劉靜，孫閆

(1.南京交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車工程學(xué)院,江蘇 南京 211188；2.江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

燃料電池通過(guò)氫氧化學(xué)反應(yīng)生成水，同時(shí)產(chǎn)生電能給車輛供電，其間燃料電池不會(huì)產(chǎn)生任何有害氣體排放，因而近年來(lái)燃料電池在大巴車上得到推廣應(yīng)用，并逐步推廣到乘用車。文獻(xiàn)[3]分析了基于燃料電池和電池，基于超級(jí)電容、電池和燃料電池，基于超級(jí)電容和燃料電池的混合動(dòng)力系統(tǒng)及能量管理策略。文獻(xiàn)[4]認(rèn)為燃料電池內(nèi)部電化學(xué)和熱力學(xué)反應(yīng)緩慢，限制了其響應(yīng)電氣負(fù)載瞬態(tài)變化的速率，當(dāng)超級(jí)電容器或電池與燃料電池搭配并用作輔助存儲(chǔ)元件時(shí)，系統(tǒng)可通過(guò)削峰填谷的方式利用輔助存儲(chǔ)單元快速響應(yīng)負(fù)載的瞬態(tài)變化。文獻(xiàn)[5]在車輛中引入混合動(dòng)力系統(tǒng)，將燃料電池與牽引電機(jī)所需的電流分離，從而使燃料電池盡可能接近其高效區(qū)。文獻(xiàn)[6]通過(guò)電池或超級(jí)電容回收減速和再生制動(dòng)器制動(dòng)產(chǎn)生的能量提高系統(tǒng)的能量利用效率，減少燃料電池系統(tǒng)規(guī)模，降低系統(tǒng)總質(zhì)量。另一方面，混合拓?fù)浜蛷?fù)雜的能量流給系統(tǒng)提供了額外的自由度。可見(jiàn)，能量管理是影響燃料電池汽車動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵。該文基于模糊控制策略研究燃料電池汽車的能量管理策略。

1 能源系統(tǒng)建模

1.1 整車模型

對(duì)于基于電池和燃料電池的混合動(dòng)力車輛，對(duì)瞬時(shí)功率需求進(jìn)行數(shù)學(xué)建模具有重要意義。整車阻力包含滾動(dòng)阻力、空氣阻力、加速阻力和坡道阻力，整車需求功率計(jì)算方式如下：

(1)

(2)

式中：Pm為整車需求功率；Fw為空氣阻力；Ff為滾動(dòng)阻力；Fi為坡道阻力；Fj為加速阻力；v為車輛速度；ηm為機(jī)械傳動(dòng)效率；Cd為空氣阻力系數(shù)；A為迎風(fēng)面積；ρ為空氣密度；m為整車質(zhì)量；Cr為滾動(dòng)阻力系數(shù)；θ為坡道角度；δm為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量校正系數(shù)。

1.2 電池模型

電池模型由一個(gè)電阻和可變電壓源組成，電池在放電狀態(tài)下的輸出Vli為：

Vli=Eli-Ili·Rdch[1-e-t/(Rdch·cp)]

(3)

式中：Eli為空載電壓；Ili為電池電流；Rdch為放電電阻；t為輸出電壓的采樣時(shí)間；cp為極化電容。

電池在充電狀態(tài)下的輸出及剩余電量為：

Vli=Eli+Ili·Rch[1-e-t/(Rch·cp)]

(4)

(5)

式中：Rch為充電電阻；SOCi為電池初始電量；Cli為電池容量。

1.3 燃料電池模型

燃料電池作為混合動(dòng)力車輛的增程器，其輸出電壓可用能斯特瞬時(shí)電壓方程表示為：

Vfc=N(E-Vloss)

(6)

Vloss=Vom+Vcon+Vact

(7)

式中：Vfc為系統(tǒng)輸出電壓；N為單體個(gè)數(shù)；E為每個(gè)電堆的可逆電壓，按式(8)計(jì)算；Vloss為燃料電池系統(tǒng)損耗電壓；Vom為歐姆電壓；Vcon為濃度電壓；Vact為活化電壓。

E=1.229-0.85×10-3(Tfc-298.15)+

4.308 5×10-5Tfc(lnPhyd+0.5lnPoxg)

(8)

