRADITIONALENERGYMANAGEMENTSTRATEGYOFDIRECTPOWERCONTROL,THISSTRATEGYCANEFFECTIVELYPROTECTTHEFUELCELL,IMPROVEENERGYUTILIZATIONEFFICIENCYANDPROLONGTHELIFETIMEOFFUELCELLWHENTHEEXTERNALENVIRONMENTCHANGESORTHEFUELCELLISINSUBHEALTHSTATESIMULTANEOUSLY,THISMANAGEMENTSTRATEGYCANEFFECTIVELYCONTROLTHECHARGINGOFLITHIUMBATTERY,ENSURETHESAFETYANDPROLONGTHELIFETIMEOFLITHIUMBATTERYINORDERTOVERIFYTHEEFFECTIVENESSOFTHEFUELCELLHYBRIDPOWERSYSTEMENERGYMANAGEMENTSTRATEGY,AFUELCELLHYBRIDPOWERSYSTEMFORELECTRICBIKESHASBEENDEVELOPEDANDATESTPLATFORMFORHYBRIDPOWERSYSTEMHASBEENCONSTRUCTEDTHEEFFECTIVENESSANDRELIABILITYOFTHEENERGYMANAGEMENTSTRATEGYHASBEENTESTEDANDVERIFIEDBYTHEEXPERIMENTDATATHEEXPERIMENTSHOWSTHATTHEFUELCELLHYBRIDPOWERSYSTEMDESIGNEDINTHISTHESISCANPROVIDESUFFICIENTPOWERFORTHEELECTRICBIKEANDHASAFASTTRANSIENTRESPONSEOTHERTHANTHAT,ITISREASONABLETOTHEPOWERALLOCATIONOFTHETWOSOURCESKEYWORDSFUELCELLELECTRICBIKEHYBRIDPOWERSYSTEMENERGYMANAGEMENTSTRATEGY目录第1章绪论111研究意义112国内外研究现状3121燃料电池电动自行车3122燃料电池用级联DC/DC变换器4123燃料电池混合动力系统能量管理技术413本文主要研究内容5第2章燃料电池混合动力系统简介721质子交换膜燃料电池722锂电池823燃料电池混合动力系统9231燃料电池混合动力系统拓扑结构9232燃料电池混合动力系统控制策略1024本章小结11第3章燃料电池混合动力系统仿真1231燃料电池混合动力系统简化1232燃料电池混合动力系统建模13321燃料电池与锂电池模型14322DC/DC变换器建模14323能量管理系统建模1733仿真验证和结果分析19331系统参数设置19332仿真验证及结果分析2134本章小结25第4章电动自行车用燃料电池混合动力系统硬件设计2641燃料电池混合动力电动自行车总体结构及模块介绍2642燃料电池输出特性分析2943硬件实现原理30431DC/DC变换器输出功率控制31432DC/DC变换器输出电压控制31433燃料电池输出电压钳位控制33434锂电池充电电流管理3544混合动力系统能量管理策略原理及控制流程35441燃料电池混合动力系统能量管理策略原理36442燃料电池混合动力系统能量管理策略控制流程3745硬件设计及编程38451DC/DC变换器38452燃料电池输出电压钳位模块43453锂电池充电电流检测电路45454STM32控制器及编程46455弱电供电单元4846电动自行车用燃料电池混合动力系统硬件设备图4947本章小结50第5章电动自行车用燃料电池混合动力系统及样车测试5151混合动力系统实验测试平台搭建5152DC/DC变换器效率测试5353电动自行车行驶工况测试5354混合动力系统实验测试及结果分析55541第一组实验测试55542第二组实验测试58543第三组实验测试61544系统测试总结6455燃料电池混合动力电动自行车样车测试6556本章小结66结论67致谢69参考文献70攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果74第1章绪论11研究意义能源是人类赖以生存和发展的物质基础，能源的研究和利用对现代社会的发展起着至关重要的作用1,2。近年来，随着世界人口数量的剧增和经济的快速发展，能源消耗日益增大。世界范围内的能源短缺和环境污染问题日益严重，对经济的可持续发展带来严重的影响。