純電動(dòng)汽車(chē)復(fù)合電源能量管理的仿真

郝美超

（天津理工大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，天津 300384）

0 引言

純電動(dòng)汽車(chē)具有功耗低、零排放等優(yōu)點(diǎn)，是汽車(chē)行業(yè)發(fā)展的新寵[1]。實(shí)踐證明，功率密度低、循環(huán)壽命短依然是電化學(xué)電池普遍存在的缺陷[2]，極大地限制了純電動(dòng)汽車(chē)的普及和發(fā)展。而超級(jí)電容具有高比功率、大電流快速充放電、循環(huán)壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，在汽車(chē)行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用[3,4]。超級(jí)電容或蓄電池任何一種單一動(dòng)力源，都無(wú)法達(dá)到純電動(dòng)汽車(chē)對(duì)能量源的性能要求。因此，采用動(dòng)力電池—超級(jí)電容組成的復(fù)合電源，二者優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，蓄電池提供車(chē)輛行駛時(shí)的平均功率，而超級(jí)電容則填補(bǔ)尖峰功率，并且當(dāng)車(chē)輛制動(dòng)時(shí)，超級(jí)電容吸收回饋能量，有效地兼顧純電動(dòng)汽車(chē)對(duì)功率和能量的雙重要求，提高能量利用率。

1 復(fù)合電源儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

復(fù)合電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是可以使超級(jí)電容對(duì)直流母線(xiàn)的功率波動(dòng)快速反應(yīng)，為純電動(dòng)汽車(chē)加速爬坡時(shí)提供較大的瞬時(shí)功率，并能迅速吸收直流母線(xiàn)向復(fù)合電源系統(tǒng)提供的回饋能量。

圖1 復(fù)合電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 工作原理

1）當(dāng)電動(dòng)汽車(chē)需求功率較低，蓄電池為負(fù)載提供能量的同時(shí)并給超級(jí)電容充電，以保證超級(jí)電容始終工作在最佳狀態(tài)；

2）當(dāng)電動(dòng)汽車(chē)在加速、爬坡或高速行駛時(shí)，負(fù)載需求功率較高，此時(shí)由超級(jí)電容和蓄電池共同提供能量；

3）當(dāng)電動(dòng)汽車(chē)工作于制動(dòng)狀態(tài)，超級(jí)電容SOC較大時(shí)，回饋的能量由蓄電池和超級(jí)電容共同吸收；若超級(jí)電容SOC較小時(shí)，回饋的能量全部由超級(jí)電容吸收。

2 能量管理系統(tǒng)控制策略—模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

模糊控制無(wú)需知道對(duì)象精確的數(shù)學(xué)模型，可以克服由于過(guò)程本身的不確定性、不精確性帶來(lái)的問(wèn)題[5,6]。而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有良好的非線(xiàn)性映射、自學(xué)習(xí)自適應(yīng)等能力。由于復(fù)合電源能量管理系統(tǒng)是個(gè)復(fù)雜的非線(xiàn)性系統(tǒng)，模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)集二者優(yōu)點(diǎn)于一體，使能量控制過(guò)程更具靈活性。

2.1 模糊邏輯控制的設(shè)計(jì)

由前文復(fù)合電源儲(chǔ)能系統(tǒng)工作原理的分析，控制策略的制定主要考慮對(duì)系統(tǒng)工作影響較大的三個(gè)變量蓄電池荷電狀態(tài)SOCb、超級(jí)電容的荷電狀態(tài)SOCc以及負(fù)載電流Io，而能量管理系統(tǒng)是通過(guò)控制雙向DC/DC變換器的占空比來(lái)對(duì)蓄電池和超級(jí)電容之間功率進(jìn)行分配。結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

本文所設(shè)計(jì)的模糊邏輯控制是一個(gè)三輸入兩輸出的系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

輸入輸出變量的模糊化設(shè)計(jì)如下。

圖2 能量管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖3 模糊邏輯控制器結(jié)構(gòu)圖

