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基于控制目标的氢−电混动系统能量管理策略综述.pdf
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1、第第 44 卷卷 第第 4 期期 2023 年年 8 月月Vol.44 No.4Aug.2023发电技术发电技术Power Generation Technology基于控制目标的氢电混动系统能量管理策略综述王博斐1,肖浩哲1,李国豪2,修文恒3,莫云浩2,朱铭杰1,吴震1*(1.西安交通大学化学工程与技术学院,陕西省 西安市 710049;2.西安交通大学能源与动力工程学院,陕西省 西安市 710049;3.西安交通大学物理学院,陕西省 西安市 710049)A Review of Energy Management Strategy for Hydrogen-Electricity Hyb
2、rid Power System Based on Control TargetWANG Bofei1,XIAO Haozhe1,LI Guohao2,XIU Wenheng3,MO Yunhao2,ZHU Mingjie1,WU Zhen1*(1.School of Chemical Engineering and Technology,Xian Jiaotong University,Xian 710049,Shaanxi Province,China;2.School of Energy and Power Engineering,Xian Jiaotong University,Xia
3、n 710049,Shaanxi Province,China;3.School of Physics,Xian Jiaotong University,Xian 710049,Shaanxi Province,China)摘要摘要:氢燃料电池因为高能量密度与清洁低碳的特性,在供能领域受到广泛关注。但由于目前加氢基础设施较少,成本较高,且氢燃料电池动态响应较差,故常采用蓄电池和超级电容与氢燃料电池相结合的氢电混动方式,给无人机、汽车等载运工具提供动力。混合动力系统的能量管理策略对系统动态性能、经济性及电池寿命等参数有着极大的影响,因此,其选用和设计对于控制目标至关重要。介绍了混合动力系统供能原
4、理及方法,根据不同的控制目标,综述了不同的能量管理策略的应用现状与研究进展,分析其特性与应用场合。最后,提出了氢电混合动力系统能量管理策略面临的挑战,并对其未来的发展方向进行了展望。关键词关键词:燃料电池;蓄电池;氢电混动系统;能量管理策略(EMS)ABSTRACT:Hydrogen fuel cells,as the energy supply device,have received a lot of attention because of their high energy density and low carbon emission characteristics.However,
5、due to the insufficient hydrogen refueling infrastructures,the hydrogen cost is high,and the dynamic response of hydrogen fuel cells is poor.Therefore,the hybrid power system of rechargeable battery and hydrogen fuel cells is generally used to supply energy to vehicles such as unmanned aerial vehicl
6、es(UAV),cars,and others.The energy management strategy of hybrid power system has an impact on the parameters of system dynamic response,economy and battery life.So the selection and design of energy management strategy are crucial to hybrid power system.This paper introduced the working principle o