太阳能，风能以及氢能等清洁和可再生能源的开发与利用已成为全球能源发展的必然趋势，因此对新能源的应用与研究受到了世界各国的高度重视，并得到快速发展37。随着中国经济的快速发展，能源缺口日益增大，能源和能源安全在国民经济中占据的地位日益突出。煤炭作为我国最主要的能源，不但环境污染严重，而且能源利用水平低，浪费大。高增长、高消耗和高污染的能源现状使我国正面临严峻的能源形势8,9。因此长期坚持合理的能源利用策略，大力推广节能技术和推进新能源的开发与应用，在我国具有非常重要的战略意义2,10。质子交换膜燃料电池PROTONEXCHANGEMEMBRANEFUELCELL,PEMFC是一种采用氢能作为燃料，通过氢氧反应将化学能直接转化为电能的新型发电装置。质子交换膜燃料电池是21世纪对人类社会产生重要影响的高新科技之一，也被认为是未来人类战略能源的发展方向之一。由于质子交换膜燃料电池具有高效、安全、环保和功率密度高等突出优点，因此在电力、通信以及交通运输等领域具有巨大的应用和发展前景3,1114。考虑到国家的安全战略和国民经济的可持续发展，大力发展燃料电池发电技术和提升应用水平显得越发重要。与传统的燃油助力车相比，电动自行车可较好地解决其尾气排放带来的污染和城市噪音问题。由于其轻便灵活、节能环保、价格适中的优势，成为人们短途出行的理想工具。并且世界原油价格不断上涨，依靠科技进步，大力发展电动自行车，在支持国家能源发展战略、方便百姓出行、缓解城市交通拥堵等方面，都具有重要的现实意义1517。截止2010年年底，中国的电动自行车数量总量已经超过14亿辆，社会普及率达到10。其中2010年的年产量达到2954万辆，同比增长33，预计到2015年年产量将达到4000万辆。从数量上看，中国现已经成为名副其实的“电动自行车王国”1820。如此庞大的数字背后，影响着千千万万的家庭和个人的生活与工作，也对我国的能源消费产生一定影响。因此，目前不只电动汽车受到各汽车厂商的重视，各国政府也正大力扶持电动自行车的发展，促进都市电动自行车的普及21。电动自行车等轻型电动车，一般采用可循环充放的化学电池如阀控铅酸蓄电池、锂离子蓄电池等作为电源。其中，锂离子蓄电池由于具有启动时间短、动态响应快、电压和能量密度高、低自放电率、几乎没有“记忆效应”、可以对能量进行回收等多方面优势2225，成为电动自行车用电池的首选。但是由于电动自行车所使用的锂电池组是由多节单体锂电池串、并联而成，串、并联的锂电池组普遍存在一致性问题。除此之外，成组的大容量电池在使用寿命和可用容量方面远低于单体锂电池。因此，需要增加额外的充放电管理电路来防止锂电池过压充电、过流充电和过放电。锂电池组的容量越大，其管理和控制的难度及成本越大。如果对锂电池组的充放电管理和控制不当，产生的热量可能导致锂电池组燃烧或爆炸，直接引发安全事故23,2628。这些缺点严重阻碍了电动自行车产业的快速健康发展。近年来，随着世界各国对环境保护的迫切要求和燃料电池技术的快速发展，在交通应用领域，燃料电池技术引起了各国政府的极大兴趣。在电动自行车方面，小型质子交换膜燃料电池作为电动自行车的动力源也引起了人们巨大的关注21,29,30。虽然燃料电池供电具有很多优点，但是纯燃料电池供电只有一个动力源，所有负载均由燃料电池承担，主要存在以下几方面的缺点3135（1）由于目前燃料电池受体积、重量的限制，其输出功率有限，并且燃料电池的成本较为昂贵，无法满足特定场合的应用要求。（2）如果系统运行工况不恒定，存在由负载动态变化引起电池燃料不足、压力不足、交换膜干燥或过湿等问题，导致燃料电池系统效率降低、燃料的经济性不高，使得燃料电池寿命和可靠性均会下降。（3）燃料电池系统不能承受反向电流，因而无法回收制动能量，能源利用效率低。（4）纯燃料电池系统的稳定性差、瞬时响应能力低且动态响应慢。当负载需求功率变化较大时，燃料电池输出特性无法满足负载快速变化的要求。因此，近年来电动汽车、电动自行车等交通工具采用燃料电池和辅助能源相结合的混合动力系统受到了广泛的关注和深入的研究，即在燃料电池级联DC/DC变换器的输出直流总线上并接一组储能电池。这种混合动力配置形式大大降低了对燃料电池系统的功率和动态性能要求。不仅提高了系统效率，同时也降低了燃料电池系统的成本，改善了供电的灵活性和系统的运行性能3639。但是目前的电动自行车用燃料电池混合动力系统，在设计与控制方面仍有待进一步深入研究。燃料电池独特的输出外特性，对燃料电池级联DC/DC变换器提出了较传统电力电源和光伏电源等更为严格的要求。因此研究和选择适合燃料电池应用的级联DC/DC变换器拓扑，对提高混合动力电动自行车系统的燃料利用效率，延长燃料电池的寿命以及提高整个系统的安全性和经济性都有重要的意义。