[發明專利]一種基于小波-模糊邏輯的混合動力船舶能量管理系統及控制方法

有效

• 申請號: 201710284023.3
• 申請日: 2017-04-26
• 公開（公告）號: CN107140168B
• 公開（公告）日: 2019-03-19
• 發明（設計）人: 袁裕鵬;張潔楠;劉翰林;陳丁寧
• 申請（專利權）人: 武漢理工大學
• 主分類號: B63H21/20
• 分類號: B63H21/20;G05B13/04
• 代理公司: 武漢科皓知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 魯力

1.一種基于小波-模糊邏輯的混合動力船舶能量管理系統，其特征在于，包括能源系統能量管理系統采集裝置；其中，

所述能源系統包括

燃料電池模塊：船舶主電源，燃料電池輸出的電能通過單向DC/DC中電壓控制單元變壓后給直流母線供電，同時通過雙向DC/DC給鋰電池和超級電容進行充電；

蓄電池模塊：船舶備用和啟動電源，為燃料電池正常啟動提供所需裝置提供能量；在緊急情況時由鋰離子電池作為應急電源，承擔全船緊急供電需求，從而增強混合動力系統的可靠性；

超級電容模塊，船舶補償電源，承擔動力系統中高頻變化的功率需求，并當動力系統功率需求大且頻率快時，承擔峰值電流輸出，起到削峰填谷的作用，使燃料電池平緩的提供能量；

能量管理系統采集裝置包括：

采集控制模塊：采集燃料電池的輸出電壓、電流，鋰電池的輸出電壓、電流、荷電狀態，超級電容的電壓、荷電狀態及直流母線的電壓、電流，并將采集到的數據進行轉發、存儲，并得到的船舶總的功率需求；為能量管理系統的智能算法的運算、處理提供數據支持，同時這些數據也會實時傳送到船舶控制臺的相關界面上，供控制臺工作人員了解船舶運行情況；

小波轉換模塊：根據采集控制模塊采集的數據得到的船舶總的功率需求，通過小波變換將得到高、中、低三個不同頻率段的功率需求，根據混合動力系統特性，低頻分量對應的功率為燃料電池的參考輸入功率，中頻分量對應的功率則為蓄電池的參考輸入功率，高頻分量對應的功率為超級電容的參考輸入功率，得到三個輸出量：燃料電池參考功率需求、蓄電池參考功率需求、超級電容參考功率需求；

模糊邏輯控制模塊：將總的功率需求、蓄電池的荷電狀態、超級電容的荷電狀態作為輸入量送入模糊控制器，經過模糊化，模糊推理，解模糊得到準確輸入量，得到模糊規則；

工作模式制定：船舶正常航行時，按船舶當前功率需求分為三種工作模式，分別是

工作模式一：燃料電池作為主動力源，超級電容及蓄電池作為被充電元件；

工作模式二：燃料電池做主動力源，所述超級電容及蓄電池中其一作為輔助動力源；

工作模式三：燃料電池、蓄電池超級電容共同作為動力源。

2.根據權利要求1所述的一種基于小波-模糊邏輯的混合動力船舶能量管理系統，其特征在于：所述采集控制模塊包括電壓傳感器、直流電流傳感器、霍爾傳感器、CAN總線、PLC控制器、模糊邏輯控制器，采集控制步驟包括：

PLC控制器及相應傳感器：所述PLC控制器和相應傳感器構成數據采集系統對船舶運行狀態和電源供電系統狀態相關數據進行采集并送至上位機，所述傳感器包括電壓傳感器、直流電流傳感器、霍爾傳感器；

上位機以及下位機：上位機接收PLC控制器采集的數據，下位機通過UART串口將電機主軸轉速、GPS傳感器信號、燃料電池、蓄電池、超級電容及母線上電壓電流、供給功率及電池剩余電量數據發送至工控機；

