電動汽車復合電源控制研究范文

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《黑龍江大學自然科學學報》2016年第5期

摘要:

針對蓄電池單獨作為汽車電源不能滿足純電動汽車短時間功率的需求問題，可采用超級電容與雙向DC/DC串聯再與蓄電池并聯的復合電源來滿足汽車功率的需求。利用模糊控制工具箱設計對于復合電源功率分配的模糊控制器，搭建整車復合電源控制策略模塊，應用Cruise軟件快速完成整車模型的搭建，將控制策略添加到整車模型中。仿真結果表明，純電動汽車復合電源控制策略能夠有效地分配蓄電池和超級電容的功率，從而使超級電容充分發揮“削峰填谷”的作用。

關鍵詞:

純電動汽車;復合電源;模糊控制;聯合仿真

0引言

動力汽車要求其車載電源具有充放電功率大、充放電效率高、使用壽命長、容量衰減小等特點［1－2］。而蓄電池單獨作為汽車的電源時存在充電時間長、比功率太低，不能滿足汽車短時間功率需求問題，嚴重影響汽車的加速、爬坡、制動性能及能量回收效率，不能完全滿足汽車對車載電源的要求［3－5］。超級電容充放電迅速，可瞬間大電流充放電，充放電能力比蓄電池要高100多倍，動態特性很好，循環壽命在10萬次左右［6－7］。一種新的汽車電源是將超級電容與蓄電池結合起來使用，由蓄電池提供整車運行期間電機需求的平均電功率，而超級電容則提供電機需求的峰值功率，這樣可以充分發揮蓄電池比能量大和超級電容比功率高的優點［8］。針對超級電容和蓄電池構成的復合電源系統，實現能量的合理分配是關鍵。模糊控制利用人的經驗、知識和推理技術及控制系統提供的狀態條件信息，不依賴物理過程的精確數學模型，具有較好的魯棒性，控制性能高，簡化了復雜的控制問題［9－12］。Cruise是研究汽車動力性、燃油經濟性、排放性及制動性能的高級模擬分析軟件，靈活的模塊化理念使得Cruise可對任意結構形式的汽車傳動系統進行建模和仿真［13］。本文采用Cruise/Simulink聯合仿真的形式，在基于傳統電動車模型的基礎上，添加超級電容模型和雙向DC/DC模型，利用Cruise搭建整車模型，在Matlab/Simulink中設計了針對復合電源的模糊控制策略，將控制參數進行模糊化處理，并通過MatlabDLL方式進行聯合仿真，實現復合電源功率的合理分配，并對模糊控制策略和整車性能進行研究分析。

1復合電源的結構

復合電源主要由蓄電池、超級電容和雙向DC/DC組成。復合電源的拓撲結構有很多，例如:蓄電池和超級電容直接并聯，蓄電池與雙向DC/DC串聯，再與超級電容并聯［14－15］。本文選擇的是超級電容與雙向DC/DC串聯，再與蓄電池并聯共同向負載電機提供電能的方式。復合電源的工作模式為:當汽車正常行駛，需求功率低時，由蓄電池單獨向電機供電;當汽車需求功率較高時，蓄電池和超級電容共同給電機供電，并且由蓄電池提供平均功率，超級電容提供峰值功率。當汽車制動時，超級電容優先回收制動能量，在超級電容不能再回收時由蓄電池回收能量。控制策略通過控制雙向DC/DC的升降壓來控制超級電容的充放電。復合電源組成結構如圖1所示。功率總線的功率信息，蓄電池和超級電容SOC(Stateofcharge)等狀態信息為模糊控制器控制的輸入，經過控制器對功率進行分配。由于汽車在整個運行過程中會經歷多種工況，而且交通狀況復雜，汽車狀態切換頻繁，且各種工況下的電機功率、蓄電池、超級電容的狀態都各不相同，需要制定合理的功率分配控制策略，使得在保證整車動力性的前提下，利用超級電容高比功率，能夠瞬時大電流充放電的特性，為蓄電池“削峰填谷”，減小大電流對蓄電池的沖擊，延長蓄電池的使用壽命，提高充放電效率，并且最大限度地回收制動能量，提高整車的效率和經濟性［16－18］。

