模糊邏輯的增程式燃料電池SUV能量管理策略研究

賈和坤，唐捷旭，陳金柯，孫 閆，解 玄，張 超

(1.江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.弗爾賽能源科技股份有限公司，江蘇 蘇州 215000)

污染物排放、石油資源匱乏、振動(dòng)噪聲問題是目前制約傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)(ICE)汽車發(fā)展的主要障礙[1-3]。2019年7月起，國家第6階段機(jī)動(dòng)車污染物排放標(biāo)準(zhǔn)開始在各地實(shí)施，傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車的發(fā)展面臨著巨大的挑戰(zhàn)。近年來，國家大力支持新能源產(chǎn)業(yè)，越來越多的新能源汽車投入量產(chǎn)并實(shí)現(xiàn)市場化。其中純電動(dòng)汽車(BEV)有著無污染、低噪聲的優(yōu)勢，具有良好的發(fā)展前景。但相較于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車，純電動(dòng)汽車具有續(xù)駛里程短、充電難等問題，在一定程度上限制了其自身的發(fā)展[4-5]。增程式混合動(dòng)力系統(tǒng)的提出較好地解決了純電動(dòng)汽車?yán)锍探箲]問題。通常，發(fā)動(dòng)機(jī)作為增程器能夠在功率需求較小時(shí)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)工作，提供電能驅(qū)動(dòng)電機(jī)，并給電池充電，保障SOC的動(dòng)態(tài)平衡，而與此同時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)存在不可避免的污染物排放與噪音振動(dòng)的問題[6-7]。為了同時(shí)兼具純電動(dòng)汽車零污染、低噪聲與傳統(tǒng)內(nèi)燃汽機(jī)車長續(xù)航的優(yōu)勢，以燃料電池作為增程器的增程式燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)(FC-REEV)被認(rèn)為是一種極具發(fā)展前景的解決方案[8]。

增程式燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)是一種串聯(lián)式的高效動(dòng)力系統(tǒng)。動(dòng)力電池作為主要?jiǎng)恿υ闯休d大部分的功率，同時(shí)燃料電池作為輔助動(dòng)力源提供額外的能量補(bǔ)充，增加整車?yán)m(xù)駛里程[9-11]。該混合模式下燃料電池功率較小，對(duì)整車的經(jīng)濟(jì)性有利。另外，在需求功率較低的情況下，動(dòng)力電池可儲(chǔ)存富余的能量，SOC可以長時(shí)間平衡在最優(yōu)點(diǎn)，避免深度充放電，有利于改善電池的使用壽命。

能量管理策略的合理設(shè)計(jì)是混合動(dòng)力系統(tǒng)高效運(yùn)行的前提與保障。對(duì)于增程式混合動(dòng)力系統(tǒng)亦是如此[12-14]。基于規(guī)則的開關(guān)控制策略即恒溫器控制策略(TCS)是一種在增程混動(dòng)系統(tǒng)中應(yīng)用較為廣泛的能量管理策略[15]。其本質(zhì)為在駕駛循環(huán)初期采用純電動(dòng)模式，當(dāng)SOC低于某一限值時(shí)(通常在20%左右)開啟增程器為電池充電。但這種策略存在著較為明顯的問題：由于電池?zé)o法同時(shí)充放電，因此當(dāng)SOC較低、同時(shí)外界功率需求較大時(shí)，電池SOC難以及時(shí)補(bǔ)充，對(duì)電池耐久性不利。

為此，應(yīng)天杏等[16]以預(yù)測整車功率需求為研究對(duì)象，提出了一種基于功率需求預(yù)測的自適應(yīng)能量管理策略，結(jié)合最優(yōu)控制規(guī)律以及工況SOC線性參考軌跡，優(yōu)化了策略預(yù)測誤差。Chen等[17]基于動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法，以優(yōu)化電池使用壽命及電量消耗為導(dǎo)向，提出了一種多模式切換的開關(guān)控制策略。結(jié)果表明：動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法在電池壽命優(yōu)化方面有著積極的作用。Hwang等[18]利用模糊算法(Fuzzy Logic)改善了系統(tǒng)SOC快速損耗問題，提升了車輛續(xù)駛里程。上述基于預(yù)測方法的自適應(yīng)能量管理策略雖然一定程度上從全局角度優(yōu)化了SOC軌跡，但對(duì)于燃料電池在各狀態(tài)下實(shí)時(shí)效率最優(yōu)化缺乏細(xì)致探討。Chen與Hwang通過優(yōu)化SOC狀態(tài)改善了開關(guān)控制策略存在的問題，但缺乏對(duì)增程器工作效率的深入研究。

