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(chǎng)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(dòng)化與電氣工程學(xué)院的研究人員高鋒陽、張浩然、王文祥、李明明、高翾宇在2022年第3期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》上撰文，以實(shí)現(xiàn)功率分配全局最優(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儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量管理策略。

團(tuán)隊(duì)介紹
高鋒陽，教授級(jí)高工，教育部學(xué)位中心論文評(píng)審專家。主持獲得省部級(jí)科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)、三等獎(jiǎng)各一項(xiàng)，廳級(jí)科技獎(jiǎng)三項(xiàng)。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)，主持完成縱、橫向課題10余項(xiàng)。主編教材和著作各一部，發(fā)表SCI、EI論文30余篇。

張浩然，碩士研究生，現(xiàn)就職于中國鐵道科學(xué)研究院。主要從事現(xiàn)代有軌電車能量管理系統(tǒng)建模及優(yōu)化控制研究，曾主研國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、甘肅省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目，近2年發(fā)表中文EI論文3篇。

研究背景
大力發(fā)展資源節(jié)約型、環(huán)境友好型的城市軌道交通車輛，緩解汽車帶給城市地面公共交通的擁堵、環(huán)境污染等壓力，已成為實(shí)現(xiàn)城市雙碳愿景的必由之路。

氫燃料電池是實(shí)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(diǎn)，同時(shí)結(jié)合超級(jí)電容/鋰電池混合儲(chǔ)能系統(tǒng)所具備的高效制動(dòng)能量回收的優(yōu)勢(shì)，構(gòu)建現(xiàn)代有軌電車的新型牽引供電制式，能夠使動(dòng)力系統(tǒng)兼具高功率密度和高能量密度優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)真正意義上的零碳排放，已逐漸成為新時(shí)代軌道電車無接觸網(wǎng)受流的理想方案。

論文所解決的問題及意義
本文針對(duì)城市軌道交通運(yùn)行工況中電氣化負(fù)荷的空間分布廣泛、沖擊性強(qiáng)、強(qiáng)脈動(dòng)寬頻域變化等特性下氫燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)的能量管理問題，提出了一種節(jié)能運(yùn)行優(yōu)化策略，以傳統(tǒng)ECMS策略為基礎(chǔ)，將目標(biāo)函數(shù)中等效氫耗最小化改寫為外部電源能耗最大化，避免了等效能量因子過于依賴專家經(jīng)驗(yàn)所導(dǎo)致的能量管理系統(tǒng)對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)等效氫耗評(píng)估精確度不足的缺陷，進(jìn)而解決了瞬時(shí)優(yōu)化策略應(yīng)對(duì)負(fù)載突變魯棒性差的問題，為進(jìn)一步工程化裝車運(yùn)行驗(yàn)證和示范運(yùn)營奠定基礎(chǔ)。

論文方法及創(chuàng)新點(diǎn)
搭建車載動(dòng)力系統(tǒng)仿真平臺(tái)，如圖1所示。根據(jù)各自的能量流特性，分別采用單向和雙向變流器對(duì)燃料電池和鋰電池進(jìn)行控制，并連接到直流母線上。由于超級(jí)電容在該系統(tǒng)中的作用主要是“削峰填谷”，因此采用未經(jīng)變流器直接并聯(lián)于直流側(cè)母線端的形式。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(shí)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(yàn)證。

圖1 有軌電車復(fù)合供電系統(tǒng)仿真平臺(tái)

與傳統(tǒng)ECMS策略相比，所提策略旨在通過在SOC約束范圍內(nèi)最大化外部電源出力，間接地降低燃料電池負(fù)載壓力，如圖2所示。

圖2 本策略與傳統(tǒng)策略控制框圖的對(duì)比

通過EEMS算法確定鋰電池和燃料電池參考功率，并采用超級(jí)電容電壓相對(duì)母線電壓的偏移量調(diào)節(jié)其充放電參考功率，以穩(wěn)定母線電壓。燃料經(jīng)濟(jì)性方面通過對(duì)負(fù)載功率的實(shí)時(shí)采樣，以滿足功率需求和鋰電池不過放的約束，采用離線優(yōu)化算法求取燃料電池瞬時(shí)輸出功率的個(gè)體最優(yōu)解，通過對(duì)n次采樣后的燃料電池凈輸出能量進(jìn)行整合，以總能量最低為目標(biāo)判斷是否為全局最優(yōu)的氫氣消耗量。

結(jié)論
1)與傳統(tǒng)的ECMS策略相比，通過最大化外部電源出力，使所提策略對(duì)負(fù)載變載的魯棒性更強(qiáng)，進(jìn)而為能耗測(cè)算及能量補(bǔ)給評(píng)估提供了理論依據(jù)，擴(kuò)大了能量管理策略的適用范圍。

2)與同類策略相比，所提策略在實(shí)現(xiàn)了燃料電池輸出功率波動(dòng)范圍、鋰電池SOC和母線電壓偏移范圍、各能量源應(yīng)力分布以及整體效率多重全局最優(yōu)的同時(shí)，大幅度降低了氫氣消耗，其核心優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在兼具高功率密度、高能量密度和高用氫效率。

3)所提策略算法和控制結(jié)構(gòu)簡單，易于實(shí)現(xiàn)，并應(yīng)用實(shí)測(cè)運(yùn)行工況在線驗(yàn)證了其有效性和優(yōu)越性，能夠?yàn)橹笇?dǎo)燃料電池混合動(dòng)力有軌電車儲(chǔ)能系統(tǒng)參數(shù)匹配設(shè)計(jì)及優(yōu)化整車動(dòng)力系統(tǒng)性能提供參考。

引用本文
“高鋒陽, 張浩然, 王文祥, 李明明, 高翾宇. 氫燃料電池有軌電車混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的節(jié)能運(yùn)行優(yōu)化[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2022, 37(3): 686-696. Gao Fengyang, Zhang Haoran, Wang Wenxiang, Li Mingming, Gao Xuanyu. Energy Saving Operation Optimization of Hybrid Energy Storage System for Hydrogen Fuel Cell Tram. Transactions of China Electrotechnical Society, 2022, 37(3): 686-696.