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基于模糊控制的燃料电池电动轻卡能量管理策略研究一、引言燃料电池电动车辆作为未来可持续交通的重要组成部分，具有高能量转换效率、零排放等优势。
然而，由于燃料电池电动轻卡的复杂性和不确定性，如何有效管理其能源成为一个重要的问题。
本文旨在研究基于模糊控制的燃料电池电动轻卡能量管理策略，以实现最佳的节能和性能。
二、燃料电池电动轻卡能量管理系统燃料电池电动轻卡能量管理系统是负责控制车载电池和燃料电池之间能量的流动和转换的关键部件。
该系统的目标是通过最优化能量的分配，实现车辆在不同工况下的高效运行。
具体来说，能量管理系统需要实时监测和调整燃料电池的输出功率、电池的充电和放电状态，以及电动机的工作点等。
三、模糊控制在燃料电池电动轻卡能量管理中的应用模糊控制是一种基于人类模糊逻辑思维的控制方法，适用于处理系统模型复杂、参数不精确的问题。
在燃料电池电动轻卡能量管理中，模糊控制可以用来处理不确定的外部环境条件和内部电池状态的变化，以实现动态的能量管理。
通过模糊控制器的设计，可以根据当前的工况和车辆状态，实时调整燃料电池和电池之间的能量分配比例，以达到最佳的能源利用效率。
四、基于模糊控制的燃料电池电动轻卡能量管理策略设计基于模糊控制的燃料电池电动轻卡能量管理策略主要包括模糊控制器设计和规则库的建立。
首先，需要定义模糊集合和输入、输出变量的模糊化方法。
然后，通过专家知识或经验，建立模糊规则库，用于根据当前的工况和车辆状态进行模糊推理。
最后，根据推理结果，确定燃料电池和电池之间的能量分配比例，并进行实时调整。
五、实验与结果分析为验证基于模糊控制的燃料电池电动轻卡能量管理策略的有效性，进行了一系列实验。
通过收集不同工况下的数据，包括车辆速度、负载、环境温度等，建立了能量管理系统的仿真模型。
使用基于模糊控制的策略和传统的PID控制策略进行对比实验，结果表明基于模糊控制的策略在能量利用效率和系统稳定性上优于传统策略。
六、结论本文研究了基于模糊控制的燃料电池电动轻卡能量管理策略。
铅酸蓄电池快速充电模糊控制技术研究作者：李匡成,范艳成,杨亚丽来源：《现代电子技术》2010年第14期摘要:针对铅酸蓄电池充电过程具有非线性、时变性、滞后性的特点,提出模糊控制充电的思想,设计了双输入/单输出模糊控制器。
确定充电模糊控制器的总体结构以及模糊输入和模糊输出,建立了模糊控制规则表,给出了推理步骤以及反模糊化方法,构建了快速充电系统。
实验证明,采用新型控制策略的充电方法对蓄电池充电,可减少充电时间,提高充电效率,具有重要的实际意义和推广价值。
关键词:快速充电; 模糊控制; 模糊推理; 移相全桥中图分类号:TN86; TP202 文献标识码:A文章编号:1004-373X(2010)14-0202-03Fuzzy Control for Lead-Acid Battery Fast ChargingLI Kuang-cheng,FAN Yan-cheng, YANG Ya-li(Department of Control Engineering, The Armored Forces Engineering College, Beijing 100072, China)Abstract: An idea of fuzzy control charge is proposed aimed at non-linear, time-varying and delay in the process of lead-acid battery fast charging,a fuzzy controller of dual-input and single output was designed. The overall structure, fuzzy input and output of the fuzzy controller were ascertained, the fuzzy control rules table was built, the inference process and defuzzification means was proved, the fast charging system was conceived. The experiment shows that the charging method with new control strategy can reduce the charging time and improve the charging efficiency for the battery charging. It has important practical significance and application value.Keywords: fast charging; fuzzy control; fuzzy inference; phase-shifted full-bridge0 引言目前,铅酸蓄电池由于其制造成本低,容量大,价格低廉而广泛应用于国民经济各领域。