式中：Tfc為燃料電池組的溫度；Phyd為陽(yáng)極側(cè)氫氣分壓；Poxg為陰極側(cè)氧氣分壓。

2 能量管理策略

2.1 策略制定

在不同負(fù)載需求下，若電源之間的功率分配沒(méi)有得到適當(dāng)管理，沒(méi)有有效的能量管理系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)，則可能導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。為此，提出一種基于模糊邏輯的能量管理單元，用于根據(jù)需求電流和電池的SOC生成參考電流(見(jiàn)圖1)。利用MATLAB中的Fuzzy Logic工具箱對(duì)模糊控制器進(jìn)行定義，采用適應(yīng)性較好的三角形隸屬度函數(shù)。模糊控制有2個(gè)輸出，一個(gè)是電機(jī)需求電流，另一個(gè)是燃料電池輸出電流。電機(jī)一方面接收燃料電池和電池提供的電流并將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，此時(shí)需求電流為負(fù)；另一方面也可將制動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為電能，此時(shí)電流為正。因此，需求電流范圍為[-120,65] A，包括4個(gè)模糊子集，分別為{NB,NS,PS,PB}；SOC范圍為[0.1,0.95]，包括5個(gè)模糊子集{LVS,LS,LM,LB,LVB}?？紤]到燃料電池系統(tǒng)開(kāi)啟后一方面要滿足電機(jī)的需求電流，另一方面多余的電流要供給電池充電，燃料電池輸出電流范圍為[-180,0] A，包括5個(gè)模糊子集{NVS,NS,NM,NB,NVB}。模糊控制規(guī)則見(jiàn)表1、圖2。

圖2 模糊控制規(guī)則

表1 模糊控制規(guī)則

Ireq為需求電流(A)；Ifc為燃料電池電流(A)；Ibat為電機(jī)電流(A)；SOC為電池電量(%)

2.2 策略優(yōu)化

模糊控制解決了燃料電池和電池輸出對(duì)電流控制的問(wèn)題。然而模糊規(guī)則及權(quán)重系數(shù)的設(shè)置依賴個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，無(wú)法達(dá)到最佳控制效果。為此，以續(xù)駛里程為優(yōu)化目標(biāo)對(duì)模糊控制策略進(jìn)行優(yōu)化，期望在相同的初始及終止條件下車輛能行駛最遠(yuǎn)距離。優(yōu)化對(duì)象為模糊控制的隸屬度函數(shù)，權(quán)重系數(shù)設(shè)為1。

將續(xù)駛里程作為優(yōu)化函數(shù)，通過(guò)禁忌搜索算法進(jìn)行迭代尋優(yōu)，優(yōu)化對(duì)象為雙層模糊控制的隸屬度函數(shù)及權(quán)重系數(shù)。優(yōu)化過(guò)程如下：將各隸屬度函數(shù)端點(diǎn)及頂點(diǎn)依次作為禁忌搜索算法的向量，令其為(X1，X2，X3，…)；通過(guò)對(duì)整車模型進(jìn)行離線仿真計(jì)算一次補(bǔ)充能源車輛續(xù)駛里程，根據(jù)禁忌搜索算法編寫MATLAB腳本文件并不斷更新(X1，X2，X3，…)，達(dá)到終止條件時(shí)，對(duì)應(yīng)隸屬度函數(shù)分布即為最終優(yōu)化結(jié)果。圖3為需求電流隸屬度函數(shù)優(yōu)化結(jié)果。SOC及燃料電池輸出電流的隸屬度函數(shù)優(yōu)化過(guò)程與需求電流隸屬度函數(shù)優(yōu)化過(guò)程相似，不再贅述。

圖3 需求電流隸屬度函數(shù)優(yōu)化結(jié)果

3 結(jié)果與討論

在世界輕型汽車試驗(yàn)規(guī)程(WLTP)下進(jìn)行仿真與優(yōu)化，經(jīng)過(guò)禁忌搜索算法優(yōu)化后的續(xù)駛里程(221.5 km)相比優(yōu)化前(213.3 km)提高8.2 km。圖4為WLTP工況下需求電流，圖5為電池SOC的變化，圖6為電池電流的變化，圖7為燃料電池電流的變化。圖4中電流為正表示制動(dòng)，電流為負(fù)表示驅(qū)動(dòng)；圖6中電流為正表示充電，電流為負(fù)表示放電。

圖4 需求電流的變化

圖5 電池SOC的變化

圖6 電池電流的變化

圖7 燃料電池電流的變化

從圖4～7可看出：需求電流變化快速，但燃料電池輸出電流波動(dòng)較小，需求電流中的高頻變化部分由電池提供或吸收，燃料電池輸出平穩(wěn)可有效提高其使用壽命；開(kāi)始時(shí)電池SOC快速上升，到達(dá)40%時(shí)保持穩(wěn)定，此時(shí)燃料電池和電池的輸出電流處于平穩(wěn)階段，相較于SOC快速上升階段，其電流變化范圍減小，對(duì)保護(hù)電池及燃料電池有利。

4 結(jié)語(yǔ)

搭建整車模型、電池模型及燃料電池模型，設(shè)計(jì)模糊控制策略，并開(kāi)發(fā)禁忌搜索算法對(duì)模糊控制中的隸屬度函數(shù)進(jìn)行迭代優(yōu)化。仿真結(jié)果表明，所提出的控制策略可有效分配燃料電池和電池的輸出電流，能提升整車?yán)m(xù)駛里程和燃料電池的使用壽命。該控制策略可行性強(qiáng)，可應(yīng)用于實(shí)車中，同時(shí)可為整車控制器開(kāi)發(fā)提供理論基礎(chǔ)。