董鵬飛，吳立鋒，王國輝，潘 巍，王洪民

(首都師范大學信息工程學院，北京100048)

移動機器人復合電源系統(tǒng)的能量管理研究

董鵬飛，吳立鋒，王國輝，潘 巍，王洪民

(首都師范大學信息工程學院，北京100048)

針對移動機器人蓄電池-超級電容復合電源系統(tǒng)提出了基于模糊邏輯的能量管理控制策略，該策略充分地利用了蓄電池的高比能量和超級電容的高比功率的特性，使超級電容承擔瞬時大功率，蓄電池承擔長時間的平均功率。通過建立復合電源系統(tǒng)的模型進行仿真研究，仿真結果表明該策略有效地提高了機器人的動力性能，以及延長了蓄電池的使用壽命。

機器人；復合電源；模糊控制；能量管理

Abstract:An energy management strategy based on fuzzy logic of a battery and ultra-capacitor composite power systems for mobile robots was presented.The fuzzy control approach was proposed to exploit the high energy density of batteries and the high power density of ultra-capacitors.With the strategy,instantaneous large power could be provided by ultra-capacitors,while smooth power could be provided by batteries for long time.A model of composite power systems was established for simulation study.The simulation result shows that our strategy can effectively improve the performance of mobile robots and extend the lifetime of batteries.

Key words:mobile robots;composite power system;fuzzy control;energy management

現(xiàn)代社會中，機器人的應用越來越廣泛，例如在現(xiàn)代工業(yè)、國防、航空航天等領域起著越來越重要的作用，因此吸引了各國學者對機器人技術進行深入的研究。但目前國內外的研究大多集中在機器人的機構設計與行為控制方面，如機器智能、導航定位、路徑規(guī)劃等[1－2]。而機器人的一切行為基礎卻是電源供電問題，針對此方面的研究卻很少[3]。事實上，隨著機器人的結構越來越復雜，其電源匹配與動力驅動問題已成為限制機器人技術發(fā)展的一個重要瓶頸。

目前普遍用的蓄電池具有體積質量大、比功率低、充電時間長、使用壽命短等缺點。而超級電容器與常用的蓄電池相比，具有比功率高、充放電速度快、效率高、循環(huán)壽命長等優(yōu)點，但其比能量低，一般不單獨作為供電裝置來使用[4]。因此將蓄電池與超級電容組成復合電源，兼顧到了蓄電池的高比能量與超級電容的高比功率特性，但必須輔以有效的能量管理策略才能發(fā)揮復合電源的優(yōu)勢。因此，本文提出了一種基于模糊控制邏輯的能量管理策略，并建立了復合電源系統(tǒng)模型進行仿真研究。

1 機器人復合電源結構

蓄電池、超級電容與雙向DC/DC變換器組成了機器人的復合電源系統(tǒng)，其拓撲結構圖[5]如圖1所示。蓄電池為主電源，超級電容器作為輔助電源。將蓄電池與直流總線直接相連，超級電容器通過一個雙向DC/DC變換器與直流總線相連。這種結構形式下蓄電池直接對外輸出功率，能量轉換效率高，超級電容通過雙向DC/DC變換器跟蹤監(jiān)測蓄電池端電壓，并調節(jié)自身電壓與蓄電池匹配工作，進而保護蓄電池。

圖1 復合電源結構圖

根據(jù)基爾霍夫電流定律，有

式中：IBat為蓄電池輸出電流；IBi為超級電容經(jīng)雙向DC/DC變換器的輸出電流；IL為機器人的工作電流。本文規(guī)定，IL＞0時，雙向DC/DC變換器處于正向工作狀態(tài)，復合電源處于放電工作狀態(tài)。

由式(1)可知，對于一定的電流IL，通過控制雙向DC/DC變換器的輸出電流IBi可以達到間接控制蓄電池輸出電流IBat的目的。在負載電流突變時，通過雙向變換器對超級電容進行快速地充、放電，使IBi迅速地跟蹤IL的變化部分，蓄電池就僅僅輸出負載電流的平穩(wěn)部分。

