本發(fā)明屬于車載系統(tǒng)能量管理領(lǐng)域，涉及了一種車載系統(tǒng)能量管理的自適應(yīng)模糊控制方法，對(duì)負(fù)載需求功率的跟蹤、系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)的在線估計(jì)以及系統(tǒng)的安全性問題。

背景技術(shù)：

近年來，能源危機(jī)和環(huán)境污染問題日趨嚴(yán)重，可再生的新能源技術(shù)在人們生活中得到越來越廣泛的應(yīng)用，如燃料電池系統(tǒng)，它是直接將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能的能量轉(zhuǎn)換裝置，具有能量轉(zhuǎn)換效率高、可再生、零污染等特點(diǎn)，因此在車輛系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。但由于這些新能源作為車載主能源系統(tǒng)功率特性偏軟，因此需要與鋰電池或者超級(jí)電容等輔助能源進(jìn)行混合為車輛提供動(dòng)力，從而提升車輛系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力。這些輔助能源具有動(dòng)態(tài)特性好、功率密度高、幾乎無污染等特點(diǎn)。但是如何在不斷變化的車輛動(dòng)態(tài)系統(tǒng)中有效的管理主能源和輔助能源之間功率輸出，一直是當(dāng)今研究的熱點(diǎn)，這對(duì)提升系統(tǒng)的能量利用率，保持車輛穩(wěn)定性具有重要意義。

圖1所示是本發(fā)明所研究的混合動(dòng)力車能量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，其中主能源系統(tǒng)通過一個(gè)單向DC/DC轉(zhuǎn)換器與負(fù)載相連，而輔助能源系統(tǒng)直接連接到系統(tǒng)總線上。這種車輛動(dòng)力系統(tǒng)的構(gòu)型具有成本低，對(duì)迅速變化的負(fù)載需求響應(yīng)快，能量利用率較高等特點(diǎn)，因此廣泛地應(yīng)用于混合動(dòng)力車輛系統(tǒng)中。

在車輛實(shí)際行駛過程中，工況需求不斷變化，在不同工況下(再生制動(dòng)工況、正常工況和過載工況)，主能源系統(tǒng)和輔助能源的輸出有不同的動(dòng)態(tài)特性和系統(tǒng)限制，因此在車輛能量系統(tǒng)中，針對(duì)不同的工況和系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性，制定符合其特點(diǎn)的功率管理策略對(duì)提升控制器性能和提高能源利用率具有重要意義。

在輔助能源為電池(如鋰電池)系統(tǒng)的情況下，電池的荷電狀態(tài)(SOC)是反應(yīng)電池狀態(tài)的重要指標(biāo)，但是由于電池SOC無法測(cè)量，現(xiàn)有的觀測(cè)器也無法對(duì)電池SOC進(jìn)行準(zhǔn)確估計(jì)。因此對(duì)電池SOC的控制具有重要意義，同時(shí)也有助于保障車輛系統(tǒng)的穩(wěn)定性與安全性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種車載系統(tǒng)能量管理的自適應(yīng)模糊控制方法。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案是包括以下步驟，如圖1所示：

1)對(duì)車載系統(tǒng)的關(guān)鍵特征參數(shù)進(jìn)行在線估計(jì)；

2)根據(jù)關(guān)鍵特征參數(shù)的在線估計(jì)值對(duì)負(fù)載電流進(jìn)行自適應(yīng)在線更新，以對(duì)各能量源之間的功率管理；

