A wavelet-fuzzy logic based energy management strategy for a fuel cell/battery/ultra-capacitor hybrid vehicular power system
Abstract
Due to increasing concerns on environmental pollution and depleting fossil fuels, fuel cell (FC) vehicle technology has received considerable attention as an alternative to the conventional vehicular systems. However, a FC system combined with an energy storage system(ESS) can display a preferable performance for vehicle propulsion. As the additional ESS can fulfill the transient power demand fluctuations, the fuel cell can be downsized to fit the average power demand without facing peak loads. Besides, braking energy can be recovered by the ESS. This study focuses on a vehicular system powered by a fuel cell and equipped with two secondary energy storage devices: battery and ultra-capacitor (UC). However, an advanced energy management strategy is quite necessary to split the power demand of a vehicle in a suitable way for the on-board power sources in order to maximize the performance while promoting the fuel economy and endurance of hybrid system components. In this study, a wavelet and fuzzy logic based energy management strategy is proposed for the developed hybrid vehicular system. Wavelet transform has great capability for analyzing signals consisting of instantaneous changes like a hybrid electric vehicle (HEV) power demand. Besides, fuzzy logic has a quite suitable structure for the control of hybrid systems. The mathematical and electrical models of the hybrid vehicular system are developed in detail and simulated using MATLABreg;, Simulinkreg; and SimPowerSystemsreg; environments.
1.Introduction
The considerable increase in global warming and the desire to decrease the dependence on depleting fossil fuels in order to ensure an uninterrupted energy supply have led to much research in alternative energy sources, recently. Specifically, transportation area has a major position in energy consumption and the greenhouse gas emissions causing global warming. Therefore, interest in new solutions for the replacement of conventional internal combustion engine (ICE) based propulsion systems in vehicular applications has increased steadily. Among alternative powertrains, fuel cell (FC) technologies have been proposed as a potential and attractive solution for vehicular applications due to providing environment friendly operation with the usage of renewable fuel [1]. Particularly, the Proton Exchange Membrane FC (PEMFC) emerges as one of the most promising candidates for electric vehicle systems thanks to its simplicity, viability, quick start up, higher power density, relatively high electrical efficiency compared to an approximately sized ICE, and operation at lower temperatures [2].
However, the unsteady operation of a vehicle may not be appropriate for the usage of a sole FC system. The power demand of a vehicle motor undergoes significant variations due to acceleration, changes in road surface and traffic conditions. Thus, a sole FC system may not totally satisfy the power demand of a vehicle by the reason of the limitation of fuel cells to track fast load variations due to their slow response dynamics. Besides, load demand fluctuations in vehicle operation may cause fuel starvation, flooding, membrane drying, and pressure imbalance across the FC membrane, which will damage the FC stack and decreases its lifetime[3]. Moreover, if the FC system alone supplies all power demand, it would increase the size and cost of the FC system as well as hydrogen consumption. Lastly, commercially available fuel cells are not reversible and they do not have capability to recycle the braking energy. Therefore, hybridizing FC system with an energy storage system (ESS) decreases system cost, improves dynamic performance of overall vehicle system, promotes FC lifetime and provides fuel economy owing to regenerative braking energy capturing.
In many hybrid applications, batteries are utilized as ESS [4]. Among the various existing rechargeable batteries, lithium-ion batteries appear to occupy a prime position in various aspects [5]. However, in spite of providing a significantly high energy density potential, commercially available battery systems present some drawbacks, such as low cycle-life, long recharging time and low power densities. Besides, rapidly changing current values may damage the chemical structure of batteries. Thus, the usage of a battery system alone as ESS in an automotive powertrain may not be efficient adequately. As an alternative to the battery systems, ultra-capacitors (UCs) – also known as super-capacitors or double-layer capacitors – have drawn attention for use as ESS[6]. UCs present considerably higher power densities than that of batteries, and extremely higher energy densities than that of conventional electrolytic capacitors. The capability for delivering high power/current values in a significantly short time without facing a structural damage is a key advantage over available battery technologies. However, the energy densities of UCs are significantly lower than battery systems [7]. Thus, a battery/ultra-capacitor hybrid ESS for vehicular applications can combine the merits of high energy density of lithium-ion batteries with the high power density of ultra-capacitors to completely meet the vehicle requirements [8].
