基于提取PMP控制規則的FCHEV能量管理策略

陳鑫 楊繼斌 徐曉惠 袁結

摘 要：針對FCHEV的能量管理問題，提出一種基于提取PMP控制規則的FCHEV能量管理策略。利用PMP優化算法解出的車輛在CHTC_C工況下離線最優控制序列，從最優控制序列中提取控制規則，實現能量管理策略的在線化。在MATLAB/Simulink上建立車輛模型，對所提能量管理策略進行仿真驗證。仿真結果表明：所提能量管理策略能夠較好跟隨離線最優控制，且針對不同工況具有良好的適應性。

關鍵詞：PMP 能量管理策略 FCHEV 經濟性

Abstract：Aiming at the energy management problem of FCHEV， an energy management strategy of FCHEV based on extracting PMP control rules is proposed. PMP optimization algorithm is used to solve the problem of vehicle in CHTC_ C. The control rules are extracted from the optimal control sequence to realize the online implementation of energy management strategy. The vehicle model is built on MATLAB/Simulink to verify the proposed energy management strategy. Simulation results show that the proposed energy management strategy can better follow the off-line optimal control， and has good adaptability for different conditions.

Key words：PMP， energy management strategy， FCHEV， economy

1 引言

為應對能源枯竭和全球溫度不斷升高等問題，交通領域越來越重視新能源汽車的發展[1]。新能源汽車有純電動汽車、油電混合動力汽車（Hybrid Electric Vehicle， HEV）和燃料電池混合動力汽車（Fuel Cell Hybrid Electric Vehicle， FCHEV）等[2]。其中燃料電池（Fuel Cell， FC）具有效率高、排放物只有水等優勢，因此FCHEV作為作為緩解能源枯竭和全球溫度升高的重要途經。FCHEV有FC和動力電池兩個能量源，因此需要對能量進行合理分配。目前能量管理策略主要分為基于規則的方法和基于優化的方法[3，4]，基于規則的方法在線實現較容易，控制結果難以達到最優[5]。基于優化的方法可達到理論最優的控制效果，但難以實現在線控制[6]。綜合基于規則和基于優化方法的優缺點，可使用基于優化的最優控制結果來提取控制規則，以實現能量管理的在線運用和跟隨離線最優控制。

本文以燃料電池混合動力汽車為研究對象，首先運用龐特里亞金極小值原理（Pontryagins Minimum Principle， PMP），設計了離線的燃料電池混合動力汽車能量管理策略，從而得到車輛該工況下的最優控制序列;其次從最優控制序列中提取控制規則，得出可在線運用的能量管理策略;最后在MATLAB/Simulink上搭建整車及能量管理策略控制模型，對所提能量管理策略進行仿真驗證。

2 車輛結構及模型的建立

圖1所示為車輛動力系統結構圖，由動力電池和燃料電池組成車輛的混合動力源;燃料電池消耗氫氣產生電能，為系統提供能量;動力電池為系統提供電能以及吸收車輛制動能量。

2.1 燃料電池模型

FC電壓采用半經驗模型模型建立，電池電壓由式（1）計算：

式中：為開環電路電壓;為活化損失電壓;為歐姆損失電壓;為濃差損失電壓。由此建立起的燃料模型仿真結果與實際燃料電池輸出對比如圖2所示，由圖可見模型準確性良好。

2.2 動力電池模型

考慮到PMP算法的限制，動力電池模型不應過于復雜，因此動力電池模型采用內阻模型，電池功率及電池荷電狀態計算如下：

式中：是開路電壓;是電流;是內阻;為開始時間;為終止時間;為額定容量。圖3是動力電池模型仿真結果與實際對比圖，由圖可見模型精度較高。

2.3 車輛其它部件模型

依據實驗數據建立電機控制器及驅動電機模型，通過對電機進行試驗，得出電機及其控制器效率MAP圖。依據效率MAP圖，以電機轉速和轉矩為輸入，以效率值為輸出，建立電機控制器及驅動電機模型。