荷電狀態(tài)SOC表征了儲能裝置的剩余容量。對于蓄電池與超級電容來說，為了延長其使用壽命，兩者的SOC要盡量工作在規(guī)定的范圍內，故應滿足式(2)、式(3)的要求

如果SOC太高，就不能盡可能多地回收制動能量，而導致這部分能量浪費掉；如果SOC太低，可能無法提供機器人工作時的功率需求，從而影響機器人的工作性能。實際工作中，蓄電池和超級電容的SOC安全范圍一般分別為[0.5，0.8]和[0.2，0.9][6]。

2 基于模糊邏輯的能量管理策略設計

復合電源應給機器人提供足夠的能量供應，同時也應盡可能延長機器人的工作時間，即延長復合電源的持續(xù)工作時間。針對此特點，能量管理策略應具有以下功能：當負載電流IL過大時，控制超級電容適度分擔峰值電流，把蓄電池電流IBat限制在合理范圍內；當回饋能量時，盡量使用超級電容回收能量，超級電容回收速度快，效率高，如果超級電容SOCUC過大，就由蓄電池回收；同時須控制超級電容的SOCUC保持在適當范圍內，使其一直具有最佳的充放電能力。

2.1 能量管理系統(tǒng)結構

圖2為復合電源能量管理控制原理框圖。系統(tǒng)中能量管理控制器控制著復合電源系統(tǒng)的工作，控制器根據(jù)實時采集到的蓄電池SOCBat、超級電容SOCUC以及負載電流IL的信號來實時控制雙向DC/DC變換器的工作，以實時調節(jié)超級電容的功率輸出，間接地調整蓄電池的功率輸出，達到優(yōu)化復合電源工作的目的。

圖2 能量管理控制原理框圖

能量管理控制器采用基于模糊邏輯的能量管理控制策略，因為模糊控制法具有推理能力強、魯棒性好等優(yōu)點。復合電源具有放電(即給機器人供電)和充電(即回收制動能量)兩種工作狀態(tài)，兩種工作狀態(tài)下的負載電流的大小與波動范圍有較大差別，控制的側重點也不同，因此需針對兩種工作狀態(tài)分別設計模糊控制策略。

兩種工作狀態(tài)下，模糊控制器均采用三輸入、單輸出的mamdani結構，三輸入分別是系統(tǒng)的負載電流IL、蓄電池SOCBat和超級電容SOCUC，輸出為PWM的控制信號K。模糊控制器的三個輸入量的變化范圍都是可預先測定的，為方便設計，對模糊控制器的輸入輸出量進行歸一化處理。

2.2 放電工作狀態(tài)

復合電源處于對外放電工作狀態(tài)時，當負載電流IL較小時，為了避免電流經(jīng)過DC/DC變換器時的功率損耗，應全部由蓄電池提供；負載電流IL很大時，為了避免蓄電池過電流放電，應根據(jù)超級電容SOCUC的高低確定由其提供峰值電流的大小，余下的基本電流由蓄電池提供。

根據(jù)復合電源的放電控制策略，定義模糊控制器的各輸入輸出的論域分別為IL：VS(很小)、S(小)、M(中)、B(大)、VB(很大)，SOCBat：L(低)、M(中)、H(高)，SOCUC：L(低)、M(中)、H(高)，以及K：VS(很小)、S(小)、M(中)、B(大)、VB(很大)。各輸入輸出量的隸屬度函數(shù)如圖3所示，相應的模糊規(guī)則如表1所示。其中，電流IL(A)，蓄電池的荷電狀態(tài)SOCBat(%)，超級電容的荷電狀態(tài)SOCUC(%)，PWM的控制信號K。

圖3 放電時各輸入輸出量的隸屬度函數(shù)

表1 IL＞0時，模糊控制規(guī)則表

2.3 充電工作狀態(tài)

復合電源處于充電工作狀態(tài)，即回收制動能量，負載回饋電流IL較小時，考慮蓄電池充放電循環(huán)壽命的限制，在保證超級電容的SOCUC不過高的前提下，優(yōu)先考慮對超級電容充電；負載回饋電流IL較大時，若超級電容的SOCUC高，則對其少充電或不充電，SOCUC低則多充電。其中，電流IL(A)，蓄電池的荷電狀態(tài)SOCBat(%)，超級電容的荷電狀態(tài)SOCUC(%)，PWM的控制信號K。

