臧 壯 潘朝峰 陳 寧 邱廣庭

（江蘇科技大學(xué) 能源與動力學(xué)院 鎮(zhèn)江212003）

船舶電氣與通信

游艇燃料電池混合動力系統(tǒng)的模糊邏輯控制策略研究

臧 壯 潘朝峰 陳 寧 邱廣庭

（江蘇科技大學(xué) 能源與動力學(xué)院 鎮(zhèn)江212003）

文章針對內(nèi)河及湖泊小型游艇，采用燃料電池和蓄電池組并聯(lián)結(jié)構(gòu)作為游艇混合動力系統(tǒng)，設(shè)計(jì)相應(yīng)的模糊邏輯控制策略對能量進(jìn)行管理，運(yùn)用MATLAB/Simulink軟件搭建燃料電池游艇混合動力系統(tǒng)及模糊邏輯控制器的仿真模型。仿真結(jié)果表明，混合動力系統(tǒng)及其模糊邏輯控制策略能夠?qū)崿F(xiàn)游艇航行中的能量控制，并且滿足節(jié)能減排的要求。

燃料電池；混合動力游艇；電力推進(jìn)；模糊邏輯控制

引 言

目前的游艇主要使用柴油機(jī)驅(qū)動，需要配置一套單獨(dú)的發(fā)電裝置，效率和費(fèi)用大大增加。同時，游艇普及會給周邊環(huán)境帶來污染，尤其是當(dāng)游艇在市區(qū)內(nèi)航道航行時，會對河道周邊的環(huán)境和居民生活帶來無法忽視的影響。為此，《海洋環(huán)境保護(hù)法》、《水污染防治法》、《環(huán)境噪聲污染防治法》、《海上交通安全法》和《內(nèi)河交通安全管理?xiàng)l例》等法律、法規(guī)均對游艇污染作了相關(guān)規(guī)定。在全球能源逐年緊缺的局勢下，如何提升游艇的節(jié)能環(huán)保性以及舒適性顯得尤為重要［1］。氫氣具備清潔無污染、熱值高、利用率高等特點(diǎn)，近年來氫燃料電池技術(shù)不斷進(jìn)步，使氫在游艇上的應(yīng)用已成為可能。但是，燃料電池系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)較慢，輸出特性無法滿足游艇在啟動、加速等工況時的功率需求，因此需要引入輔助能源來補(bǔ)償功率波動、提高峰值功率。

目前用作燃料電池輔助電源的主要有超級電容器、蓄電池等。輔助電源的加入讓混合動力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，并增加了系統(tǒng)能量管理的難度。國內(nèi)外學(xué)者對燃料電池混合動力系統(tǒng)的能量控制策略進(jìn)行了研究 。應(yīng)用最廣泛的混合動力能量管理方法是基于規(guī)則的控制策略，本質(zhì)是通過研究其系統(tǒng)，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)表述成計(jì)算機(jī)能夠處理的簡單推理規(guī)則，利用邏輯判斷來實(shí)現(xiàn)混合動力系統(tǒng)工作模式切換及功率分配［2］。相比于經(jīng)典邏輯控制策略，模糊邏輯控制策略對于非線性、復(fù)雜對象具有魯棒性好、控制性能好、對參數(shù)不敏感等優(yōu)點(diǎn)，在交通領(lǐng)域和工業(yè)控制中得到廣泛應(yīng)用［3-4］。本文根據(jù)內(nèi)河小型游艇功率變換頻繁的航行特點(diǎn)以及內(nèi)河游艇巡游、高速航行等工況的特點(diǎn)，采用燃料電池混合動力系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)燃油驅(qū)動和發(fā)電，并且研究設(shè)計(jì)了維持蓄電池較高儲存能量以及燃料電池較高輸出效率的模糊邏輯控制策略，同時進(jìn)行了建模仿真加以驗(yàn)證。

