氫燃料電池混合動力能量多參數(shù)控制方法仿真

郭曉凱，閆獻(xiàn)國，陳 峙，孟志宇

(太原科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山西 太原 030024)

1 引言

近年來，城市汽車數(shù)量年年攀升，汽車數(shù)量的增多帶來的不僅是城市交通擁堵問題，更為重要的是城市環(huán)境污染問題。每年汽車排放的尾氣占大氣污染源的85%左右，嚴(yán)重危害了大氣環(huán)境，危害了人們的健康。面對這種情況，整個汽車產(chǎn)業(yè)迎來了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，即如何進(jìn)行汽車動力升級，減少污染物排放。為順應(yīng)這一趨勢，一種新型的混合動力汽車被設(shè)計和發(fā)明出來?；旌蟿恿ζ嚕櫭剂x，就是汽車的運(yùn)行動力不再僅依靠一種能量源來提供，而是在此基礎(chǔ)上增加了另一種或多種能量源，由此形成了混合動力系統(tǒng)，給汽車運(yùn)行提供混合能量。這樣不僅保持了原有汽車的行駛性能，還解決了傳統(tǒng)汽車燃油消耗高，污染嚴(yán)重的問題。然而我國在這一方面的研究還不成熟，在不同動力來源協(xié)調(diào)控制上還存在很大的問題，使控制策略對動力能量參數(shù)變化和不確定因數(shù)的魯棒性降低，導(dǎo)致動力輸出經(jīng)常出現(xiàn)矛盾，因此，如何協(xié)調(diào)控制混合動力能量多參數(shù)以獲得電池和發(fā)動機(jī)之間最佳的功率分配，成為混合動力汽車升級和優(yōu)化的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

關(guān)于上述問題，很多專家都進(jìn)行了相關(guān)研究，因此，有很多文獻(xiàn)被發(fā)表出來。比如，文獻(xiàn)[2]中孟翔等人以燃料經(jīng)濟(jì)性和耐久性為優(yōu)化目標(biāo)，利用PMP進(jìn)行求解，得到最優(yōu)控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了對燃料電池混合動力系統(tǒng)分層能量管理。文獻(xiàn)[3]中胡帥等人針對汽車多能源混合動力系統(tǒng)，提出了基于濾波的能量管理策略，實(shí)現(xiàn)了不同汽車運(yùn)行情況的功率分配。文獻(xiàn)[4]中石巖等人針對混動動力城軌列車，以瞬時氫耗最小為目標(biāo)，進(jìn)行優(yōu)化求解，以減少氫氣消耗。雖然上述方法實(shí)現(xiàn)了能源管理目標(biāo)，但是在動力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性等參數(shù)指標(biāo)方面還有待提升。

本文以氫燃料電池混合動力商用汽車為例，研究汽車動力能量多參數(shù)控制方法。該方法首先對氫燃料電池混合動力系統(tǒng)進(jìn)行分析，確定控制參數(shù)，然后提出設(shè)計多參數(shù)控制器，最后利用遺傳算法對控制器進(jìn)行優(yōu)化，以達(dá)到車輛運(yùn)行最優(yōu)控制效果。為檢驗(yàn)控制方法有效性，以MATLAB中的simulink建立控制器的仿真模型，得出氫燃料電池混合動力系統(tǒng)能量最優(yōu)控制參數(shù)。結(jié)果表明：氫燃料電池混合動力汽車的動力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性均得到優(yōu)化，證明了控制方法的控制效果。

2 混合動力汽車能量多參數(shù)控制方法

混合動力汽車是將來汽車行業(yè)發(fā)展主流，當(dāng)前，每種結(jié)構(gòu)混合動力汽車特點(diǎn)不同，控制方式也不同，因此，選擇出最優(yōu)控制方法成為研究的重點(diǎn)。本文以一種混聯(lián)式結(jié)構(gòu)的氫燃料電池混合動力為研究目標(biāo)，進(jìn)行混合動力能量多參數(shù)控制方法研究。

2.1 氫燃料電池混合動力系統(tǒng)

圖1為氫燃料電池混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成以及工作流程。

圖1 混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成及工作流程

燃料電池混合動力系統(tǒng)主要由三部分組成，氫燃料電池提供電力能源，蓄電池供應(yīng)、發(fā)動機(jī)提供機(jī)械能源。其中，這三個不同動力系統(tǒng)可以給混合動力汽車提供幾種工作模式。具體如下表1所示

表1 混合動力汽車工作模式

2.2 混合動力能量多參數(shù)控制策略

混合動力能量多參數(shù)控制目標(biāo)是為滿足汽車行駛工況的需要，通過調(diào)節(jié)合理分配發(fā)動機(jī)和電機(jī)動力輸出參數(shù)，合理控制發(fā)動機(jī)和電池組(氫燃料電池和蓄電池)的工作狀態(tài)，使得燃油經(jīng)濟(jì)性和動力性達(dá)到最佳、污染物排放最小?；谏鲜瞿繕?biāo)，選擇模糊能量控制策略進(jìn)行控制。模糊控制器組成結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 模糊控制器結(jié)構(gòu)圖

在本文當(dāng)中，以離合器輸出轉(zhuǎn)矩信號和電池SOC信號為輸入，以發(fā)動機(jī)和電機(jī)功率為輸出，通過模糊推理計算出控制量，以此控制混合動力汽車行駛狀態(tài)?？刂颇Ｐ腿鐖D3所示。

