張昌利 張瑾瑾 楊盼盼
(長安大學(xué)信息工程學(xué)院1) 西安 710064) (長安大學(xué)電子與控制工程學(xué)院2) 西安 710064)
純電動(dòng)汽車因?yàn)楦咝省⒌驮肼?、零排放等顯著優(yōu)點(diǎn),在節(jié)能和環(huán)保方面具有無可比擬的優(yōu)勢,其應(yīng)用和普及是汽車工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必然趨勢[1].與單一能量源的純電動(dòng)汽車相比,將高比能量的蓄電池和高比功率的超級(jí)電容結(jié)合起來形成主輔雙能量源存儲(chǔ)系統(tǒng),更能滿足純電動(dòng)汽車行駛中對能量和功率的雙重要求,同時(shí)增強(qiáng)車輛的續(xù)駛能力和動(dòng)力性能[2].目前,國外對雙能量源純電動(dòng)汽車的研究相對深入,已有車型問世;國內(nèi)的研究和應(yīng)用則剛剛起步,仍處于建模、仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證階段[3-5].
ADVISOR是由美國國家再生能源實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的一款最具代表性的電動(dòng)汽車仿真軟件,使用前向仿真和后向仿真相結(jié)合的混合仿真方法,具有車輛總成參數(shù)匹配與優(yōu)化、車輛傳動(dòng)系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)間能量轉(zhuǎn)化分析、不同循環(huán)工況下排放特性和能量消耗對比、車輛能量管理策略評價(jià)、整車綜合性能預(yù)測和分析等功能[6-7].但是,由于軟件中車輛的結(jié)構(gòu)形式固定有限,目前ADVISOR仍無法對雙能量源純電動(dòng)汽車進(jìn)行仿真.
針對上述情況,本文以蓄電池-超級(jí)電容雙能量源純電動(dòng)汽車作為研究對象,建立了雙能量源存儲(chǔ)系統(tǒng)的功率分配模糊控制策略,在開源ADVISOR 2002軟件之上進(jìn)行了雙能量源模糊控制建模和關(guān)鍵程序二次開發(fā),得到了適合于雙能量源純電動(dòng)汽車仿真的專用平臺(tái),并結(jié)合典型的循環(huán)工況對雙能量源純電動(dòng)汽車的整車動(dòng)力性能進(jìn)行了仿真研究,從而為車輛部件選型、參數(shù)匹配與優(yōu)化、樣車研發(fā)等提供技術(shù)支持.
純電動(dòng)汽車采用的蓄電池-超級(jí)電容雙能量源存儲(chǔ)系統(tǒng)如圖1所示.蓄電池為車載主能量源,具有比能量高、續(xù)航時(shí)間長、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn),但循環(huán)壽命低、不適合大電流放電,主要用于滿足車輛對比能量和循環(huán)壽命的要求.超級(jí)電容為輔助能量源,具有比功率高、循環(huán)壽命長、瞬時(shí)放電電流大、充電時(shí)間短等特點(diǎn)[8],主要用于在車輛加速或爬坡時(shí)提供短時(shí)的大功率輸出.蓄電池和超級(jí)電容組成并聯(lián)結(jié)構(gòu),通過DC/DC變換器對超級(jí)電容的端電壓進(jìn)行調(diào)節(jié),并按照一定的控制策略實(shí)現(xiàn)功率分配.
圖1 蓄電池-超級(jí)電容雙能量源存儲(chǔ)系統(tǒng)
蓄電池-超級(jí)電容雙能量源存儲(chǔ)系統(tǒng)的工作過程為:當(dāng)汽車起步時(shí),超級(jí)電容優(yōu)先大電流放電,啟動(dòng)汽車;當(dāng)汽車正常行駛時(shí),蓄電池和超級(jí)電容按照一定的分配比例同時(shí)對外輸出功率;當(dāng)汽車加速或爬坡時(shí),蓄電池和超級(jí)電容同時(shí)輸出大電流以滿足電機(jī)的高功率需求;當(dāng)汽車制動(dòng)時(shí),電機(jī)工作于再生制動(dòng)狀態(tài),按照超級(jí)電容優(yōu)先的原則利用制動(dòng)回收能量同時(shí)給兩種能量源充電.