因此，本文針對(duì)增程式燃料電池混合動(dòng)力SUV，以優(yōu)化燃料電池工作效率、電池充放電狀態(tài)以及續(xù)駛里程為目標(biāo)，開展能量管理設(shè)計(jì)及優(yōu)化研究，設(shè)計(jì)了一種基于模糊控制的開關(guān)控制策略(FTCS)。并基于Matlab/Simulink與Simcenter AMESim聯(lián)合仿真平臺(tái)進(jìn)行整車動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性及部件性能仿真，驗(yàn)證了該策略的可行性及在FC效率與里程優(yōu)化方面的效果。

1 動(dòng)力系統(tǒng)及部件建模

1.1 動(dòng)力系統(tǒng)模型

對(duì)于增程式燃料電池混合動(dòng)力SUV，為了更好地實(shí)現(xiàn)燃料電池與動(dòng)力電池之間的耦合與功率分配，需要對(duì)整車混合動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行建模分析。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

燃料電池系統(tǒng)經(jīng)過單向DC/DC變換器后與能量管理系統(tǒng)(EMS)連接并進(jìn)行通訊。動(dòng)力電池經(jīng)過雙向DC/DC變換器后與EMS相連并實(shí)現(xiàn)通訊。整車控制器VCU根據(jù)駕駛員踏板信息(駕駛員需求)以及當(dāng)前車速計(jì)算出需求扭矩信號(hào)發(fā)送給驅(qū)動(dòng)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)根據(jù)需求扭矩信號(hào)以及當(dāng)前電壓平臺(tái)信息與當(dāng)前轉(zhuǎn)速計(jì)算出需求電流信號(hào)并發(fā)送給EMS，最終EMS對(duì)需求電流信號(hào)解耦并按策略進(jìn)行分配，實(shí)現(xiàn)整車功率分配控制。表1列出了整車參數(shù)。

整車功率需求根據(jù)牽引力與當(dāng)前車速計(jì)算：

(1)

Preq=F·V

(2)

式中：F為車輛動(dòng)力系統(tǒng)作用驅(qū)動(dòng)輪上的驅(qū)動(dòng)力(牽引力)(N)；m為整車總質(zhì)量(kg)，包括整備質(zhì)量以及駕駛員與乘客質(zhì)量；g=9.81 m/s2為重力常數(shù)；Cr為滾動(dòng)阻力系數(shù)；θ為坡道傾斜角(°)；CD為空氣阻力系數(shù)；A為迎風(fēng)面積(m2)；δm為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量系數(shù)；ρ為空氣密度(kg/m3)；V為車速(m/s)；a為車輛加速度(m/s2)；Preq為整車功率需求(W)。

表1 整車參數(shù)

電機(jī)通過需求扭矩與當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn)速以及電壓平臺(tái)信息計(jì)算出需求電流：

(3)

式中：Ireq為需求電流(A)；Ncom為VCU扭矩命令(N)；Vmot為電機(jī)轉(zhuǎn)速(r/min)；Plost為電機(jī)功率損失(W)；U為電機(jī)電壓(V)。

基于Simcenter AMESim多功能綜合仿真平臺(tái)建立增程式燃料電池SUV整車模型，如圖2所示。

圖2 AMESim整車仿真模型示意圖

1.2 燃料電池模型

如前文所述，燃料電池在運(yùn)行過程中變載適應(yīng)性差，啟停延時(shí)長。同時(shí)，電堆工作效率隨功率變化較為明顯，特別是在低負(fù)荷工況下，燃料電池效率突變更加明顯[19]。因此，燃料電池系統(tǒng)的建模分析是能量管理策略中性能與效率優(yōu)化的前提。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與對(duì)以往研究的分析，建立如下燃料電池?cái)?shù)學(xué)模型：

