基于自適應控制器的燃料電池汽車能量控制

張佳東

（沈陽化工大學，遼寧沈陽，110142）

0 引言

現如今，石油儲量呈指數下降、化石燃料使用時間短、環境惡化以及由于車輛排放導致的全球變暖問題日益嚴重。因此，汽車行業需要提供零排放、環保的汽車。燃料電池是提供長行駛里程、消除對化石燃料的依賴、在FHEV(Fuel Cell Hybrid Electric Vehicles) 中具有零排放和可忽略噪音的良好選擇[1]。基于燃料電池FHEV的一個重要部分是混合儲能系統，它為車輛的牽引電機供電。由于燃料電池沒有能力利用來自任何其它來源或再生制動的多余功率，因此它不能單獨滿足負載要求[2]。因此提出了對燃料電池、超級電容器和電池混合供能系統的研究。

近幾年，在燃料電池汽車能量控制方面，我國涌現出很多知名學者。徐梁飛[3]等人通過穩定燃料電池效率與損耗，來適用于混合燃料電池和蓄電池電源系統，可以使系統穩定運行，并且使鋰電池穩定在SOC(State of Charge)的正常范圍內運行。胡瑾瑜[4]等人預先設定了最優目標優化混合燃料電池電源系統的每個電源和輔助設備的效率，并使用神經網絡控制方法智能地分配運行功率。曹楠[5]經過多次反復的實驗，提出的策略可以有效的將電池的SOC調整到適當的范圍，減少燃料電池的動態負載，有效提高車輛的經濟性。趙治國[6]運用模型預測原理對混合動力系統進行了動態優化，為了在有限的時間內達到優化節能的目標，優化燃料電池與蓄電池的工作狀態，實現實時控制和滾動優化。然而大多數學者僅在線性領域研究成果斐然，卻忽視了非線性控制對于燃料電池能量控制的重要性。

根據車輛的不同速度曲線，能源完需要滿足不同電壓FHEV的負載需求。所以需要準確調節所需的直流總線電壓，以確保乘坐舒適。FHEV的數學模型是高度動態和非線性的，因此非線性控制器與線性控制相比可以提供更好的解決方案，以適應系統的非線性和參數變化/不確定性。本文設計的基于燃料電池汽車自適應能量控制策略，并在EUDC(European extra Urban Driving Cycle)工況兼具可變負載下進行非線性控制。從而根據對各能源電流跟蹤、對總線電壓跟蹤、行駛速度跟蹤以及魯棒性角度來分析算法的性能。

1 燃料電池汽車能源管理系統

燃料電池汽車作為一種新型二次能源汽車，通過氫氣提供能量，將產生的電力通過DC/DC變換器再提供給電動機。然而傳統的內燃機使用的燃料則是汽油或柴油等這類化石燃料，因此燃料電池提高了能量轉換的效率。

燃料電池汽車具有多種結構。根據能量配置模式的不同，主要可分為以下這幾種：

(1)單純由燃料電池FC(Fuel Cell)供能的燃料電池車輛。

(2)同時由燃料電池和蓄電池Bat (Battery)提供能量的燃料電池車輛。

(3)同時由燃料電池和超級電容提供能量SC(Super-Capacitor)的燃料電池車輛。

(4)兼具燃料電池，蓄電池和超級電容器三者共同供能的配置模式(FC+B+SC)。

本文選用將燃料電池和蓄電池以及超級電容組合的配置模式，因此需要將超級電容器并聯在DC/DC[2]總線上，即燃料電池+蓄電池+超級電容配置的模式。

燃料電池車輛的基本結構包括：輔助電池系統、空氣壓縮機、高壓氧氣儲存罐、燃料電池、能量管理系統和電動機。在運動過程中整車根據運行需求，燃料電池可以直接向發動機或蓄電池供電，或者燃料電池和蓄電池可以同時為發動機提供電能。