此外，对燃料电池混合动力系统实现有效的能量管理是确保系统能够正常、稳定和高效工作的前提。通过以燃料电池为主的多电源混合供电，可以增强系统供电的灵活性、提高系统效率及燃料的经济性、改善系统的运行性能和提升燃料电池的工作寿命。另外，为实现电动自行车用燃料电池混合动力系统的产业化，并走进市场，还需要兼顾电动自行车的整车成本，即在满足用户需求和系统安全的前提下，降低系统控制的复杂度和设计成本。因此，在燃料电池级联DC/DC变换器研究的基础上，需要研究燃料电池与锂电池的选型及容量匹配性以及合理有效的多电源能量管理策略，为燃料电池混合动力系统的实际应用提供理论支撑和技术积累。本文的研究主旨是根据燃料电池的输出特性，以燃料电池系统的高性能、高可靠性和长寿命运行为目标，结合电动自行车的负载特性，选择适合与燃料电池匹配的级联DC/DC变换器拓扑结构；在此基础上，构建和设计精简、实用的燃料电池/锂电池混合动力系统，并研究系统的能量管理策略；最后通过样车实验，进行策略验证。12国内外研究现状燃料电池是一种高效、清洁的发电装置，国外在20世纪90年代初就已经开始探讨燃料电池供电系统的应用前景，并进行了深入的基础研究40。近年来，由于能源短缺，环境污染严重，新能源的开发和应用已经引起了全世界的关注。抢占新能源市场成为世界各国和企业进行新能源研究、开发及应用的巨大推动力。因而基于燃料电池供电系统以及相关的混合动力系统的研发和应用也得到了越来越高的重视，在机车、客运、货运和电力逆变系统等应用领域得到了较为广泛和深入的研究32,39,4147。121燃料电池电动自行车早在2002年，意大利罗马的ENEACASACCIA研究中心研制了一辆300W的燃料电池/蓄电池混合供电电动自行车，该控制系统基于PLC控制器，控制系统非常复杂，控制模块体积和重量较大，不适合电动自行车等轻便设备的使用48；2009年BERTOLUZZO,M等人设计了一辆250W的纯燃料电池供电电动自行车，该系统采用两个嵌套反馈环，虽然提速和变速性能得到一定改善，但是依然无法满足要求，多余能量无法回收，并且控制系统复杂49。燃料电池电动自行车技术在我国起步较早，也取得了比较出色的成就。2002年我国的胡里清等人研制了一辆纯燃料电池电动自行车，由于其供电系统为纯燃料电池供电，无法满足电动自行车的动态响应要求50；2008年上海攀业氢能有限公司开发了一款220W纯燃料电池供电电动自行车，并出口20辆到西班牙，服务2008年世界博览会51,52；2011年台湾的张耀庭等人也研制了一辆以100W燃料电池为主、超级电容为辅的混合动力电动自行车系统；2013年，西南交通大学也研制了一辆220W纯燃料电池电动自行车29。这些燃料电池电动自行车与ENEACASACCIA研究中心所研制的系统一样，存在控制系统复杂，体积较大，无法长时间行驶等方面的缺陷21。目前，虽然燃料电池电动自行车的研究技术取得了很大的进步，但是其仍然面临研发成本过高，难以满足快速提速和变速的要求，一般人员难以操作等一系列问题。因此重新设计燃料电池电动自行车能量管理系统，把纯燃料电池动力系统改进为混合动力系统，具有很重要的现实意义。122燃料电池用级联DC/DC变换器由于燃料电池的输出是未经调整的直流电（UNREGULATEDPOWER），因而需要级联DC/DC变换器匹配负载电压才能实现系统的正常工作。除此之外，在燃料电池混合动力系统中，DC/DC变换器还是实现能量管理的关键部件，即通过控制DC/DC变换器的功率输出对燃料电池混合动力系统的功率进行分配。因此，燃料电池混合动力系统对级联DC/DC变换器提出了更高的要求。目前，已有的且适用于燃料电池的级联DC/DC变换器主要分为三类降压型、升压型以及升降压型DC/DC变换器。DC/DC变换器的选型主要是根据燃料电池的输出特性和负载的输入特性选择适合的DC/DC变换器拓扑结构。其主要的拓扑结构有BUCK变换器、BOOST变换器、BUCKBOOST变换器、SEPIC变换器、电流反馈推挽变换器、多相交错变换器和四开关BUCKBOOST变换器等5356。为了有效延长燃料电池寿命，节约设计成本，有必要对上述拓扑电路进行研究并结合其优点进行改进，从而提高整个系统的安全性、可靠性和工作效率，使其更加适用于燃料电池混合动力系统。123燃料电池混合动力系统能量管理技术燃料电池混合动力系统的关键技术是能量管理策略。目前，燃料电池混合动力系统能量管理技术在汽车方面的研究应用较多。燃料电池混合动力系统能量管理的主要目标是在满足系统动态性能要求的前提下，提高燃料的利用率，并取得最大的系统效率。通过控制储能元件的充放电频率来延长其使用寿命，同时确保燃料电池工作在高效率区域。