本發明屬于車載系統能量管理領域，涉及了一種車載系統能量管理的自適應模糊控制方法，對負載需求功率的跟蹤、系統關鍵參數的在線估計以及系統的安全性問題。

背景技術：

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

圖1所示是本發明所研究的混合動力車能量系統的結構示意圖，其中主能源系統通過一個單向DC/DC轉換器與負載相連，而輔助能源系統直接連接到系統總線上。這種車輛動力系統的構型具有成本低，對迅速變化的負載需求響應快，能量利用率較高等特點，因此廣泛地應用于混合動力車輛系統中。

在車輛實際行駛過程中，工況需求不斷變化，在不同工況下(再生制動工況、正常工況和過載工況)，主能源系統和輔助能源的輸出有不同的動態特性和系統限制，因此在車輛能量系統中，針對不同的工況和系統動態特性，制定符合其特點的功率管理策略對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)系統的情況下，電池的荷電狀態(SOC)是反應電池狀態的重要指標，但是由于電池SOC無法測量，現有的觀測器也無法對電池SOC進行準確估計。因此對電池SOC的控制具有重要意義，同時也有助于保障車輛系統的穩定性與安全性。

技術實現要素：

本發明的目的在于針對現有技術的不足，提供了一種車載系統能量管理的自適應模糊控制方法。

本發明采用的技術方案是包括以下步驟，如圖1所示：

1)對車載系統的關鍵特征參數進行在線估計；

2)根據關鍵特征參數的在線估計值對負載電流進行自適應在線更新，以對各能量源之間的功率管理；

3)針對不同工況需求和輔助能源的系統狀況，利用模糊控制律控制關鍵特征參數。

所述的關鍵特征參數包括負載等效電流和輔助能源的等效內阻。

所述的負載等效電流采用以下公式的自適應更新律進行在線估計：

其中，表示負載電流源內阻估計值，表示中間變量，p₁表示等效負載電流源自適應因子，R_p表示負載電流源內阻估計值，i_l表示負載電流， 表示負載電流估計值，基于估計參數所得到的負載電流估計值是實際是負載電流i_l的低頻成分，i_p表示等效負載電流源電流值，表示等效負載電流源電流的估計值，β₁表示估計器增益，是一個需要整定的正常數；i_p,max與i_p,min分別表示等效負載電流源電流值的上確界和下確界；從而使得負載等效電流的估計值一直在負載等效電流的實際值i_p的上下界范圍之內，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，根據實際運行中負載電流情況，可根據上式對i_p的上下界做出確定。

所述的輔助能源的等效內阻采用以下公式的自適應更新律進行在線估計：

其中，g₂表示中間變量，μ是需整定正參數，p₂表示輔助能源內阻自適應因子，R₁表示輔助能源等效內阻，表示輔助電源等效內阻的估計值，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設值，對應于輔助能源的SOC；β₂表示內阻估計器增益，是一個需要根據仿真和實驗整定的正常數；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阻的估計值一直在實際值的上下界范圍之內，即滿足以下公式：

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

所述步驟2)通過以下公式對負載電流估計值進行在線更新：

其中，是負載電感估計值，將用于設計主能源的輸出電流參考值，表示輔助能源開路電壓的估計值，V_B系統總線電壓；由上述負載電流估計值總線電壓V_B及輔助能源的開路電壓預設值可以計算出輔助能源輸出電流參考值

其中，表示負載電流估計值平滑后的變化率，V_fc表示輔助能源輸出電壓，h(t)是負載電流估計值平滑后的輸出，這將用于主能源的輸出電流設計值，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)以負載電流估計值、負載電流估計值變化率以及輔助能源開路電壓與預設值的偏差(此電壓與輔助能源SOC存在映射關系)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。

具體實施設計的模糊控制輸入輸出及隸屬度函數如圖5、圖6所示，圖中△V_B表示總線電壓的實際值與期望值之差，△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工況、正常工況和過載工況等工況。

通過本發明方法，保證車載主能源系統功率輸出響應速率低于其保護上限限制，并且保證輔助能源的荷電狀態(SOC)在一定安全范圍內，防止其出現過度充電和過度放電的現象，即要保證輔助能源的荷電狀態(SOC)在一個設定值附近，從而實現以下兩個主要目標：1)實現對工況需求的動態跟蹤；2)滿足主能源和輔助能源系統動態特性指標，從而保障系統穩定性。

本發明的有益效果：

在實際車載應用中不需要對主能源系統和輔助能源系統的模型參數進行精確辨識，從而降低了該管理策略實現難度；計算量小，可以實現實時控制和在 線估計；可以對不可測的輔助能源SOC進行較為精確的調節；可以在不同工況下，即再生制動工況、正常工況和過載工況，對系統中各個能量源的功率輸出進行有效管理，進而滿足系統的動態特性限制，保障其穩定性。

附圖說明

圖1是本發明實施例采用的系統結構框圖。

圖2是測試實施例中主能源和輔助能源的功率響應曲線。

圖3是測試實施例中對輔助能源內阻估計效果圖。

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

圖5是具體實施的模糊控制輸入輸出示意圖。

圖6是具體實施的模糊控制輸入輸出的隸屬度函數圖。

具體實施方式

以下結合具體實施方式并對照附圖對本發明加以詳細說明。

以下三個實施例均采用本發明方法進行實施，其具體實施過程如下：

實施例1

本發明在實際的混合動力觀光車上進行了實驗驗證。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驗周期中的輸出功率響應曲線，可以看出主能源電流的響應速度比較緩慢，滿足了其輸出特性軟的特點。輔助能源則響應迅速，提供負載功率需求中的暫態成分。

實施例2

本發明在實際的混合動力觀光車上進行了自適應模糊控制算法的對比試驗，在同一行車路線下，分別測量出在自適應算法和自適應模糊控制算法下主能源輸出電流隨負載變化的情況。

從圖3可以看出，本發明所提出的自適應模糊控制算法可以更好的適應工況的變化，即主能源輸出電流可以更有效地跟蹤負載電流；同時，在再生制工況下(圖3中陰影部分)，本發明所提出的自適應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。

實施例3

雖然實際中的輔助能源SOC不可直接測量，但輔助能源開路電壓與輔助能源SOC存在映射關系，通過在Matlab/Simulink中搭建上述混合動力觀光車系統仿真模型，并測量輔助能源開路電壓的變化對本發明的控制效果進行了驗證。

圖4是本發明對輔助能源SOC的控制效果。輔助能源SOC的設定值是0.55，映射到輔助能源開路電壓設定值為48V。圖4顯示了當負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定值后，本發明可以將輔助能源開路電壓重新調節到設定值附近，即對應的輔助能源SOC調節到設定值附近。