基于模糊控制的燃料電池汽車動力源能量管理

崔鵬飛，沈英，趙剴燁

(1. 福州大學 機械工程及自動化學院，福建 福州 350108； 2. 溫州市電子技術研究所，浙江 溫州 325003)

0 引言

燃料電池汽車由于清潔、高效等優(yōu)異特點，被國內外研究者視為未來取代傳統(tǒng)發(fā)動機汽車的理想選擇。然而，燃料電池存在動態(tài)響應速度慢、功率密度低且是單向能源等缺點，影響整車動力性和經濟性[1]。因此，燃料電池通常配給一個輔助供能的能量存儲裝置，如蓄電池或者超級電容，以改善整車性能。

燃料電池混合電源間的協(xié)調供能及電源系統(tǒng)的保護有賴于優(yōu)異的能量管理策略。根據(jù)能量管理策略的實現(xiàn)方法不同，一般可將其分為基于優(yōu)化和基于規(guī)則的能量管理策略。

基于優(yōu)化的能量管理策略將燃料電池復合電源系統(tǒng)的供電能力、效率、經濟性等作為限制條件并運用某種控制算法建立目標函數(shù)，保證混合動力系統(tǒng)在限制條件下完成功率分配。基于規(guī)則的能量管理策略是依據(jù)汽車運行工況特點，如負載大小、車速高低等因素制定規(guī)則確定各個供能源工作狀態(tài)，一般分為確定規(guī)則和模糊規(guī)則策略。

在文獻[2]中，ZHENG C H等利用動態(tài)規(guī)劃和龐特里亞金最小值原理實現(xiàn)混合動力系統(tǒng)能量的優(yōu)化分配。LI H等基于等效燃料消耗最小策略進行混合電源間的能量分配[3]。文獻[4-5]分別基于確定和模糊邏輯規(guī)則對混合動力系統(tǒng)進行功率分配，仿真結果表明設計的能量管理策略達到預期的控制效果。

基于優(yōu)化的能量管理策略由于考慮多項限制因素并結合優(yōu)化算法導致能量管理策略運算復雜，在實車運用上存在困難；基于規(guī)則的能量管理策略主要依賴專家經驗，實現(xiàn)簡單，但是建立的能量管理策略大多忽略了燃料電池的供電能力和工作效率等實際限制因素。

本文提出了一種基于模糊控制的能量管理策略，兼顧了能量管理策略實現(xiàn)的簡單性和燃料電池的供電能力等因素。通過在MATLAB/Simulink中建立的燃料電池混合動力系統(tǒng)模型，將其與一種有限狀態(tài)機策略進行仿真對比分析。

1 燃料電池混合動力系統(tǒng)仿真模型

本文采用的燃料電池混合動力系統(tǒng)的結構為：燃料電池經單向直流-直流升壓變換器與蓄電池組并聯(lián)在母線上，電機由燃料電池混合能量系統(tǒng)聯(lián)合供電。燃料電池和蓄電池的輸出特性受多種因素影響而十分復雜。本文采用了MATLAB/Simulink仿真工具箱中提供的燃料電池和鋰電池模型，可較為準確地描述兩種電源的工作特性。

根據(jù)汽車功率平衡方程式及汽車行駛方程式，可計算得到汽車在行駛過程中的需求功率和需求轉矩：

(1)

(2)

式(1)和式(2)中參數(shù)具體含義可參見文獻[6]。表1為本文采用的混合動力系統(tǒng)的相關參數(shù)。

表1 混合動力系統(tǒng)參數(shù)

2 混合動力系統(tǒng)能量管理策略

2.1 基于模糊控制的能量管理策略

本文提出一種基于模糊控制的燃料電池混合動力系統(tǒng)能量管理策略，其核心思想是：模糊控制器對比需求功率和燃料電池功率，考慮鋰電池SOC的限制條件、輸出燃料電池的參考功率增量。在此，燃料電池參考功率增量可為正值或負值。通過積累燃料電池參考功率增量實現(xiàn)燃料電池參考功率值的逐步變化，進而通過控制器實現(xiàn)燃料電池實際功率與參考功率的追蹤。模糊控制能量管理策略的實現(xiàn)原理如圖1所示。

圖1 基于模糊控制的能量管理原理圖

燃料電池的高效工作功率區(qū)域限制在3kW～25.28kW，燃料電池的最大功率變化率保守地取4kW/s。據(jù)此，設計模糊控制器的隸屬度函數(shù)和模糊規(guī)則列于圖2和表2。

圖2 模糊控制器變量隸屬度函數(shù)

2.2 有限狀態(tài)機能量管理策略

在此建立的有限狀態(tài)機能量管理策略依據(jù)汽車運行過程中的相關參數(shù)，如汽車需求功率、汽車車速、蓄電池SOC及汽車AP值，將汽車行駛過程分為6種工作模式，即：啟動模式、燃料電池模式、蓄電池充電模式、聯(lián)合供電模式、制動模式和停車模式。其中汽車AP值為汽車行駛過程中電機的實際轉矩與可提供的最大轉矩的比值，取值范圍為(-1,1)。6種工作模式的執(zhí)行策略列于表3。

表3中，APT、VT分別為AP值和汽車速度的門限值；PL、PH分別為汽車需求功率的低門限值和高門限值；蓄電池SOC值的低、中、高門限值由SOCL、SOCM、SOCH表示；“+”、“-”號表示電池的放電和充電；“—”表示不考慮此因素。

表2 模糊控制器規(guī)則表

表3 有限狀態(tài)機能量管理策略工作模式劃分規(guī)則

3 能量管理策略仿真分析

利用在MATLAB/Simulink環(huán)境下建立的仿真模型，在LA92循環(huán)工況中對兩種能量管理策略進行仿真分析，仿真結果如圖3所示。

從 圖3(a)中可以看到，燃料電池功率曲線處于連續(xù)變化狀態(tài)，且燃料電池工作在高效區(qū)間范圍內——燃料電池避免了在低功率工況下持續(xù)放電，同時保證其最大供電功率不超過高效區(qū)間允許的最大值。由圖3(b)和圖3(c)中兩種能量管理策略分配的燃料電池功率曲線對比結果表明，模糊控制策略分配的燃料電池曲線更加平滑，避免了燃料電池工作點的突變，保證燃料電池處于限定的供電能力范圍。圖3(d)中，鋰電池在模糊控制策略下的SOC曲線變化也更平滑，反映出模糊控制策略下的鋰電池處于更平穩(wěn)的工作狀態(tài)，有利于延長鋰電池壽命。

4 結語

本文提出的基于模糊控制的燃料電池混合動力系統(tǒng)能量管理策略，實現(xiàn)了燃料電池功率在高效工作區(qū)域和限定的功率變化率下的逐步變化，保證燃料電池處于自身的供電能力范圍內，一定程度上反映了燃料電池真實的動態(tài)反應特性，有望為實際燃料電池汽車混合動力系統(tǒng)能量管理設計提供參考依據(jù)。

圖3 LA92工況下能量管理策略仿真結果