由于電動(dòng)汽車(chē)行駛時(shí)，電動(dòng)機(jī)會(huì)有電動(dòng)和制動(dòng)兩種情況，所以負(fù)載電流也會(huì)有正負(fù)之別，其對(duì)應(yīng)語(yǔ)言值的模糊子集為：

{負(fù)小，負(fù)中，負(fù)大，零，正小，正中，正大}

為方便起見(jiàn)，采用簡(jiǎn)記形式如下：

NL=負(fù)小，NM=負(fù)中，NH=負(fù)大，Z=零，PL=正小，PM=正中，PH=正大。

依次設(shè)計(jì)可得輸入變量SOCb、SOCc及輸出變量DQ1、DQ2對(duì)應(yīng)語(yǔ)言值的模糊子集分別為：

根據(jù)專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)法結(jié)合實(shí)際情況設(shè)計(jì)輸入變量蓄電池SOCb、超級(jí)電容SOCc、負(fù)載電流Io以及輸出變量DQ1、DQ2的隸屬度函數(shù)，并根據(jù)純電動(dòng)汽車(chē)運(yùn)行工況及復(fù)合電源工作模式的分析制定相應(yīng)的模糊規(guī)則。部分模糊規(guī)則的設(shè)計(jì)示例如圖4所示。

圖4 部分模糊規(guī)則的設(shè)計(jì)

2.2 模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建

圖5給出了該模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制模型的結(jié)構(gòu)圖。網(wǎng)絡(luò)各層含義如下：

第一層—輸入層：本文輸入變量分別為SOCb、SOCc、I0，所以網(wǎng)絡(luò)第一層有三個(gè)神經(jīng)元。輸入層的作用是將接收的數(shù)據(jù)通過(guò)神經(jīng)元不經(jīng)變化的傳給下一層，所以傳遞函數(shù)為常函數(shù) f(x)=1。

圖5 模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制模型

第二層—隸屬度函數(shù)層：將第一層傳來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行模糊化處理，該層中的每一個(gè)神經(jīng)元都代表著一個(gè)語(yǔ)言變量，如NH、PL等。神經(jīng)元所使用的傳遞函數(shù)即為隸屬度函數(shù)。

第三層—規(guī)則層：該層用來(lái)實(shí)現(xiàn)模糊控制中規(guī)則的匹配，并計(jì)算出每條規(guī)則的適用度。

第四層—結(jié)論層：該層用來(lái)表示模糊規(guī)則所得出的結(jié)論，可以看作是規(guī)則當(dāng)中的“IS”，神經(jīng)元的個(gè)數(shù)由所有規(guī)則得到的結(jié)果可能數(shù)的總和決定。

第五層—輸出層：將前一層得出的結(jié)論進(jìn)行總結(jié)，這可以看作是模糊控制當(dāng)中的“清晰化”過(guò)程。

模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的仿真實(shí)現(xiàn)的部分程序如下：

3 仿真結(jié)果分析

3.1 超級(jí)電容SOCc不高時(shí)

由圖6可知，純電動(dòng)汽車(chē)正常行駛時(shí)，電動(dòng)機(jī)工作在電動(dòng)狀態(tài)，負(fù)載電流為正，如圖中的0～7秒。當(dāng)負(fù)載電流較低時(shí)，如圖中的0～2秒和6～7秒，蓄電池除了提供純電動(dòng)汽車(chē)行駛所需的能量外，還要對(duì)超級(jí)電容進(jìn)行充電，以使超級(jí)電容有足夠的能量?jī)?chǔ)備，提供瞬時(shí)大功率放電；當(dāng)汽車(chē)處于爬坡或加速階段時(shí)，電流達(dá)到尖峰，如圖中的3～5秒時(shí)，超級(jí)電容和蓄電池共同供電，超級(jí)電容起削峰的作用，有效地保護(hù)大電流對(duì)蓄電池的沖擊；當(dāng)負(fù)載電流為零時(shí)，如圖中的7～8秒，蓄電池繼續(xù)為超級(jí)電容充電，使超級(jí)電容能量保持在最佳狀態(tài)。從圖中0～8秒的電流變化曲線(xiàn)可知，由于超級(jí)電容直接與負(fù)載相連，能迅速反應(yīng)負(fù)載峰值電流的變化，而蓄電池放電電流基本保持在平均放電狀態(tài)，放電曲線(xiàn)平緩，有利于延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命。