7、f hydrogen-electricity hybrid power system and its energy supply methods.Besides,the current status of application and research progress of different energy management strategies for various application scenarios were summarized according to different control objectives.Finally,this paper presented
8、the challenges of hybrid energy management strategies and outlooks their future development direction.KEY WORDS:fuel cells;rechargeable battery;hydrogen-electricity hybrid power system;energy management strategy(EMS)0引言引言化石能源具有明显的地域禀赋特征,使得世界能源生产国与消费国呈现地理分离现象1。屡次爆发的石油危机与天然气冲突使得能源消费国急于寻求摆脱能源危机的方法。因此,世
9、界主要经济大国从政策支持、技术扶持、资金投入等各个方面发展新能源产业,期待能够据此解除本国能源危机,巩固本国能源安全。世界各国对于能源需求量的急剧增长使得能源过度开发,而化石能源作为一次能源,开采后难以在短时间内再生的特性使得化石能源的供应问题日益严峻。同时,化石能源的开采过程中往往伴随着生态环境破坏,使用过程亦造成了严重的气候和环境问题,如全球变暖、温室效应,以DOI:10.12096/j.2096-4528.pgt.23003 中图分类号:TK 91基金项目:国家自然科学基金项目(52176203);陕西省重点研发计划项目(2023-GHZD-13)。Project Supported b
10、y National Natural Science Foundation of China(52176203);The Key R&D Project of Shaanxi Province(2023-GHZD-13).第第 44 卷卷 第第 4 期期发电技术发电技术及我国近年来面临的大范围雾霾天气及沙尘暴。目前,能源发展趋势之一为能源类型由高碳向低碳发展,即由化石能源走向非化石能源2。中国承诺到2030年实现碳达峰、2060年实现碳中和目标,兑现“双碳”目标需要新能源革命支撑经济低碳转型。所以,发展高效、安全、清洁的新能源显得十分必要和紧迫。氢能因其来源广泛、质量轻、能量密度高、绿色低碳、
11、储存方式与利用形式多样等诸多优点被视为未来重要的清洁能源3-5。且氢能燃烧热值高,燃烧性能好,符合当下能源的发展趋势,具有丰富的应用前景,如氢燃料电池为各种动力系统供能。然而,由于氢燃料电池具有动态特性差,成本相对较高,能量单向流动,耐久性有待提高等一系列问题,为保证氢燃料电池工作稳定,常将其与蓄电池或超级电容等储能装置相结合,组成氢电混合动力系统6-10。氢燃料电池与储能装置相结合的混合动力系统既降低了供能系统的成本,保留了储能装置动态性能好的优点,又能够发挥出燃料电池高效率、续航时间长、无污染的优势。因此,氢电混合动力系统可以有效提高系统的能量效率,减少环境污染,是目前供能系统的发展趋势之
12、一。本文从快速控制、控制稳定性、燃油经济性、多目标优化控制等控制目标出发,分析了氢电混合动力系统能量管理控制策略,为相关研究提供参考。1氢氢 电混动供能系统简介电混动供能系统简介1.1燃料电池燃料电池燃料电池是一种化学电池,它不经过燃烧而以电化学反应方式将燃料的化学能直接变为电能11。燃料电池作为一种清洁高效的发电方式,由阳极、阴极及两极之间的电解质组成,工作时向阳极供应氧化剂,如氧气等,向阴极供应燃料,如氢气等。实际情况中,应用较多的是质子交换膜燃料电池,它具有能量利用率高、启动速度快、寿命长等优点12。式(1)(3)为氢燃料电池的阴阳极反应式及总反应式。阴极反应式:2H+(aq)+12O2