第10卷第2期2010年6月南京工业职业技术学院学报J o u r n a l o f N a n j i n g I n s t i t u t e o f I n d u s t r y T e c h n o l o g yV o l .10,N o .2J u n .,2010收稿日期:2009-12-15基金项目:南京工业职业技术学院科研基金重点资助项目(编号:Y K 08-04-01)作者简介:曹建平(1956-),男,浙江镇海人,南京工业职业技术学院教授,高级工程师,研究方向:仪器仪表与测控技术。
模糊控制技术在电池快速充电控制中的应用曹建平(南京工业职业技术学院 组织部,江苏 南京 210046)摘 要:针对常规的电池快速充电模式存在的问题,探讨了基于模糊控制技术的电池快速充电器的设计方法,给出了该方案应用的测试结果,实现了电池充电过程的优化控制,为有效延长电池的使用寿命提供了一种解决方案。
关键词:镍氢电池;快速充电;模糊控制中图分类号:T M 911.16 文献标识码:A 文章编号:1671-4644(2010)02-0001-03 电池作为一种可携带的、用来储存化学能,并将化学能转换成电能以供给用户使用的装置,已经得到了广泛的应用。
特别是随着便携式电子产品以及电动交通工具的大量普及,可充电电池的作用已不容忽视。
同时,电池的高效、快速充电技术也显得越发重要[1]。
然而,电池本身是一个复杂的、非线性时变系统,其充、放电特性与使用寿命会受到充、放电的电流、环境温度以及电池老化程度等诸多因素的影响而发生变化。
许多研究表明[2-4],要想依据经典控制理论建立一个能完全描述电池内部特性的数学模型,用以对电池进行充、放电控制和管理,是非常困难的一件事。
笔者在分析了大量不同状态下的电池充电过程的基础上,借助于模糊控制技术,对使用比较广泛的镍氢电池的快速充电过程进行控制,取得了较为满意的效果。
1 常规充电模式及其存在的问题电池的过充电(或不当充电方式)会造成电池内部的永久性损坏,加速电池老化,进而影响电池性能。
因此,不恰当的充电方式是造成电池寿命减短的主要原因,寻求一种快速而又不影响电池寿命的充电方式,已成为重要的研究课题。
目前市面上应用广泛的镍氢电池充电器普遍采用二段式恒流充电作为快速充电模式,即以大电流(0.5C 或1C )快充,以小电流(0.05C 或0.1C )涓充。
但是,这种充电模式存在一些不足,当电池过放电或电池内阻较大时,立即以大电流充电会造成电池电极反应速率赶不上,导致电池内压上升很快,这将严重影响电池性能,也会造成电池充电不足;虽然有些电路采用了预充电的模式,但对内阻较大的电池(或电池组中有内阻大的电池串在其中)的情况,用大电流进行快速充电仍存在上述问题,如图1所示。
为防止电池电压过冲太大,仅用0.5C 电流进行快速充电。
由于电池是一个非线性时变系统,难以用经典的控制方式对其充电过程进行精确控制。
那么,对于上述存在的问题有没有解决的方法,实验表明方法是有的。
可以利用模糊控制技术在“参数时变、结构非线性”的复杂系统应用中所突显的优点,根据电池充电的特性以及模糊控制的原理设计一个电池充电的模糊控制规则,以实现电池快速充电过程的控制。
图1 带预充电的二段式恒流充电曲线2 模糊充电控制器的结构与控制规则2.1 模糊控制器结构一个模糊控制系统性能的优劣,主要取决于所构建的模糊控制器的结构、采用的模糊规则、合成推理算法以及模糊决策的方法等因素[5]。
根据对电池充电过程中的几个主要参数的测量与分析,确定本系统采用目前广泛应用的二维模糊控制结构,如图2所示。
南京工业职业技术学院学报第10卷第2期图2 电池模糊充电控制器结构框图这种控制器以系统的偏差e 和系统偏差变化率e ﹒作为输入变量,以控制量R 作为输出变量,模糊控制器结构如图2所示。
设电池充电的设定电压值为u s t ,电池充电电压测量值为u d c (t ),电池的充电电流值为I d c (t ),则有:系统的偏差:e =u s t -u d c (t );系统偏差变化率:e ﹒=d e /d t =d u /d t ;电池的充电电流:I d c (n )=I d c (n -1)+ΔI d c(n )其中,当前输出的充电电流I d c(n )的大小取决于上一次输出的充电电流I d c (n -1)与本次模糊运算得到的电流增量ΔI d c(n )之和。
2.2 参数的模糊化由于电池在充电过程中偏差e 变化较大,不太均匀,系统偏差变化率e ﹒也是一样。
为了便于系统的设计与控制,根据电池充电曲线的特点以及大量实验所测各种数据的分析,在参数的模糊化处理上,采取了对系统的偏差e 和系统偏差变化率e ﹒均作非均匀模糊化处理的方法,如表1所示(表中仅给出偏差e 的模糊化处理过程,其它也一样处理)。
表1 系统偏差e 的模糊化处理过程偏差范围≤-2.5-2.5～-1.0-1.0～-0.3-0.3～0.30.3～1.01.0～2.5≥2.5模糊等级N BN MN SZ EP SP MP B 经过处理后,输入量e 、e ﹒和输出变量r 的基本论域分别记为[-e ,e ],[-e ﹒,e ﹒]和[-r ,r ],输入量e 的语言变量选为E ,变化率e ﹒的语言变量选为E C ,输出变量r 的语言变量选为R 。