1 混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成與工作模式分析

游艇的燃料電池混合動力推進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成包括：質(zhì)子交換膜燃料電池、蓄電池組、DC-DC變換器、DC-AC逆變器、能量管理系統(tǒng)和推進(jìn)電機(jī)。其中燃料電池作為主要推進(jìn)動力，蓄電池組作為輔助動力提供峰值功率。燃料電池發(fā)出直流電經(jīng)DC-DC變換升壓到直流母線電壓，再由DC-AC逆變裝置逆變?yōu)橥七M(jìn)電機(jī)所需的三相交流電，蓄電池組直接與直流母線連接通過電池管理系統(tǒng)進(jìn)行充放電控制。

燃料電池游艇在航行過程中主要有三種工作模式，純?nèi)剂想姵赝七M(jìn)、燃料電池和蓄電池并聯(lián)推進(jìn)、純蓄電池組推進(jìn)三種工作模式。圖1（a）和（b）為純?nèi)剂想姵啬Ｊ?，?dāng)游艇處于巡航時，航行需求功率波動相對較小并且介于燃料電池輸出功率的最大值與最小值之間，此時燃料電池功率能夠滿足游艇負(fù)載要求，若當(dāng)前蓄電池SOC（State Of Charge，簡稱SOC）值低于設(shè)計(jì)值，通過控制開關(guān)同時為蓄電池組充電。圖1（c）為燃料電池和蓄電池并聯(lián)模式，當(dāng)游艇處于啟動、加速、轉(zhuǎn)彎等工況時，由于燃料電池的輸出特性疲軟不能很好地跟隨功率突變，在接收到啟動、加速等航行指令時，燃料電池保持在功率輸出高效區(qū)域，不足功率由蓄電池提供，滿足航行負(fù)載需求。圖1（d）為純蓄電池組模式，當(dāng)游艇處于低速或停止工況，全船需求負(fù)載低于燃料電池最低輸出功率，且蓄電池電量充足時，則燃料電池停止工作，由蓄電池提供能量滿足全船負(fù)載。

圖1 燃料電池游艇混合動力系統(tǒng)三種工作模式

2 混合動力系統(tǒng)模糊邏輯控制策略設(shè)計(jì)

燃料電池的輸出特性如圖2所示，可以看出燃料電池的輸出電壓隨著電流密度的增大而減小，燃料電池輸出特性疲軟，無法獨(dú)立應(yīng)對游艇航行過程中功率突變情況。這就要求輔助蓄電池剩余電量維持在較高值以使得游艇可以隨時切換成混合推進(jìn)模式或純蓄電池組推進(jìn)模式，以適應(yīng)游艇航行過程中發(fā)生功率突變的情況。

圖2 燃料電池輸出特性曲線

模糊邏輯可以同時有若干個輸入?yún)?shù)，并按照一定的方法生成多種模糊規(guī)則，達(dá)到控制目的［5］。本文選取游艇實(shí)際航行中的需求功率Preq和蓄電池組剩余電量SOC值bSOC作為模糊邏輯控制器的兩個輸入變量，選取DC-DC變換器前端參考功率（即燃料電池功率）信號K作為模糊邏輯控制器的輸出變量。模糊邏輯控制系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 模糊邏輯控制系統(tǒng)框圖

2.1 輸入輸出量確定及其模糊化

根據(jù)游艇混合動力系統(tǒng)各部件參數(shù)及航行環(huán)境，其最大需求功率設(shè)計(jì)為18 kW。燃料電池額定輸出功率為15 kW，最大輸出功率為18 kW，則模糊邏輯控制器兩個輸入一個輸出變量的物理論域范圍分別為：

大多數(shù)情況下，模糊控制器輸入量的物理論域與模糊論域不同，需要通過量化因子模塊進(jìn)行系數(shù)變換，選取量化因子如下：

通過量化因子的選取，得到模糊邏輯控制器輸入量和輸出量的模糊論域全部為［0 1］。本文將游艇航行需求功率Preq劃分七個模糊子集{零，正很小，正小，正稍小，正中，正較大，正大}，用英文符號表示為{ZE，SS，PS，S，PM，B，PB}。蓄電池組bSOC劃分為3個模糊子集{低，中，高}，用英文表示為{L，M，H}。根據(jù)蓄電池的充放電特性［6］，bSOC維持在0.5～0.7時，能夠保持較高的電量和較大的開路電壓，所以選取bSOC中間值為0.6。DC-DC變換器前端參考功率信號K劃分為7個模糊子集{關(guān)閉，關(guān)閉平均保持，平均，平均中等保持，中等，中等最大保持，最大}，用英文符號表示為{OFF，HOA，AVE，HAM，MED，HMM，MAX}。