通常情况下，燃料电池提供系统正常运行时的平均功率，储能元件提供系统运行时所需的峰值功率缺额并进行反馈能量回收45,5759。为获得良好的燃料电池混合动力系统性能，众多文献提出了用于混合动力系统能量管理的技术策略，探讨了如何实现混合电源之间能量的匹配与供给、以及系统效率的最大化等，并进行了可行性分析，部分策略已通过实验验证是较为有效的。目前，混合动力系统的能量管理技术主要包括直接功率跟随控制策略、效率映射控制策略、等效最小耗量控制策略、模糊逻辑控制策略、智能小波变换策略、自适应控制策略、随机动态可编程控制与近似最优控制器相结合的控制策略等34,6062。上述混合动力系统的能量管理策略有助于对不同新技术进行比较分析，也有助于系统实际运行的控制，尤其有利于局部优化控制。但这些策略要么侧重于燃料电池的发电效率，要么侧重于系统的发电成本，并不侧重于对燃料电池进行保护，且对控制器性能要求较高。对于燃料电池电动自行车这样的小功率系统，并不需要很精确和复杂的控制策略，只需要安全性和可靠性满足要求的控制策略即可。因此，很有必要研究和设计出一种适合现场应用、满足实际需求、硬件成本较低的能量管理控制策略。13本文主要研究内容本文针对城市用电动自行车，采用空冷型质子交换膜燃料电池为主动力源，锂电池组为辅助动力源，构建燃料电池混合动力系统为电动自行车提供动力，并完成其软件和硬件的设计、研发和调试。本文将主要研究以下几方面内容（1）DC/DC变换器拓扑结构基于H300空冷型质子交换膜燃料电池输出特性和电动自行车电机输入特性，选择适合的DC/DC变换器拓扑结构，研究和改进DC/DC变换器控制回路。一方面，使DC/DC变换器能够匹配燃料电池输出电压和电动自行车电机输入电压及锂电池组端电压；另一方面，能够调整DC/DC变换器的输出功率，对混合动力系统的能量进行管理及分配，确保混合动力系统的输出能满足负载的要求。（2）燃料电池混合动力系统拓扑结构根据电动自行车直流电机的输入特性要求，以及降低控制系统结构复杂度和设计难度的需要，通过对比众多燃料电池混合动力控制系统拓扑结构，选择适合电动自行车用拓扑结构，该拓扑结构必须满足稳定、高效和易实现的要求。（3）燃料电池混合动力系统仿真由于硬件制作开发周期长，成本耗费高，需要仿真测试混合动力系统的可控性，为下一步的硬件设备研制提供参考和依据。（4）燃料电池混合动力系统能量管理策略由于现有的混合动力能量管理策略有的侧重于燃料电池的发电效率，有的侧重于系统的发电成本，并且策略的复杂度和控制难度很大，很难应用于功率相对较小的电动自行车用混合动力系统。因此，很有必要在原有控制策略的基础上，提出一种控制方法简单、安全性和可靠性高、设计成本低、易于在硬件上实现的混合动力能量管理策略。（5）燃料电池混合动力电动自行车样车研制根据理论分析，针对城市用电动自行车，研制一套有效的燃料电池混合动力设备，要求设备在负载功率需求超出燃料电池满负荷功率输出时，不仅要对燃料电池和锂电池做相应保护，还需要确保系统能正常、稳定运行；在负载需求功率较小时，能对锂电池充电，提高能源利用效率；并根据不同的运行工况，调整燃料电池输出功率，使混合动力系统的输出功率及时跟踪负载功率，保证电动自行车能够正常工作，确保锂电池的充放电安全。（6）燃料电池混合动力系统及样车性能测试搭建混合动力系统测试平台，首先测试城市用电动自行车的行驶工况；其次，通过对样车及混合动力系统进行实验测试及数据分析，验证和完善控制系统，使之更具有效性和可靠性，并使系统在满足负载功率需求的前提下，提高整车效率，确保燃料电池良好的工作性能。第2章燃料电池混合动力系统简介本文研究的城市用电动自行车采用燃料电池/锂电池混合动力模式，即在燃料电池提供主动力源的基础上，增加一组锂电池作为辅助动力源。燃料电池混合动力系统主要由质子交换膜燃料电池发电系统、储能系统和涉及能量分配及管理的混合动力能量管理系统等组成。本章将简要介绍燃料电池混合动力系统的各组成部分。21质子交换膜燃料电池质子交换膜燃料电池是国内外研究者按照燃料电池的电解质类型分类中的一种，该电池的主要优点是转换效率高、系统结构紧凑、不存在腐蚀性、基本不受二氧化碳影响、环境友好、无噪音污染等。基本组成部件包含质子交换膜、电极、电催化剂、膜电极和双极板，以下简要介绍质子交换膜燃料电池的工作原理3。图21为质子交换膜燃料电池的工作原理和系统结构示意图。电池单体主要由集流板、膜电极以及相关的外部电路组成。2HE122OHE2E222H膜阴极阳极集流板图21质子交换膜燃料电池工作原理和系统结构示意图具体的反应步骤如下经增湿后的2H进入阳极室，2O进入阴极室，分别从扩散层到达电极催化剂层和燃料电池的质子交换膜界面，在催化剂的作用下产生氧化反应和还原反应。