13、(g)+2e-=H2O(1)阳极反应式:H2(g)2e-=2H+(aq)(2)总反应式:H2(g)+12O2(g)=H2O(3)1.2储能装置储能装置燃料电池不能存储能量,动态响应较慢,当动力装置需要快速供电时,可能会导致装置电源供应不足。为弥补燃料电池的单向能量流和缓慢的动态响应,采用储能装置(蓄电池和超级电容等)和功率转换器来匹配基于燃料电池的混合动力系统,以提供快速、稳定的动力。目前,蓄电池与燃料电池的联合供能系统得到了极大的发展,在选择蓄电池时,普遍采用锂离子电池作为燃料电池的辅助能源。与铅酸蓄电池相比,锂离子电池具有体积比能量和重量比能量较高、单体电压高、寿命相对较长13、环保性能好
14、等优点。然而,锂离子电池安全性能差,具有一定的爆炸风险且目前造价相对较高,前期成本压力大。随着技术的不断成熟发展,锂离子电池具有很好的应用前景。超级电容与燃料电池组成的氢电混合系统也得到了广泛的应用。超级电容器的能量密度较低,但其功率密度很高,且具有较宽的工作温度范围和极长的使用寿命,因此在一些要求高功率的领域,超级电容器有着其独特的优势14。在氢电混合动力系统中可以较好地满足储能、供能需求。燃料电池、锂离子电池及超级电容的响应时间、使用寿命、电池成本示意图15-16如图1所示。从图1中可以看出,超级电容的响应时间能够达到毫秒级,锂离子电池的响应时间在1 s左右,燃料电池的响应时间相对较长,其
15、响应时间受型号、温度等因素的影响,为几秒到几十秒不等。但就使用寿命来说,燃料电池使用寿命最长,能达到15 a及以上;超级电容次之,使用寿命在10 a左右;锂离子电池使用寿命最短,在15 a。1.3氢氢 电混合动力系统结构电混合动力系统结构燃料电池与锂电池的混合动力系统有2种常见的拓扑结构,主要结构包括燃料电池、双向DC/DC 变换器、储能元件(蓄电池、电容等)、级联DC/DC变换器、DC/AC变换器等。第一种结构是453Vol.44 No.4王博斐等王博斐等:基于控制目标的氢基于控制目标的氢 电混动系统能量管理策略综述电混动系统能量管理策略综述锂离子电池直接与直流母线相连接。第二种结构是锂离子
16、电池经过DC/DC转换器后再与直流母线相连接,结构图17如图2所示。在此混合动力系统中,燃料电池作为主要电源,为负载提供大部分的电力,锂离子电池作为辅助电源,可以从燃料电池中回收能量并进行再生制动,同时补偿高负载功率。此外,利用功率变换器(包括单向和双向DC/DC变换器和DC/AC逆变器)来调节电流、电压及功率。以氢电混合动力汽车为例,介绍2种拓扑结构。图2(a)为混合动力系统的典型拓扑结构,其中燃料电池输出逐步提高,以满足交流电动机的高压水平,锂离子电池在电压匹配后作为能量缓冲器。图2(b)在直流总线和锂电池之间增加了一个双向DC/DC变换器,这种结构不仅使燃料电池的输出电压和功率得到调节,
17、而且还能够控制锂离子电池的荷电状态,方便混合动力系统回收再生制动能量。在燃料电池与锂电池混合动力系统的供能过程中,有三大供能模式:一是燃料电池单独供能;二是锂离子电池单独供能;三是燃料电池和锂离子电池联合供能。2氢氢 电混合动力能量管理策略分析电混合动力能量管理策略分析2.1控制目标控制目标氢电混动系统难以保证其所有性能都处于最优状态,因此,对于各种性能应当有侧重地取舍,以满足系统的应用性能。不同的性能要求导致不同的控制目标,不同的载运工具和应用场景对控制目标和性能的侧重不尽相同。例如,应用于军事领域的无人机,要求混合系统能够实现快速控制;应用于巡查、拍摄、航测等民用领域的无人机,要求无人机续
18、航能力强,即希望混合供能系统有较优的燃油经济性;汽车则要求多目标优化控制,即在保证快速控制、运行稳定的基础上,还具有较好的燃油经济性。能量管理策略(energy management strategy,EMS)解决的是混合动力系统不同动力源之间的动力分配问题。在实际应用过程中,不同动力源之间的能量分配方式对系统的供能效率、控制速度、燃油消耗、运行成本、15101520使用寿命/a2 0004 0006 0008 00010 000电池成本/(元/kW)锂离子电池超级电容燃料电池015101520使用寿命/a1011101102103响应时间/s102超级电容锂离子电池燃料电池(a)电池成本与使
19、用寿命对比图(b)响应时间与使用寿命对比图图图1 燃料电池燃料电池、锂电池锂电池、超级电容对比图超级电容对比图Fig.1 Fuel cell,Li-ion battery,supercapacitor comparison chart燃料电池系统DC/DC转换器DC/AC转换器交流电机最终传动锂离子电池系统前轮后轮功率流(a)锂离子电池直接与直流母线相连接(b)锂离子电池与DC/DC连接后接入直流母线燃料电池系统DC/DC转换器DC/AC转换器交流电机最终传动DC/DC转换器前轮后轮功率流锂离子电池系统图图2 燃料电池混合动力系统结构示意图燃料电池混合动力系统结构示意图Fig.2 Topolo