并将各变量所对应的语言值模糊子集均选取为[N B ,N M ,N S ,Z E ,P S ,P M ,P B ],其中:模糊等级N B (N e g a t i v eB i g )表示“负大”;N M(N e g a t i v e M e d i u m )表示“负中”;N S (N e g a -t i v e S m a l l )表示“负小”;Z E (Z e r o )表示“零或不变”;P S (P o s i t i v e S m a l l )表示“正小”;P M (P o s i t i v e M e d i u m )表示“正中”;P B (P o s i t i v e B i g )表示“正大”。
2.3 模糊控制规则电池充电的模糊推理是采用主要因素推理和顺序因素推理两种推理相结合的原则:在充电的前半段,我们将充电电压的变化率作为主要因素,在充电的后半段,则将电压的偏差值作为主要因素;而将前一次推理的结果作为本次推理的参考基数。
因此,根据“I FEA N D E CT H E NR ”的控制规则进行推理,同时结合电池充电的特点和应用经验,可以推导出如表2所示的电池充电模糊控制规则。
表2 电池充电模糊控制规则表 E R E C 3 P B P M P S Z E N S N M N B P BZ EN SN SN SN MN MN BP M P S Z E Z E N S N S N M N B P S P M P S Z E Z E N S N S N M Z E P M P S Z E Z E Z E N S N M N S P M P M Z E Z E Z E N S N S N M P B P M P S P S P S Z E N S N BP BP BP MP MP SP SZ E 模糊控制规则表设计完成后存入单片机的只读存储器中。
由于在充电过程中,电池的电压作为充电电流的响应比较慢,所以可以每隔几十秒采集一次电压值u 和电压变化率d u /d t 的值,经过标度变换和模糊化,并通过查询存储器中的模糊控制规则表得到相应的模糊输出R ,该模糊输出R 再经过标度变换和清晰化(反模糊化)处理,即可得到输出充电电流的增量ΔI d c (n ),它与I d c (n -1)相加后得到更新后的充电电流值I d c (n )。
值得注意的是,由于模糊计算得到的输出电流增量ΔI d c(n )的大小决定了充电电流的变化速率,亦即决定了电池的充电时间,因此在对模糊输出变量R 进行非均匀模糊化处理时,既要考虑充电过程电池电压的平稳性,又要兼顾电池的充电速率。
3 模糊充电控制器的实现3.1 硬件电路结构基于模糊控制的电池快速充电器电路结构如图3所示。
图3 电池快速充电器电路结构框图电路主要包括单片计算机、电压检测电路、温度检测电路、可控恒流源驱动电路以及被控对象可充电电池(组)等,电路结构非常简单。
电路中核心控制部件单片计算机采用具有A /D 输入和P WM 输出功能的高性能单片机,系统被测的模拟量信号经片内A/D 转换器直接转换成数字量供单片机进行处理和计算,而输出量则可通过P WM 控制方式输出,可实现电池充电全过程的控制与管理,其中包括电池电压的实时检测、电池温度检测、模糊控制的计算与处理、可控恒流源驱动电路的控制以及电池充电结束的判断等。
3.2 模糊控制软件的设计在软件设计的同时,可将预先推导和设计出的电池充电模糊控制规则表存入单片机的程序存储器中。
系统控制软件的设计主要包括数据采集与计算、参数的模糊化处理、模糊控制规则的实现、充电电流的输出控制以及电池充电终止的判断等。
电池充电模糊控制软件工作流程如图4所示。
其中,数据的采集与计算主要是实现实时采集电池电压和温度的值,据此计算并提供系统的输入变量和参考量。
数据采样的间隔时间可根据电池充电时间的要求来确定,当要2第10卷第2期 曹建平:模糊控制技术在电池快速充电控制中的应用图4 电池充电模糊控制软件框图求充电时间短时,可以选择较短的采样间隔时间;反之,则可选择较长的采样间隔时间。
输入精确量e 和e ﹒的模糊化以及模糊量输出R 的清晰化处理软件是通过查询事先设计并储存在存储器中的非均匀模糊化处理表格来实现的。
软件的另一个模块是电池充电终止的判断。
亦即当充电过程中电池温度过高或电池的电压在最大值附近出现负Δu 时,停止电池快速充电,起到了防止过充电的作用。
此外,在软件的设计中还可以根据电池充电的实际情况设置最大充电电流值。
当所调节的充电电流已达到最大值时,不再增大电流值。
4 实验与数据测试采用上述设计的模糊控制电池充电器对镍氢电池进行了充电实验。
实验对象采用的是品牌为S O N I C ,型号:A A 1500m A h ,12V 的N i -M H 电池,记录其充电电流、电池电压和温度变化波形如图5所示。
实验中,起始充电电流设定为0.2C (300m A ),此后按照一定的时间间隔(60s ),实时测试并计算电池电压的偏差e 和偏差变化率e ﹒;通过模糊运算、查模糊控制规则以及反模糊化等一系列处理,得到输出电流增量ΔI d c ,以调节充电电流的大小。
系统中设计当充电电池电压出现-ΔU 且电池温度达图5 模糊控制电池充电记录波形到设定值时,停止快速充电,转为涓流充电状态。