3)針對(duì)不同工況需求和輔助能源的系統(tǒng)狀況，利用模糊控制律控制關(guān)鍵特征參數(shù)。

所述的關(guān)鍵特征參數(shù)包括負(fù)載等效電流和輔助能源的等效內(nèi)阻。

所述的負(fù)載等效電流采用以下公式的自適應(yīng)更新律進(jìn)行在線估計(jì)：

其中，表示負(fù)載電流源內(nèi)阻估計(jì)值，表示中間變量，p₁表示等效負(fù)載電流源自適應(yīng)因子，R_p表示負(fù)載電流源內(nèi)阻估計(jì)值，i_l表示負(fù)載電流， 表示負(fù)載電流估計(jì)值，基于估計(jì)參數(shù)所得到的負(fù)載電流估計(jì)值是實(shí)際是負(fù)載電流i_l的低頻成分，i_p表示等效負(fù)載電流源電流值，表示等效負(fù)載電流源電流的估計(jì)值，β₁表示估計(jì)器增益，是一個(gè)需要整定的正常數(shù)；i_p,max與i_p,min分別表示等效負(fù)載電流源電流值的上確界和下確界；從而使得負(fù)載等效電流的估計(jì)值一直在負(fù)載等效電流的實(shí)際值i_p的上下界范圍之內(nèi)，即滿足以下公式：

其中，i_p,max和i_p,min由i_p的上下界確定，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行中負(fù)載電流情況，可根據(jù)上式對(duì)i_p的上下界做出確定。

所述的輔助能源的等效內(nèi)阻采用以下公式的自適應(yīng)更新律進(jìn)行在線估計(jì)：

其中，g₂表示中間變量，μ是需整定正參數(shù)，p₂表示輔助能源內(nèi)阻自適應(yīng)因子，R₁表示輔助能源等效內(nèi)阻，表示輔助電源等效內(nèi)阻的估計(jì)值，i_B表示輔助能量源輸出電流，V_B表示總線電壓，表示輔助能源的開路電壓預(yù)設(shè)值，對(duì)應(yīng)于輔助能源的SOC；β₂表示內(nèi)阻估計(jì)器增益，是一個(gè)需要根據(jù)仿真和實(shí)驗(yàn)整定的正常數(shù)；R_1,max與R_1,min是分別表示R₁的上確界和下確 界，都是正值，從而使得輔助能源等效內(nèi)阻的估計(jì)值一直在實(shí)際值的上下界范圍之內(nèi)，即滿足以下公式：

在實(shí)際應(yīng)用中，R_1,max與R_1,min的選取在滿足條件的情況下，同時(shí)要綜合考慮控制算法的實(shí)際控制效果，這也意味著R_1,max的選擇要適當(dāng)大于R₁的上確界，相應(yīng)的，R_1,min的選取要適當(dāng)小于R₁的下確界。

所述步驟2)通過以下公式對(duì)負(fù)載電流估計(jì)值進(jìn)行在線更新：

其中，是負(fù)載電感估計(jì)值，將用于設(shè)計(jì)主能源的輸出電流參考值，表示輔助能源開路電壓的估計(jì)值，V_B系統(tǒng)總線電壓；由上述負(fù)載電流估計(jì)值總線電壓V_B及輔助能源的開路電壓預(yù)設(shè)值可以計(jì)算出輔助能源輸出電流參考值

其中，表示負(fù)載電流估計(jì)值平滑后的變化率，V_fc表示輔助能源輸出電壓，h(t)是負(fù)載電流估計(jì)值平滑后的輸出，這將用于主能源的輸出電流設(shè)計(jì)值，T為平滑因子，i_fc表示主能源輸出電流。V_fc表示主能源輸出電流。

所述步驟3)以負(fù)載電流估計(jì)值、負(fù)載電流估計(jì)值變化率以及輔助能源開路電壓與預(yù)設(shè)值的偏差(此電壓與輔助能源SOC存在映射關(guān)系)作為模糊控制律的輸入，通過模糊控制律輸出增益和輔助能源參考開路電壓的增值。

具體實(shí)施設(shè)計(jì)的模糊控制輸入輸出及隸屬度函數(shù)如圖5、圖6所示，圖中△V_B表示總線電壓的實(shí)際值與期望值之差，△V_fl表示期望總線電壓增量。

所述的不同工況包括有再生制動(dòng)工況、正常工況和過載工況等工況。

通過本發(fā)明方法，保證車載主能源系統(tǒng)功率輸出響應(yīng)速率低于其保護(hù)上限限制，并且保證輔助能源的荷電狀態(tài)(SOC)在一定安全范圍內(nèi)，防止其出現(xiàn)過度充電和過度放電的現(xiàn)象，即要保證輔助能源的荷電狀態(tài)(SOC)在一個(gè)設(shè)定值附近，從而實(shí)現(xiàn)以下兩個(gè)主要目標(biāo)：1)實(shí)現(xiàn)對(duì)工況需求的動(dòng)態(tài)跟蹤；2)滿足主能源和輔助能源系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性指標(biāo)，從而保障系統(tǒng)穩(wěn)定性。