Owing to the fact that FC, battery and UC have different features and dynamic characteristics, an overall energy management strategy should be designed for the system to coordinate the power flows among the different energy sources. First of all, the power demand of a HEV should be shared between the available on-board power sources considering their individual dynamics. To develop such a load sharing algorithm for FC, battery and UC hybrid structure, we employed wavelet transform owing to its great capability for analyzing and capturing the transients in an
剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
以小波和模糊逻辑为基础的燃料电池/电池/超级电容混合动力汽车动力系统的能量管理策略
摘要
由于增加了对环境的污染问题和化石燃料消耗殆尽的担心，燃料电池（FC）的车辆技术已经引起了人们相当大的注意，以替代传统的车辆系统。然而，燃料电池系统结合储能系统（ESS）的组合方式在车辆推进系统中成为优先选择。作为附加的ESS可以实现瞬时波动的功率需求，燃料电池可以小型化，以适应在非峰值负载时面临的平均功率需求。此外，制动能量可由ESS回收。本研究的重点是搭载的燃料电池，并配有两个二次能源储存装置的车辆系统：电池和超级电容器（UC）。但是，先进的能量管理策略是相当必要的，以适当的方式分割车辆的动力需求板上电源能量，以便同时促进混合动力系统部件的燃油经济性和续航力，使性能最大化。在这项研究中，提出将小波和模糊逻辑为基础的能源管理战略应用在混合动力车辆系统。小波变换在用于分析包括像混合动力电动汽车（HEV）的电力需求的瞬时变化的信号能力极强。此外，模糊逻辑在用于混合动力系统的控制方面具有相当合适的结构。可开发详细的混合动力车辆系统的数学和电气模型在MATLABreg;，Simulinkreg;和SimPowerSystemsreg;环境中模拟。
- 简介
最近，全球变暖的加剧和降低日益枯竭的燃料的依赖，确保不间断能源供应的愿望，出现了大量的替代能源的研究。具体地讲，运输区域是能源消耗大户和导致全球变暖的温室气体排放多的主要“罪魁祸首”。因此，在用于替换在车辆上应用传统内燃机（ICE）为推进系统的新的解决方案的兴趣不断增加。替代动力系统方面，提出的有潜力和有吸引力的解决方案是燃料电池（FC）的技术，目的是提供环境友好、可再生燃料使用[1]的操作。特别是，质子交换膜（FC PEMFC）的出现由于它的简单性，可行性，快速启动，更高的功率密度，相对于大致尺寸相同的ICE电效率相对较高，并且操作温度较低[2]，最可能被应用在电动系统中。
然而，车辆在不稳定操作时使用单一的燃料电池系统可能是不合适的。由于车辆的加速，路面和交通情况的改变，车辆马达的电力需求也会有显著的改变。因此，由于FC系统缓慢的响应动态限制，一个单一的FC系统可能无法完全满足快速的负载变化的车辆的动力需求。此外，车辆操作负荷的波动可能会引起燃料供应不足，水浸，膜干燥以及FC膜压力不平衡，这将损害FC堆，并降低其寿命[3]。此外，如果燃料电池系统单独提供所有电力需求，这将增加的电池的大小和燃料电池系统的成本以及氢的消耗。更重要的是，可商购的燃料电池是不可逆的，并且它们不具有回收制动能量的能力。因此，能量存储系统（ESS）配合FC系统使用可以降低系统成本，提高整个车辆系统的动态性能，促进FC寿命并且由于它可回收制动能量，提高了燃油经济性。