Pfc=P-Pohmic-Pact-pconc-Pacc

(4)

式中：Pfc為燃料電池系統(tǒng)輸出功率(W)；P為電堆理論功率；Pohmic為歐姆損失功率；Pact為活化損失功率；Pconc為濃度損失功率；Pacc為系統(tǒng)附件消耗的功率。

(5)

式中：mfc為系統(tǒng)瞬時(shí)氫氣消耗速率(g/s)；N為電堆單電池?cái)?shù)量；Ifc為系統(tǒng)輸出電流(A)；MH2為氫氣摩爾質(zhì)量(g/mol)；F為法拉第常數(shù)。

(6)

式中：ηfc表示燃料電池工作效率; LHVH2表示氫氣低熱值(kJ/kg)。

燃料電池系統(tǒng)伏安特性曲線、氫氣消耗曲線以及工作效率曲線如圖3，燃料電池系統(tǒng)各參數(shù)數(shù)值如表2所示。

圖3 燃料電池工作特性曲線

表2 燃料電池參數(shù)

2 能量管理策略

2.1 策略規(guī)則

增程式燃料電池混合動(dòng)力SUV需要滿足城市工況、城郊工況以及長途工況等常見的汽車運(yùn)行工況，續(xù)駛里程、電池耐久性及穩(wěn)定性是策略需要重點(diǎn)考慮的問題。同時(shí)，考慮到燃料電池自身的運(yùn)行局限性如變載響應(yīng)慢、啟停延時(shí)長等，能量管理策略在設(shè)計(jì)時(shí)需要充分考慮燃料電池的工作狀態(tài)。另外，由于動(dòng)力電池耐久性受其充放電速率影響明顯，因此，控制策略需針對(duì)整車在運(yùn)行過程中電池充放電狀態(tài)進(jìn)行優(yōu)化。

基于以上分析，根據(jù)整車運(yùn)行過程中的功率需求以及SOC，將策略劃分為4種工作狀態(tài)，分別為純電動(dòng)、混合驅(qū)動(dòng)、增程驅(qū)動(dòng)以及制動(dòng)能量回收。各狀態(tài)下的能量流情況如圖4所示。

圖5為控制策略框圖，其中，SOChigh與SOClow分別表示動(dòng)力電池最佳狀態(tài)SOC區(qū)間上下限，SOCint表示模式再切換回純電動(dòng)時(shí)的SOC狀態(tài)條件；Ifc表示燃料電池輸出電流，其大小由模糊控制器決定；Ibat表示電池輸出電流；Ipow表示燃料電池最大功率電流；Ireq表示電機(jī)需求電流；H2表示系統(tǒng)氫氣消耗量；H2_con表示系統(tǒng)氫氣總量。

2.2 模糊邏輯

對(duì)于一些復(fù)雜被控對(duì)象，系統(tǒng)中某些控制變量往往是不容易量化的，運(yùn)用常規(guī)的控制方法不易對(duì)其進(jìn)行精準(zhǔn)控制。因此，將系統(tǒng)精確量模糊化，利用專家經(jīng)驗(yàn)知識(shí)進(jìn)行非線性控制的模糊邏輯，為復(fù)雜多變的控制環(huán)境提供一種較好的解決思路。利用模糊控制對(duì)燃料電池系統(tǒng)輸出電流Ifc進(jìn)行控制，結(jié)合動(dòng)力電池SOC與驅(qū)動(dòng)電機(jī)電流需求Ireq，對(duì)燃料電池工作效率進(jìn)行優(yōu)化。模糊控制原理如圖6所示。

