多电混合的能量管理策略的研究外文翻译资料

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Abstract—This paper presents a comparative analysis of different enei^y management schemes for a fuel-cell-based emergency power system of a more-electric aircraft The fuel-cell hybrid system considered in this paper consists of fuel cells, Kthium-ion batteries, and supercapacitors, along with associated dc/dc and dc/ac converters. The energy management schemes addressed are state of the art and are most commonly used energy management techniques in fuel-cell vehicle applications, and they include the following: the state machine control strategy, the rule-based fuzzy logic strategy，the classical proportional—integral control strategy, the frequency decoupling/fiizzy logic control strategy, and the equivalent consumption minimization strategy. The main criteria for performance comparison are the hydrogen consumption, the state of charges of the batteries/supercapacitors, and the overall system efficiency. Moreover，the stresses on each energy source, which impact their Kfe cycle, are measured using a new approach based on the wavelet transform of their instantaneous power. A simulation model and an experimental test bench are developed to validate all analysis and peiformances.

摘要：本文提出了一种更多电动飞机的燃料电池为基础的应急电力系统的不同能源管理方案的比较分析。本文中考虑的燃料电池混合系统包括燃料电池，Kthium-离子电池和超级电容器，以及相关的dc / dc和dc / ac转换器。所讨论的能量管理方案是现有技术并且是燃料电池车辆应用中最常用的能量管理技术，并且它们包括以下：状态机控制策略，基于规则的模糊逻辑策略，经典比例积分控制策略，频率解耦/影像逻辑控制策略和等效消耗最小化策略。性能比较的主要标准是氢消耗，电池/超级电容器的充电状态和整体系统效率。此外，使用基于其瞬时功率的小波变换的新方法来测量每个能量源上的影响其Kfe周期的应力。开发了模拟模型和实验测试台来验证所有分析和均匀性。

Over the last decade, the interest of transportation industries to develop efficient and environmentally friendly traction systems have made fuel-cell vehicles a reality. Nowadays, fuel cells are being used in cars, buses, tramways, trains, and aircraft [1]. They provide electrical power with high efficiency, less noise, and near zero emissions compared with conventional internal combustion engines.

As the first phase to greener aircraft, more-electric aircraft (MEA) manufacturers are moving toward replacing the emergency power system, which consists of a ram air turbine or an air-driven generator, by fuel-cell systems [4]-[6]. This will result in better performance of the emergency power system, particularly at low aircraft speed and altitude.

在过去十年中，运输行业对开发有效且环保的牵引系统的兴趣使得燃料电池车辆成为现实。 现在，燃料电池被用于汽车，公共汽车，电车，火车和飞机[1]。 与传统的内燃机相比，它们提供具有高效率，较少噪声和接近零排放的电力。

作为第一阶段到更环保的飞机，更多电动飞机（MEA）制造商正在通过燃料电池系统[4]取代由冲压空气涡轮机或空气驱动发电机组成的紧急电力系统[4]-[6]。 这将导致应急电力系统的更好的性能，特别是在低的飞机速度和高度。

手稿收到2012年11月19日; 修订日期： 接受日期2013年3月3日。出版日期2013年4月5日; 当前版本的日期2013年8月23日。这项工作部分由加拿大自然科学和工程研究理事会部分支持，部分由魁北克航空航天研究与创新联盟，部分由庞巴迪宇航和Transtronic公司 根据CRIAQ ENV405项目。

作者与加拿大蒙特利尔QC H3C 1K3电力电子和工业控制研究组（GREPCI），Ecole de Technologie Superieure（电子邮件：souIeman_motapon@yahoo.fi :; dessaint@ele.etsmtl.ca; kamal.al_haddad @ etsmd.ca）。本文中一个或多个数字的颜色版本可在http://ieeexplore.ieee.org在线获取。

数字对象标识符10.1109 / TIE.2013.2257152

为了改善燃料电池系统的动力学和功率密度，需要燃料电池与诸如锂离子电池或超级电容器的新能量存储装置的混合。 这种杂交允许燃料电池系统被优化以实现更好的燃料经济性和性能，因为电池/超级电容器提供负载的一部分。 该优化通过能量管理策略（EMS）来实现，该能量管理策略在能量源之间分配负载功率。 这种EMS的设计应当以这样的方式进行，以实现最佳的燃料经济性，同时确保每个能量源在其限度内操作。 此外，EMS对整个混合动力系-。

在文献中已经报道了用于燃料电池混合动力系统的不同能量管理策略。状态机控制的使用[8]，[9]是一个简单和众所周知的基于规则的策略;每个EMS规则或状态是基于启发式或经验过去经验定义的。因此，该策略的性能取决于设计者熟悉系统中每个组件的操作的程度。

另一个广泛使用的策略是基于规则的模糊逻辑能量管理技术，其中功率分布通过隶属函数和IF-THEN规则的集合来实现[10]，[11]。可以容易地调整该策略以实现最佳操作，并且其性能对于测量不精确和组件变化不太敏感。然而，模糊逻辑控制器的核心在于IF-THEN规则，这需要专家的知识和过去的经验。

最近，提出了基于经典PI控制器的能量管理。该策略基于使用比例积分（PI）控制器[1] - [3]的主要性能参数的控制，例如电池充电状态（SOC），超级电容器电压或直流母线电压。专家的知识不是必需的，并且可以容易地在线调整PI控制器以便更好地跟踪。负载功率以这样的方式分布，以允许燃料电池系统提供稳态负载需求。