由于回饋電流不會持續(xù)很長時間，且考慮到回收速度及效率，因此對輸入輸出的模糊論域重新劃分。定義模糊控制器的各輸入輸出的模糊論域分別為IL：S(小)、M(中)、B(大)；SOCBat：L(低)、M(中)、H(高)；SOCUC：L(低)、M(中)、H(高)、VH(很高)及K：S(小)、M(中)、B(大)。各輸入輸出量的隸屬度函數(shù)如圖4 所示，相應的模糊規(guī)則如表2所示。

圖4 充電時各輸入輸出量的隸屬度函數(shù)

表2 IL＜0時，模糊控制規(guī)則表

3 仿真實驗與分析

在MATLAB R2011b環(huán)境下建立移動機器人復合電源系統(tǒng)仿真模型。蓄電池直接采用Lithium-Ion電池模型，額定電壓14.4 V，容量1 Ah，內阻0.144 Ω，初始荷電狀態(tài)是0.9；超級電容采用電容和電阻的串聯(lián)模型，電容為10 F，初始電壓為12 V，用受控電流源作為機器人的負載模型。仿真結果如圖5所示，從圖5中可見，移動機器人的啟動、減速、加速、回饋制動等典型工作過程都集中在30 s時間內，圖5中給出了負載電流IL、蓄電池電流IBat和超級電容IBi的變化曲線。

由圖5可知，機器人在啟動時的瞬時大電流由超級電容迅速提供，蓄電池輸出電流緩慢升高，有效地緩解了蓄電池大電流放電，保護了蓄電池。機器人小電流工作時，基本由蓄電池來提供能量，避免了超級電容經(jīng)功率變換器時的功率損失。在機器人回饋制動能量時，為了避免循環(huán)充放電對蓄電池壽命的不利影響，主要由超級電容回收。超級電容在復合電源起到了削峰填谷的作用，能夠滿足機器人瞬間大功率需求，同時又能快速回收制動能量，延長復合電源的工作時間。

圖5 仿真模型電流曲線

4 結論

針對機器人蓄電池-超級電容復合電源系統(tǒng)提出了基于模糊邏輯的能量管理控制策略，并通過建立復合電源系統(tǒng)的模型進行仿真研究。仿真實驗結果表明，在保證機器人動力性能的基礎上，超級電容器對蓄電池電流起到了良好的補充，可延長蓄電池的使用壽命，并可利用超級電容快速回收制動能量提高機器人的持續(xù)工作能力。

[1]譚民，王碩.機器人技術研究進展[J].自動化學報，2013，39(7)：963-972.

[2]呂應明，袁海文.移動機器人用的蓄電池-超級電容器復合電源的動力性能研究[J].電力電子，2012，2：14-18.

[3]RAADE J W，KAZEROONI H.Analysis and design of a novel hydraulic power source for mobile robots[J].IEEE Transactions on Automation Science and Engineering，2005，2(3)：226-232.

[4]閆曉金，潘艷，寧武，等.超級電容-蓄電池復合電源結構選型與設計[J].電力電子技術，2010，44(5)：75-77.

[5]WANG G H，DAI Z Q，GUAN Y，et al.Power management of hybrid power systems with Li-Fe batteries and supercapacitors for mobile robots[J].Advances in Mechanical Engineering，2014(8)：1-11.

[6]石慶升，張承慧，崔納新.新型雙能量源純電動汽車能量管理問題的優(yōu)化控制[J].電工技術學報，2008，23(8)：137-142.

Energy management of composite power systems for mobile robots

DONG Peng-fei,WU Li-feng,WANG Guo-hui,PAN Wei,WANG Hong-ming
(College of Information Engineering,Capital Normal University,Beijing 100048,China)

TM 912

A

1002-087X(2017)09-1361-03

2017-02-15

國家自然科學基金資助項目(61070049；61202027）；國際科技合作項目資助(2012DFA11340）；北京市自然科學基金資助項目(4122015)

董鵬飛(1989—），男，安徽省人，碩士生，主要研究方向為電源系統(tǒng)故障預測與健康管理。

吳立鋒