即阳极2HE阴极221OHEO总反应22反应生成的质子（）在质子交换膜的作用下，由阳极传送到阴极，外部电路把反应所生成的电子传送到阴极。在燃料电池系统内部发生化学反应的同时，自由移动的电子会在外电路的连接下形成持续的电流。只需要通过适当的连接，便可以向负载提供电能。在此过程中生成的水将以水蒸气或冷凝水的形式，伴随燃料电池系统过剩的反应气体由阴极室向外排出11,63。由于燃料电池工作于密闭且复杂的环境，其化学、电化学反应以多回路、多相流循环为主。因此燃料电池属于一种多输入、多输出且非线性的系统。质子交换膜燃料电池能否长期稳定的工作，主要取决于其内部的组件和外部运行条件，如温度、燃料气体流量、压力、氧气流量以及湿度等相关因素。这些因素都会对质子交换膜燃料电池各方面性能产生重大的影响。因此，在质子交换膜燃料电池的工作条件发生不断变化的情况下，必须控制相关参数确保质子交换膜燃料电池始终处于一个良好运行状态，使其具有的效率和性能不受影响3,11,63。22锂电池锂电池是电动自行车用燃料电池混合动力系统的重要组成部分，它可以在电动自行车启动和加速等极端工况下为负载提供足够的峰值功率需求，提高系统的能源利用效率。当电动自行车需求功率大于燃料电池可提供的满负荷输出功率时，锂电池在控制系统的作用下释放已存储的能量，很大程度上可使系统对燃料电池的峰值功率需求降低，同时使燃料电池工作于相对平稳的工况下，延长燃料电池的使用寿命；当电动自行车需求功率较小时，锂电池在控制系统的控制下储存多余能量，从而提升整个系统的能量利用效率。为了确保电动自行车正常运行，燃料电池混合动力系统中的锂电池必须满足以下几点要求43,64,651、充放电倍率大，可以快速充放电；2、比能量高，提高系统的运行时间；3、寿命长、免维护；4、安全可靠、无污染、制造成本低。由于锂电池在容量和功率等方面均体现出极大的优势。目前国内外许多研究单位对锂电池在汽车领域的发展和应用表现出极大的兴趣与关注。但作为动力电池，锂电池的主要缺点是成本高且存在较大的安全隐患。除此之外，其充放电的控制和管理技术还有待进一步提升27。23燃料电池混合动力系统在电动自行车用燃料电池混合动力系统中，燃料电池和锂电池共同为负载提供动力。本节主要介绍燃料电池混合动力系统的主要拓扑结构和相关的控制策略。231燃料电池混合动力系统拓扑结构目前，燃料电池混合动力系统的主要拓扑结构如图22所示66,67。燃料电池系统负载锂电池ADC/DC变换器燃料电池系统DC/DC变换器负载锂电池B燃料电池系统DC/DC变换器锂电池负载双向DC/DC变换器C燃料电池系统DC/DC变换器锂电池负载双向DC/DC变换器超级电容D图22燃料电池混合动力系统的主要拓扑结构图22（A）是比较简单的结构，燃料电池和锂电池直接与负载相连。该结构在燃料电池、锂电池的电压与负载所需要的电压等级相匹配时效率高且经济性好。但当负载工况发生变化导致直流总线电压发生变化时，锂电池和燃料电池需要轮流调整电压水平以确保负载的正常工作。实际上，由于受燃料电池不良的动态响应影响，在负载发生变化时，其输出电压在很多情况下是低于直流总线所要求电压的。使得这种结构的燃料电池混合动力系统的能量管理实现较为困难，也降低了系统的效率和可靠性66,68。如图22（B）所示的结构，通常采用DC/DC变换器来变换、控制、稳定燃料电池的输出电压61,62，主要是解决燃料电池输出电压无法直接与负载匹配的问题。该结构通过调整DC/DC变换器的开关频率，能够较好的实现燃料电池输出电压与负载所需电压的匹配，并且可以通过调整DC/DC变换器的输入/输出电流控制燃料电池的输出功率和锂电池的荷电状态。但该结构对所用锂电池电压等级要求比较严格，须与直流总线电压相匹配，这一要求与如图22（A）结构的要求一致。由于锂电池电压等级相比于燃料电池，更容易与负载电压等级相匹配，因此大部分的混合动力系统，均采用该结构。对于电动自行车等小功率的设备，目前市场上已经有很多与电机负载电压等级相匹配的锂电池，如36V、48V锂电池。因此从应用的角度而言，该结构也较为方便。图22（C）在直流总线和锂电池之间增加了一个双向DC/DC变换器，该结构相对前面两种拓扑，不仅能够调整燃料电池的输出电压和功率，而且可以通过双向DC/DC变换器独立控制锂电池的荷电状态，有利于混合动力系统回收再生制动能量。从储能元件的角度看，锂电池具有能量高的优点，但充放电时间相对超级电容而言相对较长；超级电容具有高功率密度、充放电时间很快的优点，但维持时间较短，不能长时间提供能量6971。