基于自適應(yīng)模糊控制的超級電容燃料電池車能量管理策略

汪夢遠(yuǎn) 劉雙翼

(1.中國科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院，重慶 400714；2.中國科學(xué)院大學(xué)重慶學(xué)院，重慶 400714)

0 前言

燃料電池車具有清潔無污染、噪聲低、效率高等優(yōu)點(diǎn)，是新能源汽車行業(yè)重點(diǎn)研發(fā)方向之一。但燃料電池存在動態(tài)輸出響應(yīng)較慢且無法回收能量等缺陷，需要引入儲能系統(tǒng)進(jìn)行能量補(bǔ)償。常用的儲能系統(tǒng)包括鋰離子電池和超級電容。雖然鋰電池的能量密度較高，但用在補(bǔ)充燃料電池功率方面還存在響應(yīng)慢、操作溫區(qū)窄等問題，其性能遠(yuǎn)不如超級電容。超級電容具備功率高、響應(yīng)快、溫區(qū)寬、壽命長和安全性高等特點(diǎn)，可以滿足燃料電池儲能系統(tǒng)的需求。

能量管理策略是燃料電池車的關(guān)鍵技術(shù)。能量模糊控制具有設(shè)計(jì)較為簡單，對被控對象精度要求不高，且魯棒性強(qiáng)的特點(diǎn)，但同時也存在控制精度低，需依賴專家的知識和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行分析判斷等弊端。針對模糊控制存在的問題，可以將其與其他控制方法相結(jié)合，形成切實(shí)可行的解決方案。Li 等將模糊控制與小波變換分析方法相結(jié)合，將需求功率分為低頻部分與高頻部分來設(shè)計(jì)模糊控制器參數(shù)，以減少功率波動對燃料電池的損耗；Caux等使用遺傳算法對模糊推理系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，根據(jù)負(fù)載需求對模糊控制器參數(shù)進(jìn)行了微調(diào)。上述方法均取得了一定的成效，但這些解決方案僅從模糊控制器參數(shù)的角度出發(fā)對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，因此具有一定的技術(shù)局限性。

本研究提出了一種間接自適應(yīng)模糊控制器，利用模糊控制器調(diào)節(jié)自適應(yīng)參數(shù)，引入最小二乘卷積擬合算法(Savitzky-Golay)濾波器來減少輸出功率的波動。基于美國城市循環(huán)工況(UDDS)，通過建模對比了Savitzky-Golay濾波自適應(yīng)模糊控制器與單模糊控制器的控制效果，證明了本研究提出的能量管理策略更為高效和更具適用性。

1 系統(tǒng)與模型

1.1 動力源結(jié)構(gòu)

本研究使用了燃料電池與超級電容并聯(lián)的動力系統(tǒng)。在該動力系統(tǒng)中，燃料電池提供主要動力，保持持續(xù)穩(wěn)定的輸出；超級電容則作為輔助能量源，提供峰值動力，使響應(yīng)更為迅速。兩者分別通過直流轉(zhuǎn)換器(DC-DC)相連來調(diào)節(jié)功率，并接入直流母線驅(qū)動電機(jī)，將能量傳遞到動力系統(tǒng)。

基于高級車輛仿真器(ADVISOR)平臺，搭建了燃料電池與超級電容混合動力車仿真模型，并使用該軟件提供的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了分析。軟件提供的相關(guān)參數(shù)分別為：燃料電池的峰值功率為50 kW，額定功率為35 kW；超級電容組的儲存能量為244.8 W·h，最大電壓為216 V；整車整備質(zhì)量為1 360 kg。

1.2 燃料電池模型

燃料電池使用質(zhì)子交換膜燃料電池電堆，電堆由多個單體電池以串聯(lián)的形式堆疊而成。燃料電池效率的計(jì)算公式為：

(1)

式中，為電堆輸出功率，單位kW；H為氫氣平均質(zhì)量消耗速率，單位g/s；LHV為氫氣低熱值，單位J/kg。

燃料電池系統(tǒng)輸出效率的計(jì)算表達(dá)式為：

(2)

式中，為燃料電池系統(tǒng)輸出功率，單位kW；為電堆輸出功率，單位kW；為輔助系統(tǒng)消耗功率，單位kW。

燃料電池功率與效率的關(guān)系如圖1所示。

圖1 燃料電池系統(tǒng)功率-效率曲線

1.3 超級電容模型

超級電容采用RC等效電路模型，其中，超級電容的輸出電壓的計(jì)算表達(dá)式為：

(3)

式中，為電容電阻，單位Ω；為零位電阻，單位Ω；為靜止電容器的端電壓，單位V；為動態(tài)電容器的端電壓，單位V；為終端電阻，單位Ω。

超級電容等效RC電路簡化電路形式的模型如圖2所示，其中，為靜止電容器；為動態(tài)電容器。

圖2 超級電容等效RC電路簡化電路形式的模型

1.4 負(fù)載模型

負(fù)載可看作理想可控電流源，通過電感可描述負(fù)載的動態(tài)特性，表達(dá)感性不確定因素。電感可表示為關(guān)于時間的函數(shù)：

(4)