20、gies of fuel cell hybrid power system454第第 44 卷卷 第第 4 期期发电技术发电技术系统寿命等有着重要的影响。为实现不同的控制目标,保证系统的性能,需选择合适的能量管理策略。虽然能量管理策略受到国内外学者的广泛关注,但是基于控制目标的能量管理策略介绍还存在较大的空白,因此,本文针对控制目标对部分能量管理策略进行归纳整理。不同的控制目标所对应的能源管理策略及相关应用场景如图 3所示。根据控制目标不同,可将控制策略分为快速控制、控制稳定性、燃油经济性、多目标优化控制4种类型。依据不同的控制目标,可选择一定的能源管理策略。但是,由于不同的方法存在各自的优缺
21、点,可通过不同方法之间的协同工作实现更好的控制效果,因此各类方法之间并不是完全独立的18。2.2以快速控制为目标的能量管理策略以快速控制为目标的能量管理策略与燃料电池相比,锂电池的动态性能优异。在氢电混动系统中,当燃料电池/锂电池的输出功率与目标功率的差异较大时,可通过协调锂电池的功率使控制系统快速处于稳定状态。为使系统能够快速下达状态切换指令,实现系统的实时控制,需要选用高计算效率的能源管理策略。基于规则的能量管理策略实现简单,计算量小,实时性好。Liu等19先利用庞特里亚金最小值原理(Pontryagins minimum principle,PMP)推导出最优燃料电池功率控制序列和锂离子
22、电池组在行驶过程中的充电轨迹状态;然后通过改进的RIPPER算法从优化结果中挖掘规则,并利用多元线性回归算法对其进行拟合;最后提出一种改进的基于规则的EMS,其相关设计流程如图4所示。将其与基于 PMP 的 EMS 和传统的基于规则的EMS 进行每一步计算的耗时和总计算耗时对比(CPU为i5核、内存为16 GB的台式计算机),结果如表 1 所示。改进的基于规则的 EMS 与基于PMP的EMS相比,每一步计算耗时降低93.77%,总计算耗时降低了88.96%,而在计算时间与传统的基于规则的EMS相近的情况下,其总耗氢量下降了16.51%,在保证了计算控制的前提下,提升了燃油经济性。虽然基于确定规
23、则的EMS计算简单且计算效率高,但是其规则或阈值非常依赖驾驶经验,很难保证最佳优化效果。而基于动态规划(dynamic programming,DP)的能量管理策略隶属于全局优化能量管理策略,虽然能够获得全局优化的效果,但是其对驾驶工况过度依赖,且计算量较大。除基于DP的EMS之外,基于PMP的EMS提供解决全局优化问题的另一种可能。与基于DP的EMS相比,基于PMP的EMS增加了一个状态变量,提升了计算效率,可用于实时控制20。因此,在系统获得全局最优解的同时,要求尽可能使系统能够得到快速控制,可采用基于PMP的全局优化策略,其流程21如图5所示。PMP 通过使各个时刻局部最优从而达到全局最
24、优22。该策略在经过一定优化后,计算耗时短,控制目标逻辑门限控制策略等效燃油消耗最小策略基于模糊逻辑的控制策略模型预测控制策略控制稳定性基于庞特里亚金极小值原理的策略基于确定规则的管理策略基于神经网络的管理策略基于Q-learning的管理策略多目标优化快速控制燃油经济性图图3 控制目标分类图控制目标分类图Fig.3 Control target classification chartPMPRIPPER算法最优燃料电池功率控制序列锂离子电池组充电轨迹状态改进的基于规则的EMS挖掘规则并线性拟合图图4 改进的基于规则的改进的基于规则的EMS设计流程设计流程Fig.4 Improved rule
25、-based EMS design process表表13种种EMS计算耗时对比计算耗时对比Tab.1Comparison of calculation time between three EMSsEMS种类基于PMP的EMS传统基于规则的EMS改进的基于规则的EMS每一步计算耗时/s0.004 8800.000 3040.000 539总计算耗时/s13.943 30.868 81.539 5455Vol.44 No.4王博斐等王博斐等:基于控制目标的氢基于控制目标的氢 电混动系统能量管理策略综述电混动系统能量管理策略综述计算效率高,便于在线应用,能够实现快速控制。Zheng等23在计算机
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