燃料電池是全世界公認(rèn)的未來最佳車載能源，然而大功率應(yīng)用場景下用氫效率的不足明顯制約了其在軌道交通領(lǐng)域大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程。為此，蘭州交通大學(xué)自動化與電氣工程學(xué)院研究人員高鋒陽、高翾宇、張浩然等在2023年第21期《電工技術(shù)學(xué)報》上撰文，以實現(xiàn)混合動力系統(tǒng)功率分配兼具全局性和瞬時性能最優(yōu)和提升燃料經(jīng)濟(jì)性為核心目標(biāo)，提出了一種適用于氫燃料電池有軌電車混合動力系統(tǒng)的能量管理策略。

氫燃料電池是實現(xiàn)氫能轉(zhuǎn)換為電能利用的關(guān)鍵載體，相較于傳統(tǒng)燃煤發(fā)電具有綠色節(jié)能、高能量轉(zhuǎn)換率以及噪聲小等突出優(yōu)點，同時結(jié)合超級電容/鋰電池混合儲能系統(tǒng)所具備的高效制動能量回收的優(yōu)勢，構(gòu)建現(xiàn)代有軌電車的新型牽引供電制式，能夠使動力系統(tǒng)兼具高功率密度和高能量密度優(yōu)勢的同時，實現(xiàn)真正意義上的零碳排放，已逐漸成為新時代軌道電車無接觸網(wǎng)受流的理想方案。

針對傳統(tǒng)龐特里亞金極小值原理在應(yīng)用到城市軌道交通運(yùn)行工況中燃料電池混合動力有軌電車的能量管理時，由于需要已知未來工況條件，存在實時性與工況適應(yīng)性差的問題，提出一種全局優(yōu)化與實時工況構(gòu)建相結(jié)合的應(yīng)對策略。

首先依據(jù)極小值原理推導(dǎo)混動系統(tǒng)運(yùn)行總氫耗量最小化目標(biāo)函數(shù)，離線求解全局最優(yōu)燃料電池參考功率。其次根據(jù)電車運(yùn)行特性劃分行駛模式，并基于馬爾科夫鏈分別構(gòu)建對應(yīng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率矩陣，以在線更新瞬時最優(yōu)的功率分配，進(jìn)而提升混合動力系統(tǒng)應(yīng)對高功率負(fù)載突變魯棒性，有效降低燃料電池啟停次數(shù)，以及實現(xiàn)全局和實時最優(yōu)功率分配。為進(jìn)一步工程化裝車運(yùn)行驗證和示范運(yùn)營奠定基礎(chǔ)。

基于SIMPOWERSYSTEM平臺搭建主動式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖1所示?？紤]到燃料電池?zé)o法回收制動能量以及超級電容的“削峰填谷”等能量流與信息流特性，分別采用單向和雙向變流器將主動力源和儲能系統(tǒng)連接到直流母線上。能量管理控制器調(diào)控各變換器的開關(guān)狀態(tài)使三者匹配工作。與此同時采用三相可編程負(fù)載模擬行駛工況進(jìn)行在線運(yùn)行驗證。

圖1 有軌電車復(fù)合供電系統(tǒng)仿真平臺

傳統(tǒng)PMP作為一種基于全局優(yōu)化的經(jīng)典策略，在應(yīng)用到軌道交通電車時，高功率負(fù)載突變會致使能量管理系統(tǒng)無法及時跟蹤電車運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，存在實時性與工況適應(yīng)性差的缺陷。與此同時燃料電池作為主動力源，啟動和停止過于頻繁會直接影響其使用壽命。因此引入基于電車運(yùn)行狀態(tài)識別的需求功率預(yù)測，在減少燃料電池啟停次數(shù)的同時盡可能提升其工作效率，整體策略流程如圖2所示。

圖2 所提策略流程

首先，基于極小值原理，以氫耗量最小為目標(biāo)，在保證負(fù)載需求與避免超級電容SOC大范圍波動的約束下，求取燃料電池全局最優(yōu)參考輸出功率；其次，將電車運(yùn)行過程劃分為怠速牽引、加速啟動、穩(wěn)速行駛、減速制動和再生制動五種模式，并分別根據(jù)各自運(yùn)行特性構(gòu)建狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率矩陣，進(jìn)而以燃料電池效率為判據(jù)確定工作模式并更新瞬時最優(yōu)功率，旨在兼顧能量管理策略的工況適應(yīng)性與燃料電池的工程適用性。

1）克服了以傳統(tǒng)極小值原理為代表的全局優(yōu)化策略實時性與工況適應(yīng)性差的缺陷，使混動系統(tǒng)功率分配兼具瞬時與全局最優(yōu)特性。

2）引入基于電車運(yùn)行狀態(tài)識別的需求功率預(yù)測并劃分燃料電池工作模式，提升了能量管理策略的工況適應(yīng)性，同時避免了燃料電池的頻繁啟停。

3）所提策略相較于傳統(tǒng)極小值原理和ECMS策略，氫氣消耗量在典型工況下分別降低了9.6%和16.8%；在非典型工況下分別降低了4.9%和11.3%，系統(tǒng)整體能量利用效率分別提升至了86.2%和82.5%，同時超級電容SOC波動范圍在兩種工況下均有顯著改善。

高鋒陽，博士生導(dǎo)師，教授級高工；主要從事軌道交通混合動力系統(tǒng)、大功率電源以及新型電機(jī)系統(tǒng)研究。主持獲得省部級科技進(jìn)步二等獎、三等獎各一項。曾參加國家“九五”大科學(xué)工程—HIFFL-CSR電源系統(tǒng)工程建設(shè)，主持完成包括國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃任務(wù)等縱、橫向課題20余項。獲發(fā)明專利授權(quán)3件；第一作者或通訊作者發(fā)表SCI、EI論文30余篇。

高翾宇，碩士研究生，現(xiàn)就職于濱州市濱城區(qū)供電公司。曾參與研究國家重點研發(fā)計劃、甘肅省重點研發(fā)計劃項目，近2年發(fā)表SCI、中文EI論文3篇。

本工作成果發(fā)表在2023年第21期《電工技術(shù)學(xué)報》，論文標(biāo)題為“全局與瞬時特性兼優(yōu)的燃料電池有軌電車能量管理策略”。本課題得到中車“十四五”科技重大專項計劃和國家重點研發(fā)計劃 的支持。

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