圖6 模糊控制原理示意圖

利用Matlab中的Fuzzy Logic工具箱，對(duì)模糊控制器進(jìn)行定義，采用適應(yīng)性較好的三角形隸屬度函數(shù)。輸入為電機(jī)電流需求，論域?yàn)閇-60，140]，包括有4個(gè)模糊子集，分別為{NB，NS，PS，PB}；輸入?yún)?shù)SOC論域?yàn)閇0.1，1]，包括5個(gè)模糊子集，分別為{PVS，PS，PM，PB，PVB}；模糊控制輸出量為燃料電池輸出電流，其論域選取的是燃料電池系統(tǒng)高效區(qū)間，如圖7所示。論域?yàn)閇40，150]，包括5個(gè)模糊子集，分別為{NVS，NS，NM，NB，NVB}。

圖7 高效區(qū)燃料電池系統(tǒng)效率曲線

模糊規(guī)則方面，遵循增程式燃料電池混合動(dòng)力SUV的運(yùn)行特點(diǎn)，在混合驅(qū)動(dòng)模式下，動(dòng)力電池將提供大部分的功率輸出。當(dāng)SOC較低、需求電流較大時(shí)，燃料電池系統(tǒng)以較大的功率輸出為電池充電；當(dāng)SOC較高、需求電流較低時(shí)，燃料電池系統(tǒng)輸出功率應(yīng)較小，防止過度充電。據(jù)此制定模糊控制規(guī)則(表3)。圖8則展示了模糊控制規(guī)則。

表3 模糊控制規(guī)則

圖8 模糊控制規(guī)則示意圖

3 仿真與分析

采用基于AME2SL方式的聯(lián)合仿真方法，即在AMESim中建立整車模型及控制器接口，并將模型接入Simulink中進(jìn)行控制器邏輯編輯設(shè)計(jì)，進(jìn)而同步進(jìn)行仿真運(yùn)算。采用一種前向仿真方法驗(yàn)證動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性以及在混合驅(qū)動(dòng)模式下燃料電池運(yùn)行特性與電池充放電狀態(tài)。聯(lián)合仿真界面如圖9所示。動(dòng)力性驗(yàn)證一方面可以保障整車在大負(fù)荷工況下穩(wěn)定工作，另一方面衡量車輛運(yùn)行的可靠性。經(jīng)濟(jì)性主要針對(duì)整車在各標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)工況下的續(xù)駛里程情況。

圖9 聯(lián)合仿真平臺(tái)示意圖

3.1 動(dòng)力性仿真

在AMESim整車模型中設(shè)置將VCU接收的駕駛員踏板信息分別改為：制動(dòng)踏板信號(hào)0，加速踏板信號(hào)1，擋位設(shè)置為前進(jìn)擋，即加速踏板踩到底，松開制動(dòng)踏板。圖10(b)(c)為百公里加速與最高車速結(jié)果。結(jié)果顯示：百公里加速時(shí)間為6.1 s，整車最高車速為212 km/h。

對(duì)于整車爬坡性能仿真，采用4%、12%爬坡車速衡量。在整車模型環(huán)境特征模塊，分別賦予整車4%、12%的道路坡度。駕駛員加速踏板全開，車輛持續(xù)加速至車速穩(wěn)定，該穩(wěn)定車速對(duì)應(yīng)了當(dāng)前坡度下的爬坡車速。爬坡車速仿真結(jié)果如圖11所示。4%、12%爬坡車速分別為194.6、161.2 km/h。

圖10 百公里加速與最高車速仿真結(jié)果

圖11 爬坡車速仿真結(jié)果

各項(xiàng)動(dòng)力性仿真結(jié)果均能夠滿足整車預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)。

3.2 儲(chǔ)能部件性能仿真

本文中設(shè)計(jì)的基于模糊邏輯的開關(guān)控制策略(FTCS)能夠優(yōu)化燃料電池系統(tǒng)的工作效率與電池充放電狀態(tài)。對(duì)于燃料電池，系統(tǒng)開啟工作時(shí)，根據(jù)效率MAP圖，盡可能工作在最佳效率點(diǎn)。對(duì)于動(dòng)力電池，充放電狀態(tài)的優(yōu)化體現(xiàn)在SOC曲線上升及下降的斜率，對(duì)應(yīng)了充放電的速率。FTCS有效地降低了電池瞬時(shí)放電深度，避免了過大的充放電電流，對(duì)提升動(dòng)力電池的使用壽命有著積極的作用。具體地，將在NEDC、WLTC以及CLTC-P(中國工況輕型汽車乘用車部分)3種標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)工況下，對(duì)比FTCS、TCS在混合動(dòng)力模式下SOC變化情況以及燃料電池工作效率。