圖3 基于模糊邏輯的混合動力能量多參數(shù)控制模型

上述模型控制過程如下：

1)模糊化

模糊化是模糊器的第一個環(huán)節(jié)，過程分為三個步驟，即：

步驟1：選取輸入變量，然后對其進(jìn)行處理，使其滿足模糊控制的要求；

步驟2：基于步驟1處理結(jié)果進(jìn)行尺度變換；

步驟3：確定模糊語言值和隸屬度函數(shù)，完成變量模糊化。

2)知識庫

知識庫包括數(shù)據(jù)庫和規(guī)則庫兩部分，前者起到存放數(shù)據(jù)的作用。后者則為模糊推理提供推理規(guī)則。模糊控制規(guī)則如表2所示

表2 模糊控制規(guī)則

其中，VS表示非常?。籗表示較?。籑表示適中；B表示較大；VB表示非常大。

3)模糊推理

模糊推理的工作是通過一定的運(yùn)算對應(yīng)到特定的輸出模糊集，得出最終的控制量(發(fā)動機(jī)和電機(jī)功率)。

4)去模糊化

上述步驟結(jié)束后，控制量是模糊的，不能直接用于混合動力車輛動力控制，因此，需要將模糊變量轉(zhuǎn)換回精準(zhǔn)的控制量，即為去模糊化。方法原理公式如下

(1)

A

u

A

u

U

2.3 模糊控制策略優(yōu)化

雖然模糊控制器在很大程度上協(xié)調(diào)了電機(jī)和發(fā)動機(jī)兩個動力源的運(yùn)行參數(shù)，但是由于該控制器所采用的控制規(guī)則是通過專家經(jīng)驗(yàn)所得，帶有較大的主觀性，無法得出最優(yōu)控制參數(shù)。因此，需要對上一章節(jié)構(gòu)建的模糊控制器進(jìn)行優(yōu)化，以便達(dá)到更好的控制效果。在這里采用尋優(yōu)算法——遺傳算法來進(jìn)行優(yōu)化。遺傳算法基本流程如圖4所示。

圖4 遺傳算法基本流程

步驟1：輸入模糊控制規(guī)則；

步驟2：產(chǎn)生初始種群；

步驟3：根據(jù)適應(yīng)度函數(shù)，計算個體適應(yīng)度值；

步驟4：利用賭輪盤法選出適應(yīng)度值較高的個體；

步驟5：對選出的個體進(jìn)行編碼，產(chǎn)生新的種群

步驟6：對新的種群進(jìn)行遺傳操作；

步驟7：再次計算個體適應(yīng)度值，重復(fù)上述操作；

步驟8：判斷是否達(dá)到迭代終止條件。若達(dá)到，則輸出優(yōu)化后的模糊控制規(guī)則；否則，繼續(xù)迭代，直至達(dá)到迭代終止條件。

3 仿真分析

為測試所研究氫燃料電池混合動力能量多參數(shù)控制方法的有效性，依據(jù)MATLAB軟件，進(jìn)行仿真分析。驗(yàn)證目標(biāo)設(shè)置為氫燃料電池混合動力汽車的動力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性。對比方法為文獻(xiàn)[2]方法、文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法。

3.1 氫燃料電池混合動力汽車建模

本仿真中所需要的車輛為一輛氫燃料電池混合動力商用汽車，該汽車相關(guān)參數(shù)如表3所示。

表3 氫燃料電池混合動力商用汽車參數(shù)表

利用MATLAB 軟件中的simulink工具建立關(guān)于氫燃料電池混合動力商用汽車的整車模型。

3.2 實(shí)驗(yàn)條件與工況設(shè)置

仿真所處環(huán)境相關(guān)參數(shù)以及實(shí)驗(yàn)工況設(shè)置如表4所示。

表4 實(shí)驗(yàn)條件與工況設(shè)置表

3.3 遺傳算法相關(guān)參數(shù)設(shè)置

遺傳算法求解最優(yōu)模糊控制器控制規(guī)則時，所設(shè)置的相關(guān)參數(shù)如表5所示。

表5 遺傳算法相關(guān)參數(shù)設(shè)置表

遺傳算法優(yōu)化后的模糊控制器控制規(guī)則如下表6所示。

表6 模糊控制規(guī)則優(yōu)化結(jié)果

其中，VS表示非常??；S表示較?。籑表示適中；B表示較大；VB表示非常大。

3.4 仿真結(jié)果

在所研究控制方法應(yīng)用下，控制氫燃料電池混合動力商用汽車按照所設(shè)置的工況上道行駛，然后統(tǒng)計汽車的動力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性相關(guān)參數(shù)指標(biāo)，并與文獻(xiàn)[2]、文獻(xiàn)[3]、文獻(xiàn)[4]方法控制結(jié)果進(jìn)行對比，檢驗(yàn)所研究控制方法的有效性。結(jié)果如下表7所示。

表7 仿真結(jié)果統(tǒng)計表

從表7中可以看出，所研究控制方法應(yīng)用下，控制氫燃料電池混合動力商用汽車的動力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性相關(guān)參數(shù)指標(biāo)均優(yōu)于文獻(xiàn)[2]、文獻(xiàn)[3]、文獻(xiàn)[4]方法的控制結(jié)果，由此說明本方法能夠提高混合動力商用汽車的整車性能，在保證汽車行駛性能的基礎(chǔ)上，同時也提高了汽車的經(jīng)濟(jì)性以及降低了污染物排放性。

4 結(jié)束語

為滿足人們的出行需要，城市汽車的數(shù)量越來越多，使得城市大氣污染越發(fā)嚴(yán)重。為此，一種新型的汽車——混合動力汽車出現(xiàn)，這種汽車發(fā)展還不成熟，在控制方面存在較大問題。為此，本文提出一種氫燃料電池混合動力能量多參數(shù)控制方法。該方法經(jīng)仿真測試，證明了控制效果，在動力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性三個方面有了很大的提高，達(dá)到了本文研究的目的。