2模糊控制策略模型

利用Matlab中提供的模糊控制工具箱設計了對于復合電源功率分配的三輸入、單輸出的模糊控制器，輸入為汽車的需求功率Preq，蓄電池荷電狀態BSOC，超級電容荷電狀態SSOC。輸出為蓄電池功率分配因子(Kcap)。汽車的驅動電機有電動和發電兩種工作模式，在這兩種工作模式下系統需求功率大小和波動范圍有較大差別，控制的側重點也不同［19］。因此，在正常行駛與制動兩種工作模式下應分別制定復合電源控制策略，即需要兩個模糊控制器，它們的模糊控制規則不同，但是兩個模糊控制器都是三輸入單輸出且輸入變量和輸出變量相同。因此，在Preq＞0和Preq＜0時各設計一個控制器，分別為模糊控制器A和模糊控制器B。當Preq＞0時，設輸入量Preq的論域為［04］，模糊集為{S、MS、M、MB、B}，分別表示{小、較小、中、較大、大}。動力電池BSOC的論域為［0．20．9］，模糊集{S、M、B}，分別表示{小、中、大}，超級電容SSOC的論域為［0．11］，模糊集{S、M、B}，分別表示{小、中、大}。輸出量為動力電池功率分配因子Kcap，其論域為［01］，模糊集{S、MS、M、MB、B}，分別表示{小、較小、中、較大、大}。各輸入結果如圖2所示。當Preq＜0時，設輸入量Preq的論域為［－10］，模糊集為{B、M、S}，分別表示{大、中、小}。蓄電池和超級電容的SOC論域、模糊集、隸屬度函數和Preq＞0時是一樣的。輸出量為蓄電池功率分配因子Kcap，其論域為［01］，模糊集{S、M、B}，分別表示{小、中、大}，輸入輸出量的隸屬函數如圖3所示。根據前面設計的模糊控制器，在Matlab/Simulink環境下建立復合電源模糊控制策略模型如圖4所示，模糊控制器根據輸入變量的變化調節輸出比例因子Kcap，從而得出蓄電池所分配的功率，因為汽車的需求功率由蓄電池和超級電容共同提供，所以汽車需求功率減去蓄電池所分配功率得到超級電容分配功率。

3整車模型的搭建

將建好的控制策略添加到Cruise中主要有MatlabDLL和MatlabAPI兩種方法。聯合仿真的結果都可以直接從Cruise獲得。但是用MatlabDLL方法仿真的時間比采用MatlabAPI方式短很多。因此，本論文中采用的是MatlabDLL方式。在控制策略模型建好之后，需要進行模型編譯，編譯完成后生成controler．dll文件，在Cruise模型中放入MatlabDLL接口模塊，進行接口模塊的參數設置，完成以上設置后，在Cruisedatabus中完成相應的數據通信，即可實現Cruise與MatlabDLL方式聯合仿真［19－20］。在進行信號通信時實際上是一個數據交換過程，Cruise通過數據接口將動力蓄電池和超級電容SOC值、電機轉速、負載信號、超級電容電壓值等信息傳遞給Simulink中的模糊控制策略模型，之后Simulink模型將超級電容電流、轉換開關信號反饋給Cruise模塊中的電氣終端、電機及駕駛員，以建立Cruise和Simulink之間的數據通信。AVLCruise軟件中含有簡捷通用的模型部件、易懂的管理系統、可以與Matlab、C、Fortran接口完成復雜控制算法的設計和離線仿真，也可與DSPACE等硬件接口，展開實時仿真，真實模擬車輛傳動系統，完成對復雜動力傳動系統的仿真分析，整車仿真模型如圖5所示。在進行整車建模時，從模塊庫中直接拖拽部件模塊來搭建整車模型。修改部件屬性來快速完成整車模型的參數設定并進行部件間的機械連接、電氣聯接和信號聯接。

4仿真結果與分析

采用中國城市道路工況作為本文的循環工況。中國城市道路工況是中國汽車技術研究中心根據我國各大城市的行駛特征研究出的更加適合我國的城市工況。中國城市道路工況如圖6所示，工況總運行時間是1304s。工況中最大速度達60km•h－1，其中怠速時間占工況總時間的28．8%，除去怠速部分之后平均車速則為22．6km•h－1。從圖6可直觀的看到我國交通系統中存在車輛怠速時間長、總體的均車速低、車輛的速度變化頻繁等特點。圖7是在中國典型城市道路工況下車輛行駛的當前車速度與期望速度變化曲線。從圖中可以看出兩條曲線基本保持一致，速度沒有出現大的波動，這說明車輛的跟隨性和平順性都比較好。圖8是在中國典型城市道路工況下，蓄電池和超級電容所需提供的功率曲線圖。從圖中可以看出在車輛運行過程中由超級電容和蓄電池共同供電，電池提供的功率比較平穩，在6kW左右。在制動時由超級電容吸收峰值功率，最大峰值功率達到10kW。超級電容充分發揮“削峰填谷”的作用，從而驗證制定的模糊控制策略的有效性。

5結論

在純電動汽車的基礎上，借助Cruise軟件搭建了帶有復合電源模塊的整車模型。詳細介紹了通過聯合仿真的方法將Simulink里搭建的策略模塊加入到整車模型中的步驟。其他用戶可以根據類似方法開發自定義策略和車型。提出超級電容與雙向DC/DC并聯再與電池串聯的復合電源結構。用模糊控制工具箱設計對于復合電源功率分配的模糊控制器，搭建整車復合電源控制策略模塊，使得超級電容充分發揮了提供瞬時功率的作用，避免了蓄電池過充和過放，提高了復合電源系統的循環使用壽命。此設計方案和仿真結果對于純電動汽車復合電源系統的研究具有一定的參考價值。

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作者:周美蘭 胡玲玲 張宇 單位:哈爾濱理工大學電氣與電子工程學院 哈爾濱職業技術學院電氣工程學院