在3種標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)工況條件下，對(duì)比FTCS、TCS在混合動(dòng)力模式過程中SOC變化趨勢。設(shè)置初始SOC為60%，仿真結(jié)果如圖12所示?？梢钥闯?，F(xiàn)TCS在3種標(biāo)準(zhǔn)工況下的SOC曲線上升和下降趨勢均較為平滑，這表明電池瞬時(shí)充放電速率較低，有利于電池耐久性的提升。

圖12 各工況下電池SOC變化趨勢

同步地，對(duì)比燃料電池在各個(gè)仿真工況中功率變化以及效率。其中，模糊控制器在增程器開啟期間對(duì)其輸出電流進(jìn)行控制，如圖13所示，在總氫氣全部消耗的前提下，F(xiàn)TCS策略中燃料電池能夠?qū)ν廨敵龈嗄芰?面積部分表示)，同時(shí)擁有更高的效率。圖中，F(xiàn)TCS在3種工況中能夠?qū)崟r(shí)調(diào)節(jié)燃料電池工作狀態(tài)，使其工作效率在高效區(qū)(≥50%)動(dòng)態(tài)波動(dòng)。TCS中設(shè)置燃料電池輸出電流為高效區(qū)間最大電流(254 A)，以保證在增程器開啟后電池SOC能夠得到及時(shí)補(bǔ)充。從圖中也可以看出，TCS平均效率低于FTCS。

圖13 各工況下燃料電池效率及功率情況

3.3 續(xù)駛里程仿真

續(xù)駛里程仿真主要考察整車能量消耗率。分析了續(xù)駛里程仿真在3種標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)工況時(shí)FTCS、TCS的續(xù)駛里程。仿真設(shè)置動(dòng)力電池電芯額定電壓3.65 V，額定容量55 Ah，PUCK結(jié)構(gòu)為100串2并。設(shè)置初始SOC值為100%，放電截止SOC為10%。氫氣總量1.6 kg，續(xù)駛里程仿真結(jié)果如圖14所示。

圖14 續(xù)駛里程仿真結(jié)果

NEDC循環(huán)工況下，TCS續(xù)駛里程381.694 km，F(xiàn)TCS為400.776 km；WLTC循環(huán)工況下，TCS續(xù)駛里程334.756 km，F(xiàn)TCS為 351.745 km；CLTC-P循環(huán)工況下，TCS、FTCS續(xù)駛里程分別為 399.803、418.655 km。

4 結(jié)論

1) 以增程式燃料電池混合動(dòng)力SUV為研究對(duì)象，結(jié)合模糊邏輯對(duì)TCS進(jìn)行優(yōu)化。以優(yōu)化電池充放電狀態(tài)、FC工作效率及整車?yán)m(xù)駛里程為目標(biāo)，基于Simulink/AMESim聯(lián)合仿真平臺(tái)搭建了整車及EMS模型。采用一種前向能量流仿真方法，對(duì)比分析了TCS與FTCS在充放電狀態(tài)、 FC工作效率及續(xù)駛里程方面的結(jié)果。

2) 在滿足動(dòng)力性指標(biāo)的前提下，F(xiàn)TCS在NEDC、WLTC以及CLTC-P3種標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)工況中均能夠有效改善電池充放電狀態(tài)，提升FC工作效率，增加續(xù)駛里程。其中，電池SOC在增程器開啟期間上升下降更加平滑，有利于電池壽命改善；FC工作效率在工況下平均優(yōu)化15.6%；整車?yán)m(xù)駛里程分別增加4.99%、5.08%、4.72%。