工控機：接收下位機發送的數據并將數據解壓整理，提取出驅動電機主軸轉速和相關電參量，連同GPS模塊采集的船舶航行數據送至模糊邏輯控制器；

模糊邏輯控制器：利用模糊邏輯控制算法對數據進行運算，制定控制策略與控制命令發送至PLC控制器，由PLC控制各個動力源的工作狀態和功率輸出值。

3.一種基于小波-模糊邏輯的混合動力船舶能量管理控制方法，其特征在于，包括：

步驟1，獲得三種能量源初步參考功率需求，通過小波變換將船舶所需實時功率分解為高、中、低三種不同頻段的功率分別對應超級電容、蓄電池和燃料電池三種能量源；具體是采用Haar小波基，基于公式：

將采集控制模塊所得到船舶總的功率需求P₁，通過小波變換被分解為高頻和低頻功率信號，再將低頻功率信號依次由高通濾波器和低通濾波器分解；經過二次分解后，需求功率被分解為高頻信號x₁、x₂、x₃及低頻信號x₀；根據混合動力系統特性，將低頻信號分配給燃料電池和蓄電池，其參考輸出功率分別為

P_{ref_fc}＝0.6X₀(n)

P_{ref_bat}＝0.4X₀(n)

將高頻信號分配給超級電容，其參考輸出功率為

P_{ref_uc}＝x₁+x₂+x₃

得到三個輸出量：燃料電池初步參考功率需求P_{ref_fc}、蓄電池初步參考功率需求P_{ref_bat}、超級電容初步參考功率需求P_{ref_uc}；

然后編寫模糊控制器獲得蓄電池和超級電容能量的模糊參考輸出功率P_{fuzzy_bat}和P_{fuzzy_uc}；

步驟2，：模糊化；通過模糊邏輯控制模塊將根據權利要求1所述采集控制模塊所得到的船舶總功率需求P₁和蓄電池的荷電狀態SOC_bat、超級電容的荷電狀態SOC_UC通過瑪達尼控制推理方法模糊化，并選用合適的隸屬度函數進行對論域的劃分；根據工程經驗選取隸屬度函數；其中，由于三角形隸屬度函數與梯形隸屬度函數相對簡單，適用于工程，所以蓄電池模糊控制輸出功率P_{fuzzy_bat}和超級電容模糊控制參考輸出功率P_{fuzzy_uc}采用了三角形隸屬度函數和梯形隸屬度函數外，其他三個變量都采用三角形隸屬度函數；在MATLAB仿真環境中建立系統仿真模型，通過實驗結果調試隸屬度函數的參數；具體如下：

將蓄電池荷電狀態SOC_bat分為：L(低)為’trimf’，[a_L1 a_L2 a_L3]、M(中)為’trimf’，[a_M1a_M2 a_M3]、H(高)為trimf’，[a_H1 a_H2 a_H3]三個模糊集合；

將超級電容荷電狀態SOC_UC分為：L(低)為’trimf’，[b_L1 b_L2 b_L3]、M(中)為’trimf’，[b_M1b_M2 b_M3]、H(高)為’trimf’，[b_H1 b_H2 b_H3]三個模糊集合；

將總功率需求分為：S(小)為’trimf’，[c_S1 c_S2 c_S3]、M(中)為’trimf’，[c_M1 c_M2 c_M3]、B(大)為’trimf’，[c_B1 c_B2 c_B3]三個模糊集合；

將蓄電池的模糊控制輸出功率P_{fuzzy_bat}和超級電容模糊輸出功率P_{fuzzy_uc}分為：NB(反向大)為’trapmf’，[d_NB1 d_NB2 d_NB3 d_NB4]、NM(反向中)為’trapmf’，[d_NM1 d_NM2d_NM3 d_NM4]、NS(反向小)為’trapmf’，[d_NS1 d_NS2 d_NS3 d_NS4]、Z(雙向趨于0)為’trimf’，[d_Z1 d_Z2 d_Z3 d_Z4]、PS(正向小)為’trapmf’，[d_PS1 d_PS2 d_PS3 d_PS4]、PM(正向中)為’trapmf’，[d_PM1 d_PM2d_PM3 d_PM4]、PB(正向大)為’trapmf’，[d_PB1 d_PB2 d_PB3 d_PB4]七個模糊集合；