2.2 隸屬度函數(shù)選取

隸屬度函數(shù)是模糊邏輯控制與實(shí)際工程問題相結(jié)合的基礎(chǔ)，也是設(shè)計(jì)模糊邏輯控制器的關(guān)鍵所在。如果集合A的論域?yàn)閄，A的元素為x，x屬于A的程度由隸屬度函數(shù)映射為0與1之間的某一隸屬度μA（x），則隸屬度函數(shù)表示為

在通常的情況下，越接近系統(tǒng)平衡點(diǎn)，隸屬度函數(shù)選取越陡峭，控制靈敏度就越高；越遠(yuǎn)離系統(tǒng)平衡點(diǎn)，隸屬度函數(shù)選取越平緩，調(diào)節(jié)時間就越快。本文選取三角形和梯形相結(jié)合的隸屬度函數(shù)，則模糊邏輯控制器的輸入量和輸出量的隸屬度函數(shù)分別如圖4—圖6所示。

圖4 輸入變量Preq的隸屬度函數(shù)

圖5 輸入變量bSOC的隸屬度函數(shù)

圖6 輸出變量K的隸屬度函數(shù)

2.3 規(guī)則庫的設(shè)計(jì)

模糊規(guī)則是模糊邏輯控制器的重要組成部分，在設(shè)計(jì)模糊規(guī)則時，需要結(jié)合控制的目的，考慮控制規(guī)則的完備性、交叉性和一致性［7-8］。模糊邏輯控制規(guī)則需滿足以下幾點(diǎn)要求：

（1）保證游艇航行的功率需求；

（2）減少燃料電池動態(tài)負(fù)荷，提高燃料電池的工作效率；

（3）維持蓄電池SOC值在期望值附近，允許小范圍波動，保證蓄電池的使用壽命。

根據(jù)實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)總結(jié)和經(jīng)過多次調(diào)試，最終確定21條規(guī)則，其模糊推理形式為：If Preqis“Ai”and bSOCis“Bi”Then K is“Ci”，所有控制規(guī)則如表1所示。

表1 模糊邏輯控制規(guī)則表

本文采用Mamdani推理方法進(jìn)行模糊關(guān)系推理，經(jīng)模糊推理后，采用面積中心法清晰化，即

式中：ucen為清晰化后輸出值；u為模糊值；A（u）為u對應(yīng)的隸屬度函數(shù)；Z為u所在論域。

則模糊邏輯控制策略輸入輸出曲面如圖7所示。

圖7 模糊邏輯控制策略曲面

3 仿真分析

3.1 參數(shù)設(shè)置

為了驗(yàn)證該模糊邏輯控制策略的有效性和正確性，在Matlab/Simulink軟件環(huán)境下搭建混合動力游艇的動力系統(tǒng)模型，關(guān)鍵部件的具體參數(shù)如表2所示。

表2 仿真實(shí)驗(yàn)參數(shù)

模糊邏輯控制器仿真框圖選用帶有規(guī)則觀測器的模糊邏輯控制器，利用simulink中的模糊推理S函數(shù)得到可由Simulink使用的MEX文件，將所設(shè)計(jì)的模糊邏輯控制策略應(yīng)用到整個動力系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)中。此外，為了保證燃料電池時刻保持在高效的工作區(qū)域內(nèi)，需要對DC-DC變換器前端參考功率及功率變化率進(jìn)行限制，有

式中：Pfcmin為燃料電池的最小輸出功率；Pfcmax為燃料電池的最大輸出功率；Pfcscope為燃料電池的輸出功率最大動態(tài)變化率。

在simulink環(huán)境下建立的模糊邏輯控制策略的仿真模型如圖8所示，游艇需求功率和蓄電池SOC值作為輸入，通過模糊邏輯控制器模塊得到DC-DC變換器前端參考功率K，經(jīng)過開關(guān)控制模塊最終得到燃料電池輸出功率Pref和蓄電池的輸出功率Preb。

