基于规则的能量管理策略的PEMFC/锂离子电池混合动力系统的动态建模与优化

《Electric Power Systems Research》：Dynamic modeling and optimization of a PEMFC/Lithium-ion battery hybrid powertrain using a rule-based energy management strategy

质子交换膜燃料电池（PEMFC）与锂离子电池混合驱动系统通过规则基础能量管理策略（Rb-EMS）实现动态功率分配，优化系统效率与电池寿命。研究基于MATLAB/Simulink建立PEMFC和电池动态模型，提出六模式Rb-EMS策略，通过SOC和瞬时负载需求决策变量，维持PEMFC在100-300W高效区间运行，稳定SOC在0.6，仿真验证了功率平衡与系统稳定性提升，电池循环寿命延长五倍。

　　

霍海波|帕梅拉·阿芬|姚一蕾|农航|陈张|陈凤翔

上海海洋大学工程技术学院海洋可再生能源工程研究中心，中国上海201306

摘要

将质子交换膜燃料电池（PEMFC）与锂离子电池集成是实现零排放和高效率混合动力推进的一个有前景的方向；然而，有效的能量管理仍然是优化性能和系统耐久性的主要障碍。本研究开发了一种计算效率高的基于规则的能量管理策略（Rb-EMS），该策略能够动态协调PEMFC堆与锂离子电池之间的功率流动，以在瞬态运行条件下保持系统效率和电池健康状态。在MATLAB/Simulink中建立了PEMFC和电池的详细电化学/电气模型，其中包含了极化损耗、荷电状态（SOC）、依赖参数以及转换器级别的控制。所提出的六模式Rb-EMS通过两个关键决策变量来调节功率分配：瞬时负载需求和SOC，使PEMFC在100–300 W的最佳效率范围内运行，并将SOC稳定在0.6左右。仿真结果表明，使用Rb-EMS可以实现功率平衡，并提高整个系统的稳定性。与未经调节的运行相比，优化的SOC调节可以减少锂离子电池的深度放电，使循环寿命延长五倍。这些发现为电力驱动系统的智能控制建立了一个经过验证的框架，并有助于全球向可持续能源的过渡。

引言

在当今世界，能源短缺和环境污染问题日益严重，新能源汽车因其节能和环保特性而受到广泛关注[1,2]。结合质子交换膜燃料电池（PEMFC）和锂离子电池的混合动力系统由于其高效稳定的能量输出性能而成为研究的重点[3,4]。 PEMFC具有较高的能量转换效率和零排放特性，使其成为一种有前景的清洁能源[5]，但其输出功率受到反应动力学的限制，这限制了其快速响应复杂多变功率需求的能力。锂离子电池具有高能量和功率密度[6]，是补充PEMFC局限性的优秀辅助储能解决方案。在混合配置中，PEMFC提供连续稳定的功率，而锂离子电池则提供瞬态峰值功率并储存再生制动能量。通过不同的混合系统策略，可以减轻电池充放电过程中的应力及其对电池健康的影响。锂离子电池通过分担燃料电池的负载，减少了电池的退化并延长了混合系统的寿命[7]。有效的能量管理对于优化混合系统的性能至关重要，智能控制方法必须通过设计良好的EMS在PEMFC和锂离子电池之间最优地分配功率[8]。 提出的智能功率分配策略必须考虑外部环境影响，以减轻负载波动、减少能量损失、降低燃料电池退化并延长电池寿命。最近关于车辆燃料电池系统关键技术趋势的综述指出，考虑电池健康状况的能量管理（特别是有利于电池的运行和减少燃料电池退化）是下一代混合动力系统在实时性能与系统耐久性之间取得平衡的关键研究空白[9]。基于庞特里亚金最小原理的自适应能量管理已被证明可以通过预测燃料电池/电池混合车辆的行驶周期来最小化氢气消耗[10]。虽然基于模糊逻辑的能量管理策略为燃料电池混合车辆的功率分配提供了适应性，但它们对专家设计规则的依赖限制了长期性能，尤其是在燃料电池耐久性方面[11]。分层模型预测控制的发展表明，将能量管理优化与节能驾驶策略相结合，特别是在跟车情况下，可以显著降低氢气消耗并帮助减少燃料电池退化[12]。根据各种文献[13,14]研究PEMFC/锂离子电池混合系统的先进能量管理策略对于提高系统性能和确保运行稳定性至关重要。 本文介绍了基于规则的能量管理策略（EMS）在MATLAB/Simulink中的验证，该策略适用于PEMFC/锂离子混合动力系统。研究包括动态PEMFC模型、通过HPPC测试和SOC-OCV拟合确定的二阶RC锂离子电池模型、带有功率转换器的混合架构，以及在不同负载条件下分配功率的基于规则的EMS。 基于规则的EMS使用电池SOC和瞬时负载需求作为决策变量，并实施离散分配规则来平衡效率、动态响应和电池健康状态。SOC阈值（设定点0.6）和三个PEMFC功率设定点控制分配。当SOC超过阈值时，轻负载仅使用电池；中等负载结合固定的PEMFC输出和电池补充；高负载则通过预定义的PEMFC支持共同满足。当SOC低于阈值时，EMS增加PEMFC的输出，提供恒定功率并将多余功率用于充电电池，防止深度放电。根据SOC和负载情况，规则将PEMFC的功率分配在100–300 W之间，如果SOC较低且负载较高，则完全切换到PEMFC。通过集成的组件模型、转换器架构和实用的基于规则的决策层，本文提供了一个经过验证且可实施的EMS框架，能够在确保电池健康的同时优化瞬时能量分配。

PEMFC系统的动态建模

准确的PEMFC建模是模拟和优化混合系统集成的基础。动态PEMFC模型（图1）展示了电化学装置如何将氢气的化学能直接转换为电能，同时产生水和热量作为副产品[15]。

基于规则的能量管理策略（Rb-EMS）

基于规则的EMS通过一组预定义的逻辑规则和控制动作来调节能量流动，如图9中的流程图所示。通过分析系统参数（SOC和负载需求），条件规则动态确定最佳的能量分配和利用方式。所提出的策略采用六模式有限状态机，根据两个状态变量：SOC和瞬时负载功率（Preq）选择运行模式。SOC定义如下：

$SOC(t)\; =\; SOC(t\_0)\; -\; \backslash frac\{1\}\{Q\_n\}\; \backslash int\_\{t\_0\}^\{t\}\; \backslash eta\_c\; u\_l\; ib$

仿真框架和验证

全面的MATLAB/Simulink仿真在加速和减速功率步骤下验证了所提出的Rb-EMS。通过整合PEMFC和依赖于SOC的电池模型，该研究评估了EMS决策逻辑、PEMFC约束以及在快速负载变化期间的电池行为，这些都是混合动力控制的关键因素。与聚合的驾驶循环不同，这种配置直接将负载变化与EMS动作联系起来，明确了控制的有效性和系统的稳定性。

结论

本研究通过一种实用的、计算效率高的基于规则的EMS，解决了PEMFC-锂离子混合动力系统中有效能量管理的关键挑战，推动了全球向零排放交通的转变。所提出的六条件策略根据电池SOC和瞬时负载功率将运行空间划分为离散区域，并使用确定的功率分配规则来保持PEMFC在其最佳效率范围（100–300 W）内运行。

霍海波：撰写——原始草稿，监督，项目管理。 帕梅拉·阿芬：撰写——审阅与编辑，可视化，调查，形式分析，概念化。 姚一蕾：软件，数据管理。 农航：软件，方法论。 陈张：验证。 陈凤翔：资源，数据管理。