主減速器采用效率模型，以固定效率值傳動。

3 PMP算法求解最優控制

能量管理是設計一種規則對多個能量源分配各自的輸出功率，即將系統需求功率分配給兩個能量源，動力電池功率和燃料電池功率，關系如式（4）所示。能量管理的要求是在滿足車輛動力性的條件下，盡量減小燃料的消耗量，達到最佳經濟效果。

3.1 基于PMP的能量管理最優控制

PMP算法可用于求解燃料消耗最少時最優控制軌跡，并且滿足系統約束條件。在能量管理問題中應用PMP算法，以燃料消耗量為目標函數，動力電池功率為控制變量;求解在燃料電池與動力電池功率輸出能力范圍內，燃料消耗最少時動力電池功率最優序列。依據PMP算法原理，在中國普通客車行駛工況（CHTC_C）下求得最優控制序列如圖2所示。由圖4中動力電池荷電狀態曲線可見，該離線策略能夠良好地維持動力電池荷電狀態，此時氫氣的消耗量為1042.42g。

4 最優控制規則的提取

圖5是在不同需求功率下動力電池功率的輸出情況圖，從圖中可見隨需求功率的增加，動力電池功率也呈現增加趨勢，且有較強相關性，因此可采用擬合的方法對需求功率與動力電池輸出功率進行擬合，擬合曲線見圖3，擬合表達式見式（5）。

動力電池在系統中需要起到回收制動能量的作用，在需求功率小于0時，動力電池功率因等于需求功率，因此表達式應修正為：

5 仿真結果與分析

為便于對比分析，仿真增加一種測試工況用于驗證能量管理的適應性。選擇CHTC_LT作為對比測試工況，CHTC_LT與CHTC_C有相似的速度分布，均包含城市、城郊和高速三種速度，能夠良好地模擬車輛日常使用工況。CHTC_C工況仿真結果如圖6所示;CHTC_LT工況仿真結果如圖7所示。

表1為仿真結果對比表，可見本文策略能夠較好地模擬出最優控制，動力電池SOC得到了良好地維持;在CHTC_C工況下氫氣消耗量本文策略有所減少，是因為本文策略較PMP策略使用電池能量更多。在CHTC_LT工況下，SOC也能夠得到一定地維持，因此本文策略有較好的通用性;CHTC_LT工況下氫氣消耗量明顯低于CHTC_C工況，是因為CHTC_LT工況平均速度較CHTC_C工況更小。

6 結論

本文針對某款燃料電池混合動力汽車，提出一種基于提取PMP控制規則的FCHEV能量管理策略;首先運用PMP算法求解出最優控制序列;其次從最優控制序列中提取出控制規則，實現離線最優控制的在線化;最后設置不同條件的仿真對比，結果表明：本文策略能夠較好地跟隨最優經濟性，且在不同工況下也有良好的適應性。

基金項目：1、成都市重大科技創新（2019-YF08-00003-GX）;2、四川省科技廳重大專項（2019ZDZX0002）。

參考文獻：

[1]彭華. 中國新能源汽車產業發展及空間布局研究[D]. 吉林大學，2019.

[2]馬建，劉曉東，陳軼嵩，等. 中國新能源汽車產業與技術發展現狀及對策[J]. 中國公路學報，2018（8）：1-19.

[3]武小花，鄒佩佩，傅家豪，等. 燃料電池電動汽車動力系統能量管理策略研究進展[J]. 西華大學學報（自然科學版），2020，39（04）：89-96.

[4]張晗，楊繼斌，張繼業，等. 燃料電池有軌電車能量管理Pareto多目標優化[J]. 自動化學報，2019，45（12）：2378-2392.

[5]劉楠，于博軒，郭愛，等. 燃料電池混合動力的功率跟隨管理策略分析[J]. 西南交通大學學報，2020，55（06）：1147-1154.

[6]洪志湖，李奇，陳維榮. 基于PMP的機車用燃料電池混合動力系統能量管理策略[J]. 中國電機工程學報，2019，39（13）：3867-3879.

作者簡介

陳鑫：（1997—），男，四川人，碩士研究生。研究方向：燃料電池混合動力汽車能量管理。