式中，()為負(fù)載實(shí)際電流，單位A；為負(fù)載內(nèi)阻，常量，單位Ω；為電流源內(nèi)部電流，單位A；為超級電容輸出電壓，單位V。

2 單模糊邏輯控制策略

模糊邏輯控制是一種將專家經(jīng)驗(yàn)表示為語言規(guī)則，并將其轉(zhuǎn)化為自動的控制行為，利用語言控制規(guī)則實(shí)現(xiàn)狀態(tài)變量與作用變量之間的邏輯轉(zhuǎn)換。

模糊控制器以負(fù)載需求功率和載電量為輸入信號，以燃料電池輸出功率與需求功率的比值為輸出信號。通過比例因子計(jì)算，設(shè)置變量的模糊論域?yàn)椤蔥0，1]，∈[0，1]，∈[0，1]。以VL、ML、L、M、H、MH、VH分別表示很低，中低，低，中，中高，高，很高的狀態(tài)。以上3種參數(shù)的隸屬度函數(shù)具體如圖3所示。

圖3 Preq、QSOC與KFC的隸屬函數(shù)

因此，模糊控制規(guī)則總結(jié)為：當(dāng)負(fù)載需求功率較大且較大時，可降低燃料電池的輸出功率，反之當(dāng)需求功率較小且較小時，使燃料電池承擔(dān)主要功率輸出元件。模糊控制器狀態(tài)規(guī)則的分類如表1所示。

表1 模糊控制器狀態(tài)規(guī)則分類

3 自適應(yīng)模糊控制策略

模糊邏輯控制需要更為精確的專家經(jīng)驗(yàn)提高精準(zhǔn)度。自適應(yīng)控制指通過學(xué)習(xí)被控對象信息，能夠不斷改進(jìn)與完善控制作用。考慮到模糊控制器的局限性，本文選取間接自適應(yīng)模糊控制策略，將自適應(yīng)控制與模糊控制進(jìn)行結(jié)合。

3.1 設(shè)計(jì)思路

具體設(shè)計(jì)步驟如下：① 設(shè)計(jì)自適應(yīng)控制器，得到反映燃料電池輸出功率對負(fù)載需求功率靈敏度的參數(shù)；② 設(shè)計(jì)模糊控制器，調(diào)節(jié)不同工作狀態(tài)下的值，實(shí)現(xiàn)燃料電池與超容之間合理的能量分配；③ 加入濾波器，利用Savitzky-Golay濾波器對燃料電池輸出功率進(jìn)行平滑處理。

3.2 自適應(yīng)控制器

燃料電池、超級電容和負(fù)載的需求功率的計(jì)算表達(dá)式為：

(5)

將燃料電池輸出功率作為該系統(tǒng)唯一控制輸入，自適應(yīng)控制器的控制輸出值()設(shè)計(jì)表達(dá)式為：

(6)

對負(fù)載電流設(shè)計(jì)了自適應(yīng)律，其具體表達(dá)式如下：

(7)

其中，

(8)

(9)

3.3 自適應(yīng)模糊控制器

圖4 和μ的隸屬度函數(shù)

車輛運(yùn)行時的狀態(tài)可分為：① 制動狀態(tài)。由超級電容進(jìn)行能量回收，燃料電池低功率輸出。② 正常行駛狀態(tài)。燃料電池為主能量源，超級電容回收超出負(fù)載功率的部分。③ 過載狀態(tài)。燃料電池額定功率運(yùn)行，超級電容提供峰值功率。

模糊控制規(guī)則總結(jié)為：① 制動狀態(tài)。值較小時，盡可能多的回收能量，并降低值。② 正常駕駛狀態(tài)。燃料電池對負(fù)載變化的敏感度可適當(dāng)增大。③ 過載狀態(tài)。值減小，避免損耗燃料電池。模糊控制器的控制規(guī)則見表2。

表2 模糊控制器規(guī)則

4 結(jié)果分析

本研究在UDDS工況下進(jìn)行仿真測試，將單模糊控制策略(以下簡稱為“策略一”)與自適應(yīng)模糊控制配合Savitzky-Golay濾波器策略(以下簡稱為“策略二”)分別應(yīng)用于燃料電池車用能量管理。

4.1 整車動力性

車速跟隨曲線如圖5所示。在策略一中，因峰值功率提供不足及制動能量回收不足，導(dǎo)致車速無法完全跟隨。在策略二中，實(shí)際車速與需求車速的曲線完全重合，表明實(shí)際車速能夠完全跟隨需求車速。相對于策略一，該策略的整車動力性表現(xiàn)更佳。

