利用模糊逻辑控制对燃料电池/超级电容混合动力车辆进行负载分配
a南加州大学电气与计算机工程系，1508 Middle Drive，Mobile，AL 36688，USA
b电气工程部Yildiz技术大学，伊斯坦布尔34349，土耳其
文章信息：
文章历史：2008年8月15日收到修订的形式
2008年11月11日接受
2008年12月30日在线
关键词：燃料电池、DC-DC转换器、超级电容器、混合系统、模糊逻辑
摘要：
燃料电池（FC）和超级电容器（UC）的混合动力系统似乎非常有望满足车辆应用的高能量和高功率要求。控制策略的改进增强了FC / UC混合动力车辆动力系统在各种负载条件下的动态响应。在本研究中，FC系统和UC储库供电需求分别使用电流馈电全桥DC-DC转换器和双向DC-DC转换器。我们专注于一种新颖的模糊逻辑控制算法集成到混合系统的功率调节单元（PCU）中。控制策略能够确定期望的FC功率并且保持其周围的DC电压，通过提供推进功率和恢复制动能量来提供额定值。使用MATLAB＆Simulink和ADVISOR获得的模拟结果来验证所提出的控制算法的有效性。
- 介绍：
全球变暖和减少石油储备带来的持续影响已经迫使研究人员开发替代方法，以满足运输系统的高能量需求。燃料电池技术是车辆应用中作为替代能量转换器（氢到电）和环境友好的系统之一。加上这一点，几乎所有大公司都公布了在市场上引入氢动力车辆的雄心勃勃的计划。这种车型拥有非常便捷的操作并显示出比常规汽车更高的能量利用效率。燃料电池是电化学装置，化学能直接转化成电能。在各种类型的燃料电池中，似乎是PEMFC更具吸引力，由于其简单，活力，快速启动，响应时间短，功率密度更高，循环寿命长和能在较低温度下操作。因此，PEMFC是汽车应用的重要候选者。然而，唯一的FC系统可能不足以满足负载需求，特别是在峰值功率需求期间或在车辆应用中看到的瞬时事件。此外，如果FC系统单独提供所有功率需求，则它将增加FC系统的尺寸和成本以及氢燃料消耗。没有额外的能量源，FC系统必须响应瞬态和峰值负载。此外，由于FC系统不能吸电，制动能量不可回收。因此，在独立FC系统中的总燃料消耗增加。结果，仅使用FC系统变得不足，并且成本过高难以满足车辆的负载。因此，FC系统应补充具有快速响应特性的较便宜的电源。
在当今的大多数混合应用中，电池被作为能量存储系统。最近的研究发现在车辆中使用电池和燃料电池作为辅助电源的可行性。虽然电池预计成为一种可靠能量源来驱动各种电力车辆，超级电容器也被测试了在不同控制方法下补充FCs。UC作为电池对FC来说是一个更好的选择有几个原因：首先，由于其低功率密度在发生瞬变时不能足够快的释放电荷。其次，虽然电池被认为是用于未来电动车辆的主要能量存储装置，其周期和日历寿命仍应改善。最后，电池更适合于提供稳定的负载曲线而不是由于其内部动态给定瞬态负载功率。另一方面，超级电容器有望成为车辆应用中的良好替代品。超级电容是电气能量的存储装置，比常规电容提供明显更好的能量密度，比传统电池提供更好的功率密度，并且可以构造成模块化或可堆叠格式。UC的充放电时间从几分之一秒变化到几分钟，同时提供免维护操作。超级电容器提供每个法拉最低的成本，有极大的高循环能力，并且对环境安全。UC的电容可以从几个法拉到几千法拉每单元。因为上面提到的特性，UCs用于广泛的应用程序。因此，UC堆积可以有效地充当一种成本有效的替代电池，特别是在短期高峰需求期。
UCs具有高比功率密度，并且适合与混合电动车辆中的燃料电池结合操作。当与FC系统耦合时，UC在加速和爬坡期间提供突然的瞬时功率需求，并缓解FC系统的慢响应问题。此外，UC还可以用于存储过量再生制动时的动力。 因此，通过操作FC和UC并联，稳态和峰值功率需求可以满足。换句话说，FC / UC混合系统提供高能量输出，高响应性和高存储能力。此外，在瞬态条件下，由于瞬时负载变化，可能发生具有气体缺乏或溢流问题的不充分加湿。所提出的FC / UC混合系统确保FC系统的薄膜不经受瞬变和尖锐的峰值负载，从而增加FC系统的寿命。对有效操作的另一个重要贡献是将PCU的设计和控制集成到混合系统中。在混合系统中可以使用几种PCU拓扑。脉冲电源的位置和连接策略区分混合系统中的PCU的拓扑。在这些拓扑中，可以选择FC系统和UC经由两个不同的dc-dc转换器到dc总线的并联连接，以用于更好的系统利用。