电动汽车复合电源控制研究范文

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《黑龙江大学自然科学学报》2016年第5期

摘要:

针对蓄电池单独作为汽车电源不能满足纯电动汽车短时间功率的需求问题，可采用超级电容与双向DC/DC串联再与蓄电池并联的复合电源来满足汽车功率的需求。利用模糊控制工具箱设计对于复合电源功率分配的模糊控制器，搭建整车复合电源控制策略模块，应用Cruise软件快速完成整车模型的搭建，将控制策略添加到整车模型中。仿真结果表明，纯电动汽车复合电源控制策略能够有效地分配蓄电池和超级电容的功率，从而使超级电容充分发挥“削峰填谷”的作用。

关键词:

纯电动汽车;复合电源;模糊控制;联合仿真

0引言

动力汽车要求其车载电源具有充放电功率大、充放电效率高、使用寿命长、容量衰减小等特点［1－2］。而蓄电池单独作为汽车的电源时存在充电时间长、比功率太低，不能满足汽车短时间功率需求问题，严重影响汽车的加速、爬坡、制动性能及能量回收效率，不能完全满足汽车对车载电源的要求［3－5］。超级电容充放电迅速，可瞬间大电流充放电，充放电能力比蓄电池要高100多倍，动态特性很好，循环寿命在10万次左右［6－7］。一种新的汽车电源是将超级电容与蓄电池结合起来使用，由蓄电池提供整车运行期间电机需求的平均电功率，而超级电容则提供电机需求的峰值功率，这样可以充分发挥蓄电池比能量大和超级电容比功率高的优点［8］。针对超级电容和蓄电池构成的复合电源系统，实现能量的合理分配是关键。模糊控制利用人的经验、知识和推理技术及控制系统提供的状态条件信息，不依赖物理过程的精确数学模型，具有较好的鲁棒性，控制性能高，简化了复杂的控制问题［9－12］。Cruise是研究汽车动力性、燃油经济性、排放性及制动性能的高级模拟分析软件，灵活的模块化理念使得Cruise可对任意结构形式的汽车传动系统进行建模和仿真［13］。本文采用Cruise/Simulink联合仿真的形式，在基于传统电动车模型的基础上，添加超级电容模型和双向DC/DC模型，利用Cruise搭建整车模型，在Matlab/Simulink中设计了针对复合电源的模糊控制策略，将控制参数进行模糊化处理，并通过MatlabDLL方式进行联合仿真，实现复合电源功率的合理分配，并对模糊控制策略和整车性能进行研究分析。

1复合电源的结构

复合电源主要由蓄电池、超级电容和双向DC/DC组成。复合电源的拓扑结构有很多，例如:蓄电池和超级电容直接并联，蓄电池与双向DC/DC串联，再与超级电容并联［14－15］。本文选择的是超级电容与双向DC/DC串联，再与蓄电池并联共同向负载电机提供电能的方式。复合电源的工作模式为:当汽车正常行驶，需求功率低时，由蓄电池单独向电机供电;当汽车需求功率较高时，蓄电池和超级电容共同给电机供电，并且由蓄电池提供平均功率，超级电容提供峰值功率。当汽车制动时，超级电容优先回收制动能量，在超级电容不能再回收时由蓄电池回收能量。控制策略通过控制双向DC/DC的升降压来控制超级电容的充放电。复合电源组成结构如图1所示。功率总线的功率信息，蓄电池和超级电容SOC(Stateofcharge)等状态信息为模糊控制器控制的输入，经过控制器对功率进行分配。由于汽车在整个运行过程中会经历多种工况，而且交通状况复杂，汽车状态切换频繁，且各种工况下的电机功率、蓄电池、超级电容的状态都各不相同，需要制定合理的功率分配控制策略，使得在保证整车动力性的前提下，利用超级电容高比功率，能够瞬时大电流充放电的特性，为蓄电池“削峰填谷”，减小大电流对蓄电池的冲击，延长蓄电池的使用寿命，提高充放电效率，并且最大限度地回收制动能量，提高整车的效率和经济性［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设计了对于复合电源功率分配的三输入、单输出的模糊控制器，输入为汽车的需求功率Preq，蓄电池荷电状态BSOC，超级电容荷电状态SSOC。输出为蓄电池功率分配因子(Kcap)。汽车的驱动电机有电动和发电两种工作模式，在这两种工作模式下系统需求功率大小和波动范围有较大差别，控制的侧重点也不同［19］。因此，在正常行驶与制动两种工作模式下应分别制定复合电源控制策略，即需要两个模糊控制器，它们的模糊控制规则不同，但是两个模糊控制器都是三输入单输出且输入变量和输出变量相同。因此，在Preq＞0和Preq＜0时各设计一个控制器，分别为模糊控制器A和模糊控制器B。当Preq＞0时，设输入量Preq的论域为［04］，模糊集为{S、MS、M、MB、B}，分别表示{小、较小、中、较大、大}。动力电池BSOC的论域为［0．20．9］，模糊集{S、M、B}，分别表示{小、中、大}，超级电容SSOC的论域为［0．11］，模糊集{S、M、B}，分别表示{小、中、大}。输出量为动力电池功率分配因子Kcap，其论域为［01］，模糊集{S、MS、M、MB、B}，分别表示{小、较小、中、较大、大}。各输入结果如图2所示。当Preq＜0时，设输入量Preq的论域为［－10］，模糊集为{B、M、S}，分别表示{大、中、小}。蓄电池和超级电容的SOC论域、模糊集、隶属度函数和Preq＞0时是一样的。输出量为蓄电池功率分配因子Kcap，其论域为［01］，模糊集{S、M、B}，分别表示{小、中、大}，输入输出量的隶属函数如图3所示。根据前面设计的模糊控制器，在Matlab/Simulink环境下建立复合电源模糊控制策略模型如图4所示，模糊控制器根据输入变量的变化调节输出比例因子Kcap，从而得出蓄电池所分配的功率，因为汽车的需求功率由蓄电池和超级电容共同提供，所以汽车需求功率减去蓄电池所分配功率得到超级电容分配功率。