圖8 模糊邏輯控制策略仿真模型

3.2 仿真結(jié)果

選取游艇在某內(nèi)河航行1 200 s內(nèi)實(shí)際所需功率，如圖9所示。游艇開始以低功率啟動航行，到100 s附近開始加速，并以15 kW功率高速航行，整個航行階段船速變化頻繁，主要目的是能夠考察能量管理策略在各個功率需求情況下的正確性和有效性，在700 s時需求功率達(dá)到最大值18 kW。

圖9 混合動力游艇需求功率曲線

為了維持燃料電池始終工作在高效區(qū)域，設(shè)定燃料電池電池最大輸出功率為15 kW，即燃料電池額定輸出功率，最低輸出功率不低于5 kW。燃料電池輸出功率變化曲線如下頁圖10所示，燃料電池輸出功率較平穩(wěn)，需求峰值功率由蓄電池放電補(bǔ)充，此時，蓄電池SOC值（剩余電量）明顯下降；需求功率下降時，此時燃料電池仍然維持高效工作模式，超出功率為蓄電池充電，此時蓄電池SOC值開始上升并穩(wěn)定在60%附近。蓄電池充放電功率變化曲線和蓄電池SOC值變化曲線分別如圖11、圖12所示。蓄電池SOC在400 s附近達(dá)到最大值63.051%，在650 s附近SOC達(dá)到最小值54.205%。

圖10 燃料電池輸出功率曲線

圖11 蓄電池輸出功率曲線

圖12 蓄電池SOC值變化曲線

4 結(jié) 論

（1）通過所設(shè)計(jì)模糊邏輯控制策略，在燃料電池和蓄電池滿足游艇航行需求功率前提下，輸出的功率均在額定輸出功率范圍內(nèi)，并且燃料電池始終保持在高效輸出區(qū)域。

（2）仿真結(jié)果表明，在所設(shè)計(jì)的模糊邏輯控制策略下，蓄電池始終保持較高的剩余電量，SOC值在55%～65%之間波動，仿真開始時蓄電池SOC值為60%，仿真結(jié)束蓄電池的SOC值為61.073%。

（3）本文根據(jù)燃料電池輸出特性，建立以游艇航行需求功率和蓄電池SOC值作為模糊邏輯控制器輸入，DC-DC變換器前端功率信號作為輸出的模糊邏輯控制策略，能夠?qū)崿F(xiàn)游艇在各個工況下對航行需求功率的合理分配，同時保障了燃料電池和蓄電池較高的使用壽命。

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Fuzzy logic control strategy towards hybrid power system of fuel cell yacht

ZANG Zhuang PAN Chao-feng CHEN Ning QIU Guang-ting
(School of Energy and Power Engineering, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212003, China)

The fuel cell and storage battery are parallel connected to be used as the hybrid power system for the small yachts sailing in rivers and lakes. The corresponding fuzzy logic control strategy is designed to manage the energy. The hybrid power system of the fuel cell yacht and the fuzzy logic controller are modelled and simulated by MATLAB/Simulink. The simulation results show that the energy control in yacht sailing can be achieved by the hybrid power system and the fuzzy logic control strategy, thus meeting the requirements of energy conservation and emission reduction.

fuel cell; hybrid yacht; electric propulsion; fuzzy logic control

U665.13

A

1001-9855（2017）02-0065-06

10.19423 / j.cnki.31-1561 / u.2017.02.065

2016-11-11；

2016-11-24

臧 壯（1990-），男，碩士研究生。研究方向：船舶動力系統(tǒng)設(shè)計(jì)。潘朝峰（1959-），男，碩士，副教授。研究方向：輪機(jī)自動控制技術(shù)。陳 寧（1963-），男，碩士，教授。研究方向：船舶動力系統(tǒng)設(shè)計(jì)、船舶先進(jìn)制造技術(shù)、企業(yè)信息集成等的研究。邱廣庭（1991-），男，碩士研究生。研究方向：數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造。