在本文中，电流馈电全桥dc-dc转换器和双向dc-dc转换器被用于FC / UC混合系统的功率控制。这种拓扑将FC系统和UC堆积的低电压提升到更高的值，并将混合电源与负载电隔离。它能够控制直流总线电压，并在较低的超级电容器电压下满足电机的更高的最大扭矩。PCU的整个控制策略是使用模糊逻辑算法开发的。 在控制系统中，负载总线的平均功率需求被连续地测量，并且FC系统被假设为满足峰值削减和无瞬态的基本负载曲线。另一方面，UC系统提供整个峰值负载需求以及捕获制动能量。模糊逻辑控制器（FLC）为FC系统分配不同的功率点，而不是给出FC系统将提供恒定功率的几种操作模式。同时，FLC观察UC的充电状态（SOC），并利用FC系统不仅向负载提供电力，而且还向UC提供电力。因此，UC仍然准备提供峰值功率和恢复制动能量。 此外，FLC使UC控制直流链路的电压，以便获得或提供负载和FC系统之间的功率差。
- 系统描述和方法：
2.1．PEMFC的设计和动态建模：
本文使用的PEMFC模型在MATLAB和Simulink中实现。这个模型是使用建立在输出电压和氢气，氧气和水的分压之间的关系。
Fig. 1 – Dynamic model of the FC system.
Fig. 1显示了PEMFC的详细模型，然后将其嵌入到MATLAB的SimPowerSystems中作为受控电压源并集成到整个系统中。用于获得该模型的FC系统模型参数如下：
将通过阀的任何气体（氢气）的摩尔流量与其在通道内部的分压相关的方程可以表示为：
理想气体方程适用于氢
从公式 （2）氢气压力可写为：
取上述方程两边的导数给出
nH2的导数是qH2，其是氢摩尔流量。对于氢摩尔流量有三个相关贡献; 输入流量，参与反应的流量和输出流量。 因此，
根据基本的电化学关系，可以发现反应的氢的摩尔流量
其中
插入等式（6）代入到（5）得出以下等式：
然后，替换输出流量，qout H2的定义在公式（1）中给出：
采用两侧的拉普拉斯变换产生：
其中氢分压的初始条件为零。 以下表达式给出氢分压为：
其中
类似地，可以获得水分压和氧分压。从能斯特电压，激活过电压和欧姆过电压的和获得PEMFC的极化曲线。假设恒温和氧浓度，FC输出电压可表示为：
其中
现在，能斯特的瞬时电压可以表示为：
燃料电池系统根据功率需求消耗氢。氢气从用于堆操作的高压氢罐获得。在操作条件期间，为了根据FC功率输出控制氢气流量，使用一个反馈控制策略。为了实现这种反馈控制，来自输出的FC电流被取回到输入，同时将氢转换成摩尔形式从氢化剂可获得的氢气量由下式给出：
根据FC系统配置以及氢气和氧气的流量，FC系统会产生直流输出电压。FC系统中的氢氧气流量比rH-O决定氧气流量[23]。可以为燃料增加和燃料减少定义不同的时间常数[26]。
2.2． 超级电容器的设计和建模
UC单元的典型等效电路如图2所示。电容（C），由表示充电和放电电阻的等效串联电阻（ESR）和表示自放电损耗的等效并联电阻（EPR）组成[4,27]。
由于EPR模型的泄漏效应和影响UC的长期能量存储性能[28,29]，只考虑ESR。因此，电压分布将取决于两个分量; 电容和电阻分量[30]。UC模型已经在MATLAB和SimPowerSystems中实现了这项研究。
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- 驱动周期：
城市测功机驾驶计划（UDDS）[31]被选为模拟，设计和模拟拟议的车辆动力系统的参考周期。图3显示出了根据标准UDDS作为时间的函数的车辆的功率需求。
从ADVISOR分析工具获得满足车辆速度所需的功率需求，并且使用MATLAB和SimPowerSystems环境相对于该功率曲线实现负载模型。
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- 电源调节单元：
同时使用两个不同的电源需要功率转换器接口来有效地控制功率流。该电源接口还允许基于在模糊逻辑控制器中定义的规则在FC系统和UC组之间共享轮周功率。PCU的结构与由两个不同的dc-dc转换器组成的VW BORA Hy.Power相同 [20] —— 第一个用于连接FC系统，第二个用于连接。使用电流馈送全桥DC-DC转换器将期望的功率从FC系统传送到驱动系。不仅将FC系统的输入电压升高到更高的值，而且还通过高频变压器将其与驱动系隔离。此外，FC系统通过使用输入电感器[21]使输出电流波动有效降低。此外，用于转换器（占空比gt; 0.5）的切换顺序不会导致对来自FC系统的电流的不连续操作，从而增加FC系统的寿命。