為了綜合三種能源優點，避免其劣勢，所以本文選用將燃料電池和蓄電池以及超級電容組合在一起的配置模式，這就需要將超級電容器并聯在DC/DC總線上，即FC+B+SC配置的模式。

這一設計使燃料電池汽車在峰值功率需求時得到充足的電能，需求短時間內充足供能的情況一般為爬坡以及汽車急速加速時。另一優勢在緊急制動時能夠快速吸收峰值電流超將級電容能改善汽車動力性能。

1.1 質子交換膜燃料電池

在本文的實驗中使用的是質子交換膜燃料電池，由于質子交換膜燃料電池的工作溫度相對較低，擁有比功率大和較短的啟動時間等優勢，因此質子交換膜燃料電池(PEMFC)被認為是未來最有希望緩解能源損耗的燃料電池，它將化學能轉化為電能。

1.2 蓄電池系統

蓄電池是以化學能形式存儲電能的設備，蓄電池分為很多種。因為PEMFC的瞬態響應速度不是十分理想，因此在使用PEMFC時需要有一個能夠作為積蓄電能的設備。蓄電池當車減速制動時可以通過其特有的性質回收由制動產生的能量，蓄電池的這一特性可以有效的提高整個能源系統的能源效率。

2 自適應控制器設計

首先引入能源電流和直流總線電壓的跟蹤誤差，e1為燃料電池的跟蹤誤差。由于燃料電池與處于非最小相位的升壓轉換器相連，因此必須跟蹤燃料電池電流而不是升壓轉換器輸出電壓Vout。

然后將能源直流總線電壓和能源電流的宏觀變量設為γ1、γ2和γ3。其中c1、c2、c3和c4是設計的參數并具有正值。并且分別考慮電機d軸轉子磁通和速度跟蹤的宏變量γ4和γ5。

其中c7和c8是設計的參數并具有正值，我們得到以下自適應定律：

其中∈1、∈2和∈3是自適應增益并選取正值，得到直流總線電壓和能源電流的控制律 u1、u23和u45如下：

其中M1是宏變量γ1的收斂速度，控制律u1確保燃料電池電流和直流總線電壓跟蹤到相應的參考值，

其中 M2是宏變量 γ2的收斂速度，控制律u23確保超級電容器電流跟蹤其相應的參考值。

其中M3是宏變量 γ3的收斂速度，控制律u45確保電池電流對其相應的跟蹤參考值。

其中M4和M5是相應終端吸引子的收斂率，并且具有正值。Lyapunov穩定性理論可用于確保系統全局漸近穩定。自適應控制器所用到的參數如表1所示。

表1 自適應控制器參數

收斂率 M1 M2 M3 M4 M5 1e-1 1e-1 1e-1 1e-4 1e-4自適應律 ∈1 ∈2 ∈3 1e-4 1e-4 1e-4

3 結果分析

3.1 各能源電流跟蹤

在能量控制問題中，本章通過引入自適應控制算法，已經能夠基本上跟蹤上各能源電流的參考值，如圖1所示顯示了在加入算法后，各能源電流變化情況。

圖1 (a)(b)(c)為各能源電流跟蹤曲線

從圖1可以看出，在自適應控制算法的控制下，燃料電池電流、超級電容電流以及蓄電池電流基本能夠跟蹤上各自的參考電流。

3.2 直流總線電壓跟蹤

如圖2所示，顯示了在自適應控制算法的能量控制策略下，直流總線電壓能夠基本上跟蹤到400V參考電壓的工作狀態。

圖2 直流總線電壓跟蹤

3.3 電機轉速跟蹤

如上圖3所示，顯示出了在自適應控制算法的能量控制策略下，電機轉速能夠良好地跟蹤上參考速度，有略微較小波動并不明顯，對于本文所提出的控制器來說，自適應控制器的直流母線電壓RMSE(均方根誤差)值為1.5009，電機的速度跟蹤RMSE值為0.0508。表明了在這方面來說，自適應控制表現出了良好地跟蹤特性。

圖3 電機轉速跟蹤