本發(fā)明的有益效果：

在實(shí)際車載應(yīng)用中不需要對(duì)主能源系統(tǒng)和輔助能源系統(tǒng)的模型參數(shù)進(jìn)行精確辨識(shí)，從而降低了該管理策略實(shí)現(xiàn)難度；計(jì)算量小，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制和在 線估計(jì)；可以對(duì)不可測(cè)的輔助能源SOC進(jìn)行較為精確的調(diào)節(jié)；可以在不同工況下，即再生制動(dòng)工況、正常工況和過載工況，對(duì)系統(tǒng)中各個(gè)能量源的功率輸出進(jìn)行有效管理，進(jìn)而滿足系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性限制，保障其穩(wěn)定性。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例采用的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。

圖2是測(cè)試實(shí)施例中主能源和輔助能源的功率響應(yīng)曲線。

圖3是測(cè)試實(shí)施例中對(duì)輔助能源內(nèi)阻估計(jì)效果圖。

圖4是在實(shí)施例Matlab/Simulink仿真中對(duì)輔助能源開路電壓的控制效果，即對(duì)SOC的控制效果。

圖5是具體實(shí)施的模糊控制輸入輸出示意圖。

圖6是具體實(shí)施的模糊控制輸入輸出的隸屬度函數(shù)圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合具體實(shí)施方式并對(duì)照附圖對(duì)本發(fā)明加以詳細(xì)說明。

以下三個(gè)實(shí)施例均采用本發(fā)明方法進(jìn)行實(shí)施，其具體實(shí)施過程如下：

實(shí)施例1

本發(fā)明在實(shí)際的混合動(dòng)力觀光車上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。圖2中是作為主能源的燃料電池與作為輔助能源的鋰電池在一次實(shí)驗(yàn)周期中的輸出功率響應(yīng)曲線，可以看出主能源電流的響應(yīng)速度比較緩慢，滿足了其輸出特性軟的特點(diǎn)。輔助能源則響應(yīng)迅速，提供負(fù)載功率需求中的暫態(tài)成分。

實(shí)施例2

本發(fā)明在實(shí)際的混合動(dòng)力觀光車上進(jìn)行了自適應(yīng)模糊控制算法的對(duì)比試驗(yàn)，在同一行車路線下，分別測(cè)量出在自適應(yīng)算法和自適應(yīng)模糊控制算法下主能源輸出電流隨負(fù)載變化的情況。

從圖3可以看出，本發(fā)明所提出的自適應(yīng)模糊控制算法可以更好的適應(yīng)工況的變化，即主能源輸出電流可以更有效地跟蹤負(fù)載電流；同時(shí)，在再生制工況下(圖3中陰影部分)，本發(fā)明所提出的自適應(yīng)模糊控制算法可以在模糊控制器的作用下，更好的控制主能源的功率輸出，表明了所提模糊控制律的有效性。

實(shí)施例3

雖然實(shí)際中的輔助能源SOC不可直接測(cè)量，但輔助能源開路電壓與輔助能源SOC存在映射關(guān)系，通過在Matlab/Simulink中搭建上述混合動(dòng)力觀光車系統(tǒng)仿真模型，并測(cè)量輔助能源開路電壓的變化對(duì)本發(fā)明的控制效果進(jìn)行了驗(yàn)證。

圖4是本發(fā)明對(duì)輔助能源SOC的控制效果。輔助能源SOC的設(shè)定值是0.55，映射到輔助能源開路電壓設(shè)定值為48V。圖4顯示了當(dāng)負(fù)載功率需求先增大后 迅速減小，使得輔助能源開路電壓偏離設(shè)定值后，本發(fā)明可以將輔助能源開路電壓重新調(diào)節(jié)到設(shè)定值附近，即對(duì)應(yīng)的輔助能源SOC調(diào)節(jié)到設(shè)定值附近。