UC通过双向DC-DC转换器将其电力传输到逆变器。当UC 被放电时，它作为电流源全桥转换器，当UC 被充电时作为电压源半桥转换器[21]。一般系统配置如图4所示。
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- 模糊逻辑控制：
控制算法的主要要求是满足功率需求并管理功率流，同时确保不同功率源的有效操作。控制系统应该利用FC系统和UC通过考虑电源的不同特征来匹配车辆负载曲线。由于FC系统的稳定操作对于效率，寿命和成本是至关重要的，因此FC系统应当在不响应峰值功率需求的情况下提供基本负载功率。控制系统的另一个目的是采用UC组来稳定直流链路电压。这使得能量传输到UC /从UC，并提高整体驱动性能[20]。上述对混合动力系统控制的要求是使用FLC实现的。FLC将输出值与具有称为规则的IF.THEN语句的输入相关联。它特别适用于具有复杂非线性模型的过程。 与描述给定输入是给定集合（逻辑1）或不是（逻辑0）的成员的布尔逻辑不同，FLC解决了倾向于在0-1 [43]范围内的任何地方改变的问题。因此，当一个规则支配另一个规则时，FLC提供输出信号的平滑重新定位而不是尖锐切换。FLC具有五个输入和三个输出，如图5所示。
第一输入是FC系统（IFC）的dc-dc转换器的平均负载电流（ALC）和输出电流之间的差，并且第二输入对应于UC的充电状态（SOC）。使用从这两个输入获得的数据，FLC决定了对应于第一输出的FC系统占空比（FCR）。FC系统基于FLC的决定来输送功率，并且在递送平均负载功率和保持SOC在其期望的间隔（大约0.75）之间保持平衡。UC应该有足够的电量，以保持车辆加速时的电压稳定，并且它应该有足够的空间在再生期间恢复能量。FC系统通过观察UC的SOC来提供基本功率。如果SOC在期望的间隔内，基本功率对应于平均功率。如果SOC高于期望值，则FC系统传送比平均值更少的功率，以避免UC组过度充电，这可能导致直流总线中的电压增加。类似地，如果SOC小于期望值，则FC系统传输更多功率。因此，UC组不会在最大能量存储容量的25％以下放电，并且电压不会下降到期望值以下。简而言之，FC系统提供负载的基本部分，并且不会受到需求的突然峰值的干扰。在FLC中，使用Mac-Vicar Whelan规则库[44]。 为了确保FC系统的操作的更好的性能，在开发FLC规则时已经进行了一些修改。输入和输出的隶属函数也显示在图3中。 FLC利用前两个输入并产生FCR，如图6所示。
重要的是要注意，FCR不会低于0.5，并为FC系统提供连续的电流路径。输入3和4分别是误差电压（期望电压和总线电压之间的电压差）V err及其导数。在决策过程之后，它们对充电（UCR）和放电（UDR）转换为UC组的占空比，并确保直流总线电压的稳定性。输入5，其是到或从UC传送的电流，帮助FLC确定开始对UC充电或放电的确切时间。此外，在低UC电池组电流下，FLC可以采用UDR和UCR两者，以便从充电到放电平滑地滑动，反之亦然。因此，在保持电压稳定的同时，负载和FC系统之间的功率差被传送到UC或从UC传送。UDR和UCR的模糊推理系统输出表面分别如图7和图8所示。
UCR和UDR互补，FLC基于UC组电流的位置计算其最终值。如果UC 组以大于13 A的绝对值充电或放电，则UCR和UDR仅根据FLC的第3和第4输入计算。如果它处于从充电切换到放电的边界，反之亦然，其中UC组电流小于13A的绝对值，则UCR和UDR通过观察当前状态的权重产生输出，例如图表中的电荷，中性和 放电。因此，系统从一种状态平滑地滑动到另一种状态。为了更好地理解在FLC中使用的规则，FC系统输出功率决定作为示例给出在表2中。FC系统的输出功率是单向的，并且始终从FC系统到负载。FLC平滑地从NM到PM调整占空比，以提供必要的输出功率命令。 该命令由电池SOC和负载
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