圖5 車速跟隨曲線

通過動力性能仿真測試，可得到以下結(jié)論：在策略一中，當(dāng)車速從零加速到100 km/h時，其加速時間為17.2 s，車速在30 km/h時的最大爬坡度為30.10°；在策略二中，車速從零加速到100 km/h時，其加速時間為13.9 s，車速在30 km/h時的最大爬坡度為31.28°。與策略一相比，策略二的加速時間縮短了19.19%，在車速在30 km/h時的最大爬坡度提高了15.42%。

4.2 燃料電池功效

燃料電池與超級電容的輸出功率如圖6所示。超級電容在加速過程中提供了峰值功率，在減速制動階段回收能量進(jìn)行充電。策略一的燃料電池輸出功率曲線波動明顯，策略二的燃料電池輸出功率曲線波動總體較為平穩(wěn)。在制動狀態(tài)下，超級電容回收能量進(jìn)行充電。在正常行駛狀態(tài)下，策略二的輸出功率較為平滑；在過載狀態(tài)下，則由超級電容提供峰值功率，與燃料電池共同為車輛提供能量。

圖6 燃料電池與超級電容輸出功率曲線

由于策略二可將工況細(xì)分為制動、正常及過載等不同狀態(tài)，同時通過調(diào)整超級電容的輸出功率，避免燃料電池的輸出功率出現(xiàn)劇烈波動。由以上測試結(jié)果可知，策略一的燃料電池系統(tǒng)平均效率為51.89%，策略二的燃料電池系統(tǒng)平均效率為54.92%。因此，策略二能夠更好地分配燃料電池與超級電容之間的功率輸出，改善系統(tǒng)的總體效率。

4.3 燃油經(jīng)濟(jì)性

在UDDS工況下，策略一的等效燃油消耗量為每百公里5.5 L，策略二的等效燃油消耗量為每百公里4.8 L。與策略一相比，策略二的等效燃油消耗量降低了12.73%。策略二充分利用超級電容回收能量的特點(diǎn)，減少了能量損耗，提高了能量利用率，實(shí)現(xiàn)了更優(yōu)的燃料經(jīng)濟(jì)性。

5 結(jié)果與討論

與策略一相比，策略二在整車動力性、燃料電池功效、燃油經(jīng)濟(jì)性等方面更具優(yōu)勢。策略二將負(fù)載需求功率分為過載、正常及制動狀態(tài)，模糊控制器根據(jù)不同狀態(tài)下的功率需求，不斷對自適應(yīng)控制器的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，調(diào)節(jié)燃料電池對負(fù)載變化的敏感度，合理分配燃料電池與超級電容之間的功率。燃料電池在車輛運(yùn)行時充分發(fā)揮主能量源的作用，該自適應(yīng)模糊控制策略能夠更好追蹤負(fù)載需求，提供需求的平均功率。通過引入Savitzky-Golay濾波器來調(diào)整燃料電池對負(fù)載的敏感度，可在保證正常行駛要求的情況下調(diào)節(jié)燃料電池的輸出功率，使其始終在高效率區(qū)工作。與單模糊控制策略相比，自適應(yīng)模糊控制策略配合Savitzky-Golay濾波器，能更好地分配燃料電池與超級電容之間的功率，滿足整車動力性、燃料電池功效及燃油經(jīng)濟(jì)性三者的整體技術(shù)要求。

6 結(jié)語

本文以配備有超級電容儲能系統(tǒng)的燃料電池車為研究對象，開發(fā)了更為高效的能量管理策略。在廣泛采用的模糊控制基礎(chǔ)上，引入Savitzky-Golay濾波器，設(shè)計(jì)車輛自適應(yīng)模糊控制能量管理策略。基于UDDS工況，對該策略進(jìn)行了研究，并與單模糊控制的能量管理策略進(jìn)行了對比分析。結(jié)果顯示，本研究設(shè)計(jì)開發(fā)的自適應(yīng)模糊控制策略的實(shí)際車速完全能夠跟隨需求車速；燃料電池輸出功率更為平穩(wěn)；燃料電池平均效率提高了5.84%，等效燃油消耗量降低了12.73%。采用自適應(yīng)模糊控制策略能在車輛反復(fù)啟停的工況下實(shí)現(xiàn)更為靈敏的動力響應(yīng)和有效功率分配。Savitzky-Golay濾波器的引入在有效增加動力響應(yīng)性的同時，也減小了燃料電池輸出功率的波動性，從而起到了保護(hù)燃料電池的作用。總之，對于具有超快響應(yīng)和超高功率要求的超級電容儲能系統(tǒng)，采用高效自適應(yīng)的模糊控制管理策略更為合適。該策略能很好地整合燃料電池和超級電容儲能系統(tǒng)，是極具開發(fā)潛力的車用能量管理策略。