根據(jù)上節(jié)分析,設(shè)計(jì)蓄電池-超級(jí)電容雙能量源存儲(chǔ)系統(tǒng)的功率分配模糊控制策略[9]如圖2所示,主要由2個(gè)模塊組成.模糊控制器模塊包含電機(jī)需求功率(再生制動(dòng)狀態(tài)下取負(fù)值)、蓄電池荷電狀態(tài)SOC、超級(jí)電容荷電狀態(tài)SOC 3個(gè)輸入值,根據(jù)一定的模糊控制規(guī)則輸出需求功率的分配比例,本文取蓄電池分配額占總需求功率的比例作為輸出值.需求功率分配模塊根據(jù)功率分配比例,將總的需求功率在蓄電池和超級(jí)電容之間進(jìn)行分配.
圖2 雙能量源存儲(chǔ)系統(tǒng)的模糊控制策略結(jié)構(gòu)
按照高斯型隸屬度函數(shù)的定義,取模糊控制器模塊各輸入變量的模糊集合為E(Preq)={NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB},E(BSOC)={LE,ME,GE}和E(CSOC)={LE,ME,GE},取輸出變量的模糊集合為E(Kbat)={LE,ML,ME,MB,GE}.其中,Prq、BSOC、CSOC、Kbat分別為需求功率、蓄電池SOC、超級(jí)電容SOC及輸出的蓄電池功率分配比例,各模糊值含義為NB(負(fù)大)、NM(負(fù)中)、NS(負(fù)小)、ZE(零)、PS(正小)、PM(正中)、PB(正大)、LE(較小)、ML(中?。?、ME(中)、MB(中大)、GE(較大).則可制定出表1所示的模糊規(guī)則集.
表1 雙能量源存儲(chǔ)系統(tǒng)的功率分配模糊規(guī)則
本節(jié)在開源ADVISOR 2002軟件之上,通過雙能量源模糊控制建模與關(guān)鍵程序二次開發(fā),實(shí)現(xiàn)適用于雙能量源純電動(dòng)汽車(記為EV_DESS)的整車動(dòng)力性能仿真軟件平臺(tái).
在ADVISOR支持的單能量源純電動(dòng)汽車模型EV的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)蓄電池-超級(jí)電容雙能量源純電動(dòng)汽車的頂層結(jié)構(gòu)模型如圖3所示,模型文件命名為EV_DESS.mdl存放于models子文件夾中.
相比于EV,EV_DESS新加了超級(jí)電容模塊<ess2>,DC/DC變換器模塊<dcdc>和控制策略模塊<ctr>.其中,<ess2>來自ADVISOR模塊庫,其路徑為lib_energy_storage/ESSChoices/Ultra-capacitor;<dcdc>和<ctr>為自定義模塊,前者用于調(diào)整超級(jí)電容的端電壓,后者用于對<ess>、<ess2>的功率分配進(jìn)行控制.根據(jù)表1,設(shè)計(jì)<ctr>模塊的Simulink模型如圖4所示.
圖3 蓄電池-超級(jí)電容雙能量源純電動(dòng)汽車EV_DESS的頂層結(jié)構(gòu)模型
圖4 雙能量源存儲(chǔ)系統(tǒng)模糊控制策略的Simulink模型
為了使EV_DESS車型能夠在ADVISOR平臺(tái)上正確加載、配置和仿真,還需對該軟件的部分關(guān)鍵程序進(jìn)行如下的深度二次開發(fā).
首先,在saved_vehicles子文件夾中新建EV_DESS_defaults_in.m文件,對EV_DESS的車輛總成參數(shù)進(jìn)行配置.文件的主體部分仿照EV車型,并增加了超級(jí)電容的配置信息,主要代碼為:
其次,以EV車型為藍(lán)本繪制EV_DESS的車型圖,區(qū)分蓄電池和超級(jí)電容兩種能量源.將車型圖文件命名為electric_dess.jpg,存放于gui子文件夾中.