在许多混合应用中，电池被用作ESS [4]。现有的各种可再充电电池中，锂离子电池成为各个方面[5]的首选。然而，尽管锂离子电池有较大的高能量密度潜力，市售电池系统仍然存在一些缺点，如循环寿命低，充电时间长以及低功率密度。此外，电流值的迅速改变可能会损坏电池的化学结构。因此，单独的电池系统在汽车的动力总成的使用中可能不是充分有效的。作为替代的电池系统，超电容器（UCS）— 也被称为超级电容器或双电层电容器—吸引了人们的关注被用作ESS [6]。 UCS相比较电池呈现出相当高的功率密度，比传统的铝电解电容器提供更高的能量密度。超级电容在显著短的时间内提供高功率/电流值的能力且不会引起结构性损伤是在现有电池技术中的独特优势。然而，UCS的能量密度比电池系统[7]显著降低。因此，对于车辆应用的电池/超级电容器混合ESS可以结合锂离子电池的高能量密度的优点与超电容器的高功率密度，完全满足车辆的要求[8]。
由于FC，电池和UC具有不同的特性和动态特征，一个整体能源管理策略的设计应能协调不同能源中的功率流。首先，考虑到动力学的问题，一个混合动力电动汽车（HEV）应可共享板载电源。为了开发这样的FC，电池和UC混合结构的负载共享算法，我们采用小波变换，归功于其在诸如混合动力汽车中极强的分析和捕获瞬态信息的能力[9,10]。因此，可以防止瞬时变化对FC和电池的电化学结构的不利影响。尽管事实是小波变换作为负载共享算法可以执行有效的操作性，提供仅基于小波变换的能量管理策略可能不是适用于调节所有的系统功率流。考虑到电池和UC的SOC值，当两个源有足够的电荷燃料时电池系统的输出功率应降低。此外，如果两个ESS都是低SOC级时，FC系统应该提供更多的功率。因此，整个系统的功率流应以增加燃料经济性和促进系统性能为目的。因此，控制策略的实现必须开发出成熟的能量管理策略，以保证混合动力系统的经济适用性。模糊逻辑控制器（FLC）用于混合动力系统的控制是考虑到FLC具有用于混合动力系统的控制的相当合适的结构并且其在许多研究中[4,8,11]有过使用的事实。此外，为了模拟HEV的电力需求和测试开发出的能量管理算法的性能，使用了城市测力计驱动时间表（UDDS）的数据。用这种动态负荷分布可以使混合动力系统的性能得到有效地评估。
在本文中，小波基于模糊逻辑的负载共享和控制算法组成的能源管理系统应用在了动态质子交换膜燃料电池（PEMFC）/电池/超级电容（UC）车辆混合动力系统的模型中。本文安排如下。第2节讲述了PEMFC，锂离子电池和UC的建模，并阐明了基于小波负载共享和基于模糊逻辑控制算法开发的混合动力系统。第3节给出了混合车辆系统的仿真结果。然后，第4节给出结论。
2.系统的描述及方法论
2.1. PEMFC的建模
PEMFC在混合动力车辆的系统是主电源，并为稳态负载提供功率。在开发的模型中使用的燃料电池系统的模型参数如下：
A 激活区域[平方厘米（细胞-1）]
B 浓度过压建模
C FC双层等效电容（F）
CO2 在阴极催化剂的界面二氧化碳溶解的氧浓度
ENernst 能斯特瞬时电压（V）
F 法拉第常数[C（千摩尔）-1]
IFC FC电流（A）
J 电流密度（A（厘米）-2）
Jmax 最大电流密度[A（厘米）-2]
Ns 在堆栈的FC系列数
Np FC堆栈数
PH2 氢分压（大气压）
PO2 氧分压（大气压）
qH2 满足负载变化的氢气流的量[千摩尔（S）-1]
rm Nafion系列的质子交换膜的电阻率[欧姆（厘米）2米-1]
Ra 激活电阻和浓度电阻之和的等效电阻（Omega;）
Rc 膜与电极之间的接触电阻（Omega;）
Rm 等效阻抗膜（Omega;）
Rohmic FC内部欧姆电阻（Omega;）
T FC温度（◦K）
T0, Trt , Tic , Tit 利用经验参数对FC温度的变化进行建模
U 利用系数
Vact 激活过电压（V）
Vd 镭上的潜在电压降（V）
Vconc 浓度过电压（V）
Vohmic 欧姆过电压（V）
VFC FC电压（V）
VStack 堆栈电压（V）
lambda; 膜的水含量
xi;1,xi;2,xi;3,xi;4 在激活过压利用常量建模
标准状态下，氢/氧FC的理想标准电势（25◦C和1处。）是1.229V与液态水产物。但是，实际的FC势比理想的电位值低，由于FC系统中发生不可逆的电压降。有三种类型的不可逆的电压下降，即激活过压，欧姆过电压和浓度过电压。在低电流密度下，激活过电压是负责FC的电压降。此外，在高电流密度时浓度过电压更显著。从图1中FC极化曲线中可以看出这些电压降和FC电压的相应变化的影响。用于FC的最有效的操作区域是相应于0.55V 与0.8V之间的电池电压大约为从图看到的线性区域[2,11]。FC在该线性区域工作对整个系统的效率是非常重要的。