为此，将锂电池和超级电容相结合，充分利用各自的优点构成如图22（D）所示的双储能元件混合动力系统，锂电池主要用于辅助燃料电池，而超级电容主要用于回收再生制动能量。该系统能量管理效果较好，但结构复杂，实现较为困难。结上所述，一般的燃料电池混合动力系统主要由燃料电池及其辅机控制系统、级联DC/DC变换器、储能元件（锂电池或超级电容等）、双向DC/DC变换器（可选）以及负载等几个常用的固定组件构成。因此根据设备的具体需求，选择合适的混合动力控制系统拓扑结构，对确保燃料电池混合动力系统正常、稳定、高效地工作显得尤为重要。232燃料电池混合动力系统控制策略目前，燃料电池混合动力系统主要应用于电动汽车，因此其主要的混合动力控制策略也主要应用于燃料电池混合动力汽车。123节介绍了燃料电池混合动力系统控制策略的研究现状，虽然目前已有的控制策略很多，如直接功率跟随控制策略、效率映射控制策略、模糊逻辑控制策略等。但按燃料电池和锂电池的功率分配来分类，主要可以分为以下两种模式1、功率跟随模式（POWERFOLLOWER）；2、开关模式（THERMOSTAT）72,73。其中，功率跟随模式的主要控制思路为首先设定锂电池的最佳荷电状态（SOC）范围；其次实时检测锂电池的SOC，使SOC处于设定的最佳荷电状态上限值和下限值之间。因此，燃料电池的输出功率不仅需要满足负载的功率需求，同时还需要为锂电池充电，使锂电池处于一个较佳的SOC状态。开关模式的主要控制思路为首先通过实验测试燃料电池的氢气消耗区和效率点；其次设置燃料电池的工作点，使燃料电池的工作点为其最佳效率点同时该点应处于燃料电池相对较低的氢气消耗区内。锂电池的主要作用为功率均衡，在燃料电池的输出功率不足时，锂电池对外放电，补充燃料电池不足的输出功率；在燃料电池的输出功率有剩余时，对锂电池充电，储存多余能量。因此，以燃料电池的最低氢耗为开关模式的主要目标，可大大提高燃料的利用效率，节约能源。以上两种控制模式各有侧重和优缺点。其中功率跟随模式的侧重点主要体现在控制锂电池于最佳工作点，其工作区域一般为锂电池的最佳工作区域。由于锂电池的SOC处于设定的范围内，因此对锂电池的充放电常采用浅循环的方式进行，有利于延长锂电池的使用寿命。其主要的缺点是为了保持锂电池的最佳SOC，燃料电池的工作范围较大，导致对燃料电池系统的控制难度增大。与功率跟随模式相比，开关模式的侧重点主要体现在控制燃料电池于最佳工作点，其工作区域一般为燃料电池的最佳工作区域。燃料电池一启动就工作在其最佳工作点，因此采用功率跟随控制模式可大大简化对燃料电池系统的控制。且由于系统不考虑锂电池的SOC，因此降低了对锂电池的控制难度。但其主要的缺点是由于不考虑锂电池的SOC，因此常以较深的方式对锂电池进行充放电循环，从而缩短锂电池的使用寿命。若工况变化较大，则会加剧对锂电池的影响。24本章小结本章系统地介绍了电动自行车用燃料电池混合动力系统的组成及其主要部件，分别阐述了质子交换膜燃料电池、锂电池以及混合动力系统的基本理论知识，为后续的仿真建模和混合动力系统硬件设计奠定基础。第3章燃料电池混合动力系统仿真目前，应用于通信、电子、太空和交通等领域的电力设备都存在相似的负载特性。即运行时的平均功率不高，但可能存在较大的峰值功率需求。因此，有必要研究和设计混合动力系统一方面，混合动力系统可快速补充峰值功率需求下的功率缺额，使电力设备供电正常；另一方面，可对运行过程中的能量管理进行优化控制。通过对混合动力系统的建模和仿真分析，不但可以准确地描述整个系统的特性和行为，还可以在设计的各阶段对系统的运行参数进行优化调整。此外，通过对控制模型的有效性和正确性进行验证，可以指导实际的硬件设计和制作。本章将基于MATLAB/SIMULINK仿真软件，重点介绍燃料电池混合动力系统模型的建立，并对其进行仿真分析。31燃料电池混合动力系统简化由于混合动力控制系统比较复杂，本文只对关键的状态变化过程进行量化分析，因而论文在混合动力系统的仿真设计过程中，对仿真模型进行了适当的简化。其主要的简化部分有以下几方面1、电动自行车电机的负载是随时间变化的感性负载，为专注于考察混合动力系统控制策略效果，把电动自行车电机的负载简化为受控电流负载，既不失一般性，又可以降低系统设计和建模的难度。2、在混合动力系统实际运行中，需要实时预测电机的需求功率。如在混合动力汽车上，通常采用检测加速踏板高度等相关措施预测电机的需求功率，然后根据电机的需求功率来确定燃料电池与锂电池的功率分配策略。为专注于考察电流跟踪及功率分配能力，本模型省略了功率预测部分，直接观察系统的动态控制能力。3、本文硬件设计部分选用的燃料电池输出电压范围为3668V，电动自行车直流电机输入电压范围为33542V，因此硬件部分DC/DC变换器的拓扑结构选择四开关BUCKBOOST变换器结构，具体的硬件实现将在451节中介绍。