汪夢遠 劉雙翼

(1.中國科學院重慶綠色智能技術研究院，重慶 400714；2.中國科學院大學重慶學院，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，是新能源汽車行業(yè)重點研發(fā)方向之一。但燃料電池存在動態(tài)輸出響應較慢且無法回收能量等缺陷，需要引入儲能系統(tǒng)進行能量補償。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，但用在補充燃料電池功率方面還存在響應慢、操作溫區(qū)窄等問題，其性能遠不如超級電容。超級電容具備功率高、響應快、溫區(qū)寬、壽命長和安全性高等特點，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鍵技術。能量模糊控制具有設計較為簡單，對被控對象精度要求不高，且魯棒性強的特點，但同時也存在控制精度低，需依賴專家的知識和經(jīng)驗進行分析判斷等弊端。針對模糊控制存在的問題，可以將其與其他控制方法相結合，形成切實可行的解決方案。Li 等將模糊控制與小波變換分析方法相結合，將需求功率分為低頻部分與高頻部分來設計模糊控制器參數(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)進行優(yōu)化，根據(jù)負載需求對模糊控制器參數(shù)進行了微調(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)對相關參數(shù)進行調(diào)整，因此具有一定的技術局限性。

本研究提出了一種間接自適應模糊控制器，利用模糊控制器調(diào)節(jié)自適應參數(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 動力源結構

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，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參數(shù)進行了分析。軟件提供的相關參數(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)輸出效率的計算表達式為：

(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算表達式為：

(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 負載模型

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

(4)

式中，()為負載實際電流，單位A；為負載內(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。通過比例因子計算，設置變量的模糊論域為∈[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)則總結為：當負載需求功率較大且較大時，可降低燃料電池的輸出功率，反之當需求功率較小且較小時，使燃料電池承擔主要功率輸出元件。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 自適應模糊控制策略

模糊邏輯控制需要更為精確的專家經(jīng)驗提高精準度。自適應控制指通過學習被控對象信息，能夠不斷改進與完善控制作用?？紤]到模糊控制器的局限性，本文選取間接自適應模糊控制策略，將自適應控制與模糊控制進行結合。

3.1 設計思路

具體設計步驟如下：① 設計自適應控制器，得到反映燃料電池輸出功率對負載需求功率靈敏度的參數(shù)；② 設計模糊控制器，調(diào)節(jié)不同工作狀態(tài)下的值，實現(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行平滑處理。

3.2 自適應控制器

燃料電池、超級電容和負載的需求功率的計算表達式為：

(5)

將燃料電池輸出功率作為該系統(tǒng)唯一控制輸入，自適應控制器的控制輸出值()設計表達式為：

(6)

對負載電流設計了自適應律，其具體表達式如下：

(7)

其中，

(8)

(9)

3.3 自適應模糊控制器

圖4 和μ的隸屬度函數(shù)

車輛運行時的狀態(tài)可分為：① 制動狀態(tài)。由超級電容進行能量回收，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載功率的部分。③ 過載狀態(tài)。燃料電池額定功率運行，超級電容提供峰值功率。

模糊控制規(guī)則總結為：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)。燃料電池對負載變化的敏感度可適當增大。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 結果分析

本研究在UDDS工況下進行仿真測試，將單模糊控制策略(以下簡稱為“策略一”)與自適應模糊控制配合Savitzky-Golay濾波器策略(以下簡稱為“策略二”)分別應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，導致車速無法完全跟隨。在策略二中，實際車速與需求車速的曲線完全重合，表明實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，可得到以下結論：在策略一中，當車速從零加速到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，減少了能量損耗，提高了能量利用率，實現(xiàn)了更優(yōu)的燃料經(jīng)濟性。

5 結果與討論

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)濟性等方面更具優(yōu)勢。策略二將負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，不斷對自適應控制器的關鍵參數(shù)進行優(yōu)化，調(diào)節(jié)燃料電池對負載變化的敏感度，合理分配燃料電池與超級電容之間的功率。燃料電池在車輛運行時充分發(fā)揮主能量源的作用，該自適應模糊控制策略能夠更好追蹤負載需求，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)濟性三者的整體技術要求。

6 結語

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上，引入Savitzky-Golay濾波器，設計車輛自適應模糊控制能量管理策略?；赨DDS工況，對該策略進行了研究，并與單模糊控制的能量管理策略進行了對比分析。結果顯示，本研究設計開發(fā)的自適應模糊控制策略的實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%。采用自適應模糊控制策略能在車輛反復啟停的工況下實現(xiàn)更為靈敏的動力響應和有效功率分配。Savitzky-Golay濾波器的引入在有效增加動力響應性的同時，也減小了燃料電池輸出功率的波動性，從而起到了保護燃料電池的作用?？傊?，對于具有超快響應和超高功率要求的超級電容儲能系統(tǒng)，采用高效自適應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。