图1.典型的FC极化曲线
考虑到上述的不可逆的电压降的影响，FC的输出电压可以被表示为[12,13]
能斯特的瞬时电压可写为[14,15]
这里，氢气和氧气的分压被认为是在FC电流的摩尔流量预定的上限和下限之间变化，因为阳极和阴极的压力反比于氢气和氧气的分压。为了满足负载的变化，氢气的摩尔流量可以用下式表示
此外，在式（2）中的FC温度的变化可以计算为[16]
下面的表达式给出了FC系统中激活过电压[17,18]
在式（5），在气体/液体界面的溶解氧的浓度可通过亨利定律定义[17,19]得到
FC系统中的欧姆过电压是衡量Itimes;R的固体高分子电解质及电子内部电阻的质子传导相关的电压降的工具。因此，在FC系统中欧姆过电压可表示为[12]
欧姆定律中等效膜阻抗可以表示为
在方程（8）中的Nafion系列质子交换膜的电阻率可以计算为[12,14]
其中
FC系统中浓度过压是由于过度运输导致的这反过来又影响了氢气和氧气在高电流密度的集中。FC系统中的浓度过电压可以表示为[13]
在FC系统中一个重要的电化学现象是电池电压中的负载电流的变化是由于电荷双层电容器作用的效果。考虑到电荷双层电容器的影响，其对FC系统等效电路示于图2中[17]。该电电容器表示上或附近的电极—电解质界面，这是电荷和能量[18]的存储层。考虑此双电荷层电容器的效果的影响，FC系统输出电压的动态可以更准确地获得。
图2. FC电气等效电路[17]
在图2中电阻Ra表示激活和浓度电阻的总和，可以计算为[18]
根据上述双层电容器的影响，与Ra中的电压降有关的差分方程可以写为[17,19]
考虑热力学，公共交通，动力学，和欧姆电阻的综合影响，FC输出电压的变化可如下计算[18,19]
最后，通过串联连接的Ns个单元形成的FC堆的电压可以发现
根据公式（1）—（15）可以得到图3示出的PEMFC模型，然后将其嵌入到MATLAB的仿真动力系统中作为受控电压源，然后集成到整个系统中。
图3. FC系统的动态模型
2.2.电池组的建模
在这项研究中，利用一个锂离子电池组和FC一起为一部分基本负载提供能量，并且用UC一起捕获制动能量。在本节中，引入了锂离子电池的动态模型。在提出的模型中使用的锂离子电池模型参数如下：
Cbat 电池容量（Ah）
Ibat 电池电流（A）
SOCbat 电池充电状态
SOCbatinit 初始化充电电池状态
Vbat 电池输出电压（V）
Voc 电池开路电压（V）
Zeq 电池等效内阻（Omega;）
电池输出电压可以由从电池等效内阻引起的压降加上开路电压得到。因此，电池的输出电压可表示为
当没有连接外部负载时，电池的开路电压是电池的两个端子之间的电势差。电池开路电压的值强烈依赖于电池的SOC，它可以被计算为[20]
蓄电池SOC可以表示为
式（16）中的电池等效内阻由一系列的电阻串联与由感抗和阻抗组成的两个网格组成，如图4所示。Rseries代表电池端电压的瞬时电压下降。RC网格的组件代表在电池内部阻抗短时间和长时间的瞬变。根据电池的SOC，Rseries，RTransient S，CTransient S，RTransient L和CTransient L的值，可以参考文献[20]中给出的根据实验得出的经验公式计算。
图4. 电池的电气等效电路[20]
在混合动力系统中使用的锂离子电池模型是由通过将上述等式实施在MATLABamp;Simulink环境中获得的。
2.3.超级电容建模
UC的自然结构用来满足瞬态和瞬时峰值功率需求是合适的。UC板块是用来提供负载需求功率不同于燃料电池系统的输出功率。图5示出在UC模型开发中使用的等效电路。所开发的模型是通过使用Maxwellreg;430F，16V UC，这是目前在作者的实验室操作时的结论。关于UC系统的建模详细说明可在[21]中找到，这是作者的先前的研究。
图5. UC电气等效电路
2.4.驱动循环
为了通过整体结构的发展，评估一个开发方法的动态响应和提出建议，可以
剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[146098]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