3整车模型的搭建

将建好的控制策略添加到Cruise中主要有MatlabDLL和MatlabAPI两种方法。联合仿真的结果都可以直接从Cruise获得。但是用MatlabDLL方法仿真的时间比采用MatlabAPI方式短很多。因此，本论文中采用的是MatlabDLL方式。在控制策略模型建好之后，需要进行模型编译，编译完成后生成controler．dll文件，在Cruise模型中放入MatlabDLL接口模块，进行接口模块的参数设置，完成以上设置后，在Cruisedatabus中完成相应的数据通信，即可实现Cruise与MatlabDLL方式联合仿真［19－20］。在进行信号通信时实际上是一个数据交换过程，Cruise通过数据接口将动力蓄电池和超级电容SOC值、电机转速、负载信号、超级电容电压值等信息传递给Simulink中的模糊控制策略模型，之后Simulink模型将超级电容电流、转换开关信号反馈给Cruise模块中的电气终端、电机及驾驶员，以建立Cruise和Simulink之间的数据通信。AVLCruise软件中含有简捷通用的模型部件、易懂的管理系统、可以与Matlab、C、Fortran接口完成复杂控制算法的设计和离线仿真，也可与DSPACE等硬件接口，展开实时仿真，真实模拟车辆传动系统，完成对复杂动力传动系统的仿真分析，整车仿真模型如图5所示。在进行整车建模时，从模块库中直接拖拽部件模块来搭建整车模型。修改部件属性来快速完成整车模型的参数设定并进行部件间的机械连接、电气联接和信号联接。

4仿真结果与分析

采用中国城市道路工况作为本文的循环工况。中国城市道路工况是中国汽车技术研究中心根据我国各大城市的行驶特征研究出的更加适合我国的城市工况。中国城市道路工况如图6所示，工况总运行时间是1304s。工况中最大速度达60km•h－1，其中怠速时间占工况总时间的28．8%，除去怠速部分之后平均车速则为22．6km•h－1。从图6可直观的看到我国交通系统中存在车辆怠速时间长、总体的均车速低、车辆的速度变化频繁等特点。图7是在中国典型城市道路工况下车辆行驶的当前车速度与期望速度变化曲线。从图中可以看出两条曲线基本保持一致，速度没有出现大的波动，这说明车辆的跟随性和平顺性都比较好。图8是在中国典型城市道路工况下，蓄电池和超级电容所需提供的功率曲线图。从图中可以看出在车辆运行过程中由超级电容和蓄电池共同供电，电池提供的功率比较平稳，在6kW左右。在制动时由超级电容吸收峰值功率，最大峰值功率达到10kW。超级电容充分发挥“削峰填谷”的作用，从而验证制定的模糊控制策略的有效性。

5结论

在纯电动汽车的基础上，借助Cruise软件搭建了带有复合电源模块的整车模型。详细介绍了通过联合仿真的方法将Simulink里搭建的策略模块加入到整车模型中的步骤。其他用户可以根据类似方法开发自定义策略和车型。提出超级电容与双向DC/DC并联再与电池串联的复合电源结构。用模糊控制工具箱设计对于复合电源功率分配的模糊控制器，搭建整车复合电源控制策略模块，使得超级电容充分发挥了提供瞬时功率的作用，避免了蓄电池过充和过放，提高了复合电源系统的循环使用寿命。此设计方案和仿真结果对于纯电动汽车复合电源系统的研究具有一定的参考价值。

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作者:周美兰 胡玲玲 张宇 单位:哈尔滨理工大学电气与电子工程学院 哈尔滨职业技术学院电气工程学院