四开关BUCKBOOST变换器控制模型涉及到对三种工作模式（BUCK模式，BUCKBOOST模式和BOOST模式）的切换控制，导致其控制模型在SIMULINK仿真平台上搭建困难。但其控制模式仍采用峰值电流模式，即通过采样DC/DC变换器的输出电压和功率电感的峰值电流，并作用于反馈补偿网络控制DC/DC变换器的点空比。由于四开关BUCKBOOST变换器的控制模式与传统的DC/DC变换器相同，因此系统仿真部分将四开关BUCKBOOST变换器拓扑简化为BUCK拓扑，主要观察系统的能量管理和分配能力。32燃料电池混合动力系统建模按燃料电池混合动力系统动力源的搭配来分，其主要的驱动形式有以下三种1、燃料电池锂电池超级电容（FCBC）；2、燃料电池锂电池（FCB）；3、燃料电池超级电容（FCC）等66,67。本文采用“FCB”驱动形式，其动力系统结构图如图31所示。质子交换膜燃料电池发电系统DC/DC变换器电机负载预测电机需求功率功率分配管理单元锂电池组/DCILOADIBOI图31“FCB”模式燃料电池混合动力系统结构示意图如图31所示，燃料电池级联DC/DC变换器主要作用是匹配燃料电池的输出电压和负载输入电压，同时受功率分配管理单元的控制，间接管理燃料电池的输出功率。锂电池作为系统的辅助动力源直接挂接在燃料电池级联DC/DC变换器的输出直流母线上35。由图31可知/LOADCBOII（31）式中LOADI为系统的负载电流；/I为燃料电池级联DC/DC变换器的输出电流；BI为锂电池对外输出电流。由图31和式（31）可知，当LOADI一定时，BOI的大小由/DCI决定，因此控制/DCI即可实现混合动力系统的功率分配。与控制相比，控制/的主要优势体现在以下两方面1、充分利用锂电池动态响应快的特性，当负载突变时锂电池可快速响应以满足系统要求；2、因为/DCI的大小由控制电压CONTRLV决定，若平缓设置CONTRLV的大小则可使/DCI及燃料电池输出电流平缓过渡，确保燃料电池长时间稳定运行并延长燃料电池的使用寿命35。从图31可知，燃料电池混合动力系统的建模包含质子交换膜燃料电池发电系统、锂电池组、DC/DC变换器、直流电机负载和功率分配管理单元等部分。本节将对上述各部分在MATLAB/SIMULINK环境下进行建模仿真。321燃料电池与锂电池模型燃料电池是混合动力系统的主动力源，由于燃料电池自身特性呈现显著非线性，因此其模型较复杂。本文主要关注混合动力能量管理策略，燃料电池模型采用MATLAB/SIMULINK仿真软件自带的燃料电池模型，如图32所示；锂电池模型采用MATLAB/SIMULINK仿真软件自带的锂离子LITHIUMION电池模型，如图33所示。图32质子交换膜燃料电池模型图33锂电池模型322DC/DC变换器建模DC/DC变换器是燃料电池混合动力系统的重要组成部分。为使其具有代表性，本文在SIMULINK仿真平台上搭建了两相交错并联BUCK变换器模型。图34所示为两相交错并联BUCK变换器74,75的拓扑结构示意图。VINRIC1ML21SENR21ML2SENROUTCLADRTV1号支路2号支路图34两相交错并联BUCK变换器拓扑结构示意图如图所示，与传统的BUCK变换器拓扑结构相比，多相交错并联BUCK变换器增加了并联相数35。支路电流的大小为总电流的1/N（为电路的并联相数，两相交错并联电路中2N），可减小开关管的电流应力，降低单个开关管的成本75,76。除此之外，把交错并联拓扑结构应用于燃料电池，可以解决单相BUCK变换器拓扑结构中，燃料电池输出端电流断路的问题，改善燃料电池输出电流纹波，延长燃料电池使用寿命35。在单相BUCK电路中，只有两个MOSFET开关管。当开关控制脉冲为低电平时，上管关断，下管导通，此时燃料电池与外部负载断开，输出端断路；当开关控制脉冲为高电平时，上管导通，下管关断，此时燃料电池与外部负载相连。由于燃料电池的输出状态变化较大，因此会对燃料电池造成损害，缩短其使用寿命。而在两相交错并联BUCK电路中，两条支路的开关控制脉冲相差180。假设BUCK变换器的占空比大于50，当1M的控制脉冲为低电平，燃料电池无法通过断开的1号支路输出功率。但是由于两条支路开关脉冲之差为180，此时21M的控制脉冲为高电平，燃料电池可通过导通的2号支路对外输出功率，燃料电池不会发生输出断路现象。假设BUCK变换器的占空比小于50，两相交错并联BUCK变换器拓扑结构会存在互补死区，增加交错并联的相数可以解决互补死区的问题。因此从理论上分析，引入多相交错并联BUCK变换器，可有效保护燃料电池，延长其服务寿命。