步驟3：根據系統的動態特性設立規則庫：船舶功率需求為P₁，燃料電池輸出功率為P_FC，蓄電池輸出功率為P_bat，超級電容輸出功率為P_UC能量控制規則如下：

控制規則a.當P₁處于模糊子集小時，系統進入工作模式一，此時P_FC＝P₁-P_bat-P_UC，此時超級電容及蓄電池處于充電狀態，且優先給超級電容充電；

控制規則b.當P₁處于模糊子集中時，系統進入工作模式二，此時P₁＝P_FC+P_UC或P₁＝P_FC+P_bat，燃料電池與超級電容或蓄電池中SOC處于模糊子集大的一方混合供電；

控制規則c.當P₁處于模糊子集大時，系統進入工作模式三，此時P₁＝P_FC+P_UC+P_bat，三種動力源混合供電；

步驟4：去模糊化得到所需的控制輸出量燃料電池的功率要求、蓄電池的功率要求、超級電容的電壓要求；其中去模糊化采用面積重心法，即將描述輸出模糊集合的隸屬度函數曲線與橫坐標所圍成的面積的均分點所對應的論域元素作為判決結果，公式為

式中v₀解模糊化后的精確值，v為輸入變量，f(v)為隸屬度函數，α_H為相應隸屬度函數上限，α_L為相應隸屬度函數下限；

根據以上所述，可以得到各模糊量去模糊化后的精確值：

蓄電池荷電狀態：式中SOC_bat為蓄電池剩余電量值，f_L(SOC_bat)為L(低)相應的隸屬度函數，α_H1為L(低)相應的隸屬度函數上限，α_L1為相應隸屬度函數下限；同理可得M(中)＝a₂，H(高)＝a₃；

超級電容荷電狀態：式中SOC_UC為超級電容剩余電量值，f_L(SOC_UC)為L(低)相應的隸屬度函數，α_H2為L(低)相應的隸屬度函數上限，α_L2為相應隸屬度函數下限；同理可得M(中)＝b₂，H(高)＝b₃；

參考功率需求：式中P₁為船舶功率需求，f_S(P₁)為S(小)相應的隸屬度函數，α_H3為S(小)相應的隸屬度函數上限，α_L3為S(小)相應隸屬度函數下限；同理可得M(中)＝c₂，B(大)＝c₃；

蓄電池模糊控制輸出功率：式中P_bat為蓄電池輸出功率，f_NB(P_bat)為NB(反向小)相應的隸屬度函數，α_H4為NB(反向小)相應的隸屬度函數上限，α_L4為NB(反向小)相應隸屬度函數下限；同理可得NM(反向中)＝d₂，NS(反向小)＝d₃，Z(雙向趨于0)＝d₄，PS(正向小)＝d₅，PM(正向中)＝d₆，PB(正向大)＝d₇；

超級電容模糊控制輸出功率：式中P_UC為蓄電池輸出功率，f_NB(P_UC)為NB(反向小)相應的隸屬度函數，α_H5為NB(反向小)相應的隸屬度函數上限，α_L5為NB(反向小)相應隸屬度函數下限；同理可得NM(反向中)＝e₂，NS(反向小)＝e₃，Z(雙向趨于0)＝e₄，PS(正向小)＝e₅，PM(正向中)＝e₆，PB(正向大)＝e₇；

將根據模糊規則推斷的結果根據以上規則去模糊化后即可值即為蓄電池的模糊控制輸出功率P_{fuzzy_bat}和超級電容模糊輸出功率P_{fuzzy_uc}

步驟五：小波變換得到的蓄電池和超級電容參考功率輸出與模糊控制得到的燃料電池和超級電容的參考功率輸出調節量的差，作為最終的功率輸出值，即

P_bat＝P_{ref_bat}-P_{fuzzy_bat}

P_UC＝P_{ref_uc}-P_{fuzzy_UC}

燃料電池輸出功率可由小波變換得到的燃料電池參考功率輸出與模糊控制輸出量的差得出，即：

P_FC＝P_{ref_fc}-P_{fuzzy_bat}-P_{fuzzy_UC}。