再次,在MATLAB命令行環(huán)境應(yīng)用gui子文件夾中定義的optionlist函數(shù),對車輛數(shù)據(jù)進(jìn)行增刪、讀取和修改等操作,具體命令包括:
進(jìn)而,對與主界面相關(guān)的多個(gè)m文件進(jìn)行修改,以正確加載EV_DESS車型.比如,在文件InputFigControl.m中“case drivetrain”語句下面增加:
表明EV_DESS車型中沒有這些部件總成,主界面中的對應(yīng)控件將顯示為不可用.在文件gui_image.m中“switch drivetrain”語句下面增加:
設(shè)定車型圖片中各零部件的具體位置,用于響應(yīng)主界面上用戶的鼠標(biāo)點(diǎn)擊事件.在文件block_diagram_name.m中“switch drivetrain”語句下面增加:
使EV_DESS車型與頂層結(jié)構(gòu)模型關(guān)聯(lián)起來.
最后,要實(shí)現(xiàn)對EV_DESS車型的正確仿真,還需對其它大量的m文件進(jìn)行修改,涵蓋了ADVISOR軟件的大部分主干內(nèi)容.但是,與前述改動(dòng)不同,這些改動(dòng)相對簡單,基本上具有類似的模式.
為了分析和驗(yàn)證蓄電池-超級(jí)電容雙能量源純電動(dòng)汽車的特點(diǎn),選用美國丹弗客車工況CYC_BUSRTE、中心商業(yè)區(qū)工況CYC_CBD14進(jìn)行仿真分析.其中,汽車整車及電機(jī)、蓄電池和超級(jí)電容的部分參數(shù)見表2.
表2 蓄電池-超級(jí)電容雙能量源純電動(dòng)汽車參數(shù)
表3從經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性2個(gè)方面列舉了蓄電池-超級(jí)電容雙能量源純電動(dòng)汽車的ADVISOR仿真結(jié)果,可見CYC_BUSRTE,CYC_CBD14兩種循環(huán)工況下的百公里電能消耗互不相同.其主要原因是CYC_BUSRTE工況中制動(dòng)頻繁,超級(jí)電容在制動(dòng)過程中發(fā)揮了更好的能量回收作用,使能量利用率得到提高,汽車的續(xù)駛里程也相應(yīng)增加.
此外,CYC_BUSRTE,CYC_CBD14兩種循環(huán)工況下蓄電池和超級(jí)電容的SOC及電流變化情況如圖5所示.可見,采用本文的雙能量源存儲(chǔ)系統(tǒng)的功率分配模糊控制策略,可以充分發(fā)揮超級(jí)電容的“削峰填谷”作用,避免了蓄電池的大電流充放電,使蓄電池的功率輸出盡可能保持恒定和平滑,從而提高雙能量源存儲(chǔ)系統(tǒng)的循環(huán)壽命;可以增強(qiáng)制動(dòng)能量的回收能力,提高蓄電池-超級(jí)電容雙能量源系統(tǒng)的充放電效率,從而在提高純電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程的同時(shí),提高整車的動(dòng)力性能,達(dá)到動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的統(tǒng)一.
表3 兩種循環(huán)工況下蓄電池-超級(jí)電容雙能量源純電動(dòng)汽車的ADVISOR仿真結(jié)果
圖5 2種循環(huán)工況下蓄電池、超級(jí)電容的SOC及電流變化情況
針對蓄電池-超級(jí)電容雙能量源純電動(dòng)汽車,建立了雙能量源存儲(chǔ)系統(tǒng)的功率分配模糊控制策略.在電動(dòng)汽車仿真軟件ADVISOR之上通過雙能量源模糊控制建模和關(guān)鍵程序二次開發(fā),獲得了適合蓄電池-超級(jí)電容雙能量源純電動(dòng)汽車仿真的專用軟件平臺(tái),擴(kuò)充了ADVISOR軟件的車型支持范圍.結(jié)合CYC_BUSRTE,CYC_CBD14兩種循環(huán)工況,對雙能量源純電動(dòng)汽車進(jìn)行了整車動(dòng)力性能仿真.仿真結(jié)果表明,采用蓄電池-超級(jí)電容雙能量源存儲(chǔ)系統(tǒng),能夠同時(shí)滿足純電動(dòng)汽車對能量和功率的雙重要求,車輛的經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性同時(shí)得到了提高.
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