DC/DC变换器的控制器采用峰值电流模式PWM控制77,78。图35所示为单相BUCK变换器的控制原理图。SRQ斜坡补偿输入EA反馈补偿网络ITHPWM比较器ITH08VTINVINCMSENROUTCLOADTVLCL1FBR2GM1C2CR0KFFBA图35单相BUCK变换器的控制原理图DC/DC变换器控制器的主要作用是反馈DC/DC变换器的输出电压和DC/DC变换器电感的峰值电流，作用于反馈补偿网络ITH和PWM比较器，控制DC/DC变换器MOSFET开关的PWM占空比。结合图35所示单相BUCK变换器控制原理，在SIMULINK平台上搭建了如图36所示的两相交错并联BUCK变换器PWM驱动控制器模型。由图34可知，两相交错并联BUCK变换器与单相BUCK变换器相比，只是原单相BUCK变换器回路的基础上再增加一组时钟互差180的BUCK变换器回路。因此在控制方面，还需要增加一个PWM比较器、SR锁存器，并使两个SR锁存器S端的输入时钟相差180，构成两相交错并联结构。由于SR锁存器的输入变量为布尔变量，因此还需要把时钟脉冲转换为布尔变量。图36两相交错并联BUCK变换器PWM驱动控制器模型由于该模型的参数设置均参考芯片LTC38901技术手册。LTC38901是一款高性能、双通道、交错并联降压DC/DC控制器，用于驱动全N沟道同步功率MOSFET级。该器件运用了一种恒定频率电流模式架构，因而可提供一个高达850KHZ的可锁相频率，最大限度地降低了功率损耗和电源噪声。封装如图36所示的两相交错并联BUCK变换器PWM驱动控制器模型得到DC/DC控制器（LTC38901）模块。并结合图34增加功率电感、电容、采样电阻和MOSFET开关管，搭建如图37所示的两相交错并联BUCK变换器模型。图37两相交错并联BUCK变换器模型323能量管理系统建模目前已有的燃料电池混合动力系统的能量控制及功率分配方法主要有电压模式和电流模式两种，由于燃料电池的输出功率与其输出电压或输出电流总是一一对应，因此两种控制模式的本质相同。电压模式的优点是可以直接控制燃料电池的输出电压，采样速度快，精度高且易于硬件系统实现，但缺点是缺少对燃料电池输出电流的有效控制；电流模式的优点是可平稳地控制燃料电池的运行状态，并且众多的功率分配及优化算法更易于在电流模式控制平台上实现，其控制性能明显优于电压模式32,62,79，但由于在硬件系统实现中，电流的实时采集与电压相比，难度高，精度低。因此本文仿真部分采用电流控制模式，硬件设计部分采用电压控制模式。采用电流控制模式的燃料电池混合动力系统，需要快速控制燃料电池级联DC/DC变换器的输出电流，从而达到控制燃料电池输出功率的目的。本文通过改进DC/DC变换器控制器的反馈补偿网络，即在原DC/DC变换器峰值电流模式PWM控制的电压外环中增加外部电流反馈控制系统，通过控制反馈补偿网络ITH的电平从而控制燃料电池输出电流。图38所示为燃料电池/锂电池混合动力控制系统原理图。与图35所示基于峰值电流控制模式的DC/DC变换器控制器相比，增加了DC/DC输出电流采样单元、比较器、控制器、乘法器等单元组成的混合动力控制单元，并通过跨导放大器GM作用于反馈补偿网络ITH。通过合适选取和调整电路中控制器传递函数HC的参数和反馈补偿网络ITH电路中电阻和电容值，可确保控制电路的稳定性、快速性和动态性能良好。LSENROUTCLOADRCLTVSRQ斜坡补偿输入EA08V1CR2C反馈补偿网络ITHPWM比较器燃料电池INC锂电池/DCI控制器传递函数HC/DCI1K2K30KTOV1M2ITHGMONTRLV乘法器FFBA图38燃料电池/锂电池混合动力控制系统原理图图39燃料电池/锂电池混合动力控制系统模型封装图37所示两相交错并联BUCK变换器模型，并依据图38所示燃料电池/锂电池混合动力控制系统原理，在SIMULINK仿真平台上搭建如图39所示的燃料电池/锂电池混合动力控制系统模型。该模型由燃料电池发电系统模型、锂电池模型、两相交错并联BUCK变换器模型、能量管理系统模型和负载五大部分组成。在该混合动力系统中，根据系统的功率需求，并依据一定的优化算法，设置DC/DC变换器的输出电流控制信号CONTRLV，控制燃料电池级联DC/DC变换器的输出电流/DCI。在控制系统的作用下，/DCI会随着控制信号CONTRLV的电压变化而变化。因此通过混合动力控制单元，可控制燃料电池级联DC/DC变换器的输出功率，实现混合动力系统的能量管理和功率分配。33仿真验证和结果分析为了验证燃料电池混合动力系统模型的动态响应性能以及控制策略的正确性和有效性，本节将对整个系统进行仿真分析。331系统参数设置由321节可知