频率去耦策略确保燃料电池提供低频率需求，而其他能量源处理高频率需求[12]，[13]。 这是通过使用低通滤波器，小波或快速傅里叶变换技术来实现的。 这种策略提高作为防止了燃料供给系统上的动态应力的燃料电池系统的寿命。这里，燃料电池系统提供几乎恒定的平均负载功率，而其他能量源分别在负载功率高于或低于其平均值时进行放电或再充电。

为了确保燃料电池系统的最佳运行以实现最大燃料经济性或最大全局效率，使用成本函数优化策略[14]，[15]。实时实施的最常见的策略是等效燃料消耗最小化策略（ECMS）。功率分布由瞬时成本函数的最小化确定，该实时成本函数由燃料电池系统的燃料消耗和其他能量源的等效燃料消耗组成。

还报道了用于燃料电池混合动力系统的其它实时能量管理策略。它们包括基于模型预测控制[18]，随机动态规划[19]，神经网络[20]，自适应控制[21]和H无限控制[22]的策略。这些策略非常复杂并且需要大量计算，这可能潜在地影响能量管理系统的响应时间。本文仅涉及使用标准的基于微处理器的解决方案的最常见和容易实现的能量管理策略。

在文献中发现的EMS的大多数比较研究主要应用于混合动力车辆负载分布，其与具有飞行器紧急负载分布相比具有低波动的再生。 此外，这些研究仅包括几个现有的EMS，它们对整个系统的整体效率和生命周期的影响常常被忽略[22]，[23]。 这促使本文的作者进一步分析，以确定哪个EMS更适合MEA负载曲线。

本文的主要目标是设计和比较MEA的燃料电池混合应急电源系统的不同能源管理技术。 性能比较的主要标准是氢气消耗，电池和超级电容器的SOC，整个系统效率和每个能源所见的应力。

实施用于比较的能量管理策略如下：

bull;状态机控制策略[8];

bull;基于规则的模糊逻辑策略[10]，[11];

bull;经典PI控制策略[1]，[2];

bull;频率解耦和模糊逻辑策略[12]，[13];

bull;ECMS [14] - [16]。

使用MEA的典型应急任务剖面，通过模拟和实验使用14-kW燃料电池混合动力系统试验台来比较能量管理策略。 开发的模型需要标准参数，可以在制造商的数据表或通过简单的实验找到更好的准确性。

本文的主要贡献是对基于燃料电池的飞机应急系统的常见EMS策略的验证性能比较。 分析包括EMS对整个系统的整体效率和生命周期的影响。 后者是使用基于每个能量源瞬时功率的小波变换的新方法来测量的。

本文的结构如下。 第二部分描述了混合电源系统架构。 第El节涉及组件建模和验证。 第四节介绍能源管理战略。 第五节通过模拟和实验比较策略。 最后，本文最后得出结论。

II。混合动力系统架构

混合动力系统是基于典型的紧急着陆场景的功率和能量需求而设计的。在本文中，由庞巴迪宇航公司提供的代表性紧急着陆循环（见图1）被考虑用于所有分析。

燃料电池系统被设计为满足平均功率（7.5kW），而电池和超级电容器被设计为分别在连续和瞬时峰值需求期间辅助燃料电池系统。为简单起见，本文不涉及设计和拓扑选择的详细分析。然而，对于参考，混合系统设计遵循[1]中的过程，并且所采用的拓扑在[7] - [9]中讨论。

图。图2示出了使用四个Valence电池模块（12.8V，40Ah）以及六个NESSCAP超级电容器模块（48.6V，88F）的系统示意图。燃料电池系统由来自Hydrogenics的12.5千瓦质子交换膜（PEM）燃料电池功率模块（FCPM）组成。

如图1所示。 如图2所示，燃料电池能量和电池能量通过使用国家仪器嵌入式控制器（NI PXI-8108）的相关联的dc / dc转换器来控制。 dc / dc转换器需要从（在控制器中实现的）能量管理系统确定的输出电压基准和最大输入/输出电流基准。 对于本文，由于双向DC / DC转换器不容易获得，由于时间约束，两个转换器与电池系统一起使用。 电池管理系统（BMS）用于保护电池系统免于过充电，过温和过放电。 还使用保护电阻来防止超级电容器或逆变器输入电压的过电压。使用交流/直流可编程负载产生紧急负载曲线。

对于本文，选择现成的组件作为主要目标是调查不同能源管理策略的性能。 换句话说，在这一点上不考虑功率密度因子，这对于系统在飞行器上的集成是至关重要的

混合动力系统的主要特点如下。

bull;燃料电池系统：它是一个12.5 kW 60-30 Vdc液冷PEM FCPM，内置辅助设备（鼓风机，过滤器，H2循环泵，H2压力调节器和阀门，冷却液泵和风扇等） 。）。 FCPM还配备有内置控制器（发动机控制单元），用于与主控制器连接并保护（H2低压，过温度，过电流和欠电压）。

bull;电池系统：它由四个12.8-V 40-Ah锂离子电池模块串联组成。每个模块配备有用于电池到电池平衡（或模块内平衡），电池温度和电压/电流感测，SOC计算以及通过RS485与总体BMS通信的内部控制器。

bull;超级电容器系统：它由六个串联连接的48.6-V 88-F超级电容器模块组成。每个模块还配备有内部控制器（超级电容器管理单元），用于单元到单元平衡和电压和温度感测。

bull;燃料电池直流/直流转换器系统：它由并联连接的五个（40-64 V）直流270 V（可调243-297 V）9.2-Adc输出直流/直流隔离升压转换器组成。该系统配有每个模块的过载和过压保护。使用去耦二极管可以进行冗余操作。电流平

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