純電動(dòng)汽車(chē)剎車(chē)制動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)工作在發(fā)電狀態(tài)，負(fù)載電流為負(fù)，如圖中的8～10秒。由于超級(jí)電容能量不高，雙向DC/DC變換器不工作，超級(jí)電容電流與負(fù)載電流重合，純電動(dòng)汽車(chē)回饋制動(dòng)的能量全部由超級(jí)電容吸收。

圖6 超級(jí)電容SOC較高時(shí)的電流變化曲線(xiàn)

由圖7可知，純電動(dòng)汽車(chē)正常運(yùn)行時(shí)及蓄電池為超級(jí)電容進(jìn)行充電期間，蓄電池持續(xù)提供能量，SOC不斷降低，如圖中的0～8秒；而在純電動(dòng)汽車(chē)剎車(chē)制動(dòng)時(shí)，蓄電池不在提供能量也無(wú)能量吸收，所以SOC不在變化，如圖中的8～10秒。

圖7 超級(jí)電容SOC不高時(shí)蓄電池的SOC變化曲線(xiàn)

由圖8可知，當(dāng)蓄電池對(duì)超級(jí)電容進(jìn)行充電以及超級(jí)電容吸收回饋制動(dòng)能量時(shí)，SOC升高，如圖中的0～3秒和7～10秒；當(dāng)超級(jí)電容提供峰值能量時(shí)，SOC降低，如圖中的3～5秒。

3.2 蓄電池SOCc較高時(shí)

由圖9可知，在純電動(dòng)汽車(chē)正常行駛時(shí)，如圖中的0～8秒，由于超級(jí)電容的能量較高，且直接與負(fù)載相連，能跟隨負(fù)載電流變化快速反應(yīng)，輔助蓄電池共同提供負(fù)載所需能量，整個(gè)過(guò)程中起到了負(fù)載平衡和削峰的作用，從而有效地保護(hù)了蓄電池 。

圖8 超級(jí)電容SOC不高時(shí)超級(jí)電容的SOC變化曲線(xiàn)

在純電動(dòng)汽車(chē)剎車(chē)制動(dòng)時(shí)，由于超級(jí)電容的能量還處于較高的狀態(tài)，此時(shí)雙向DC/DC變換器工作在buck狀態(tài)，超級(jí)電容和蓄電池共同吸收回饋制動(dòng)的能量，以防超級(jí)電容過(guò)充電現(xiàn)象發(fā)生。

圖9 超級(jí)電容SOC不高時(shí)的電流變化曲線(xiàn)

由圖10可知，純電動(dòng)汽車(chē)正常運(yùn)行時(shí)，蓄電池持續(xù)提供能量，SOC不斷降低，如圖中的0～7秒；而在純電動(dòng)汽車(chē)剎車(chē)制動(dòng)時(shí)，蓄電池參與了回饋制動(dòng)能量的吸收，所以SOC升高，如圖中的7～10秒。

圖10 超級(jí)電容SOC較高時(shí)蓄電池的SOC變化曲線(xiàn)

由圖11可知，純電動(dòng)汽車(chē)正常運(yùn)行時(shí)，由于超級(jí)電容能量較高，不僅提供了峰值大功率而且也提供了輔助能量，所以SOC不斷下降，如圖中的0～7秒；而在純電動(dòng)汽車(chē)剎車(chē)制動(dòng)時(shí)，超級(jí)電容吸收了部分回饋制動(dòng)能量，所以SOC升高，如圖中的7～10秒。

圖11 超級(jí)電容SOC較高時(shí)超級(jí)電容的SOC變化曲線(xiàn)

4 結(jié)論

綜合本文所進(jìn)行的仿真研究，由超級(jí)電容-蓄電池組成的復(fù)合電源儲(chǔ)能系統(tǒng)，在基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制能量管理系統(tǒng)下，充分發(fā)揮了二者的優(yōu)勢(shì)，較好的保護(hù)了蓄電池，提高了能量利用率。

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