純電動賽車復合電源動力系統(tǒng)控制研究

賀伊琳，許世維，劉　瑞，謝學飛

純電動賽車復合電源動力系統(tǒng)控制研究

賀伊琳，許世維，劉瑞，謝學飛

(長安大學 汽車學院，陜西 西安 710064)

摘要：提高純電動賽車性能的關(guān)鍵在于提高其動力性，而制約電動汽車動力性的主要因素在于儲能系統(tǒng)，提出了一種純電動賽車用復合電源動力系統(tǒng)的研究方法與試驗方案.首先確定復合電源的組成并建立數(shù)學模型，其次根據(jù)不同工況下復合電源的不同工作模式制定控制策略，最后搭建試驗臺對復合電源的性能與控制方法進行試驗驗證.所做研究工作提高了純電動賽車復合電源動力系統(tǒng)的控制水平，對于提升純電動賽車的動力性、延長蓄電池的使用壽命具有一定的現(xiàn)實意義.

關(guān)鍵詞：純電動賽車；復合電源；動力系統(tǒng)；控制策略；試驗裝置

0引言

隨著新能源汽車技術(shù)的不斷進步，純電動賽車也走進了人們的生活，純電動賽車主要通過動力性等指標評判車輛性能，對動力性要求相對較高.復合電源相比于單一電源能有效提高電動汽車的動力性，因此，研究復合電源對于提升電動賽車的性能具有重要意義.文獻[1]優(yōu)化了復合電源控制策略，驗證了SOC與制動能量回收率的變化情況，未考慮動力性的變化；文獻[2]提出了一種復合電源的匹配方法與控制策略，最后僅對模型進行了仿真，未對設(shè)計復合電源的性能進行實驗驗證；文獻[3]提出了復合電源的邏輯門限控制策略，該策略閾值是固定的，難以滿足車輛復雜多變的運行環(huán)境.針對上述不足，筆者針對純電動賽車的動力系統(tǒng)提出了一種復合電源的設(shè)計方案與控制策略，對設(shè)計結(jié)果進行模型仿真，并在實驗室環(huán)境下對系統(tǒng)進行調(diào)試，使其提高賽車的動力性，最大限度地回收制動能量，延長蓄電池使用壽命.

1復合電源參數(shù)匹配及建模

1.1復合電源的組成及系統(tǒng)分析

蓄電池作為純電動汽車的能源供給裝置，具有比能量大和比功率小的特點，而超級電容具有比能量小和比功率大的特點[4-5]，二者單獨用以驅(qū)動賽車行駛，均難以滿足賽車對理想電源的要求，且大電流充放電易對蓄電池壽命產(chǎn)生不利影響.若使二者取長補短，組成復合電源作為純電動方程式賽車動力源，則可同時具有能量密度高和功率密度高的優(yōu)點，從而提高賽車性能.

復合電源的工作原理圖如圖1所示.驅(qū)動行駛時，蓄電池的輸出功率應(yīng)與賽車行駛所需的平均功率相匹配，在圖中即為最大穩(wěn)態(tài)行駛功率與零功率線之間的那部分，而超級電容用于提供峰值功率，實現(xiàn)“削峰”作用，即為需求功率與最大穩(wěn)態(tài)行駛功率之間的部分；制動時，將回收的能量優(yōu)先考慮給超級電容充電，即圖中零功率線之下的那部分，從而實現(xiàn)“填谷”作用.

由于蓄電池與超級電容的充放電特性不同，若將其直接并聯(lián)組成復合電源，二者端電壓相同，僅當蓄電池電壓變化時超級電容才開始工作.為解決這一問題，在蓄電池和超級電容之間，加裝DC/DC功率變換器，將其串聯(lián)在超級電容一端，檢測蓄電池電壓變化以調(diào)節(jié)超級電容的輸出，控制二者之間的功率分配，實現(xiàn)復合電源的設(shè)計目的[6].綜上，復合電源的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示.

圖2　復合電源的結(jié)構(gòu)

1.2復合電源模型的建立

復合電源的數(shù)學模型由蓄電池、超級電容及DC/DC功率變換器3個元件的子模型和控制策略模塊4部分組成.分別基于內(nèi)阻模型和經(jīng)典RC模型建立蓄電池和超級電容模型，對于DC/DC功率變換器，則根據(jù)功率變換器的升壓效率曲線和降壓效率曲線進行耦合，得出DC/DC功率變換器的模型[7-8].

在Matlab/Simulink軟件環(huán)境下建立的復合電源模型如圖3所示.其中，In1(輸入端口1)為電機需求功率，Out1(輸出端口1)為復合電源實際輸出的功率，Out2(輸出端口2)和Out3(輸出端口3)分別表示蓄電池和超級電容的工作電流.

圖3　復合電源的數(shù)學模型

2動力系統(tǒng)的控制策略及仿真

2.1復合電源的工作模式分析

根據(jù)賽車需求功率和復合電源荷電狀態(tài)的不同，將復合電源的工作模式分為如下4種：

1)超級電容與蓄電池共同驅(qū)動模式.賽車啟動及加速行駛時對功率要求很高，此時蓄電池提供平均功率，超級電容提供峰值功率，達到提高賽車動力性、減小蓄電池工作電流的目的.

2)蓄電池單獨驅(qū)動模式.賽車運行穩(wěn)定且速度不高時，蓄電池輸出功率能夠滿足電機要求，此時超級電容不工作，蓄電池單獨放電.

3)超級電容充電模式.當電機需求功率較小且超級電容電量不足時，蓄電池給電機提供驅(qū)動功率，同時給超級電容充電，保持超級電容高功率放電的能力.

4)再生制動模式.賽車制動時，電機處于發(fā)電狀態(tài)，將一部分動能轉(zhuǎn)化為電能，若復合電源的電量未達上限，優(yōu)先對超級電容充電，避免大電流對蓄電池造成沖擊.

2.2功率分配策略的制定

采用模糊邏輯控制策略確定復合電源中各部分輸出功率占需求功率的比例，同時考慮電源的使用壽命與安全性，依據(jù)電機的需求功率P以及蓄電池的荷電狀態(tài)Bsoc和超級電容的荷電狀態(tài)Csoc3個參數(shù)分配功率，作為模糊邏輯控制策略的輸入.

電機所需的功率由蓄電池和超級電容共同提供，即

P=Pb+Pc.

(1)

式中:P為電機的需求功率;Pb為蓄電池提供的功率;Pc為超級電容提供的功率.

將蓄電池提供的功率占電機總需求功率的比例系數(shù)記為k，

(2)

作為模糊系統(tǒng)的輸出量，假定制動時電機反轉(zhuǎn)產(chǎn)生的最大功率為正轉(zhuǎn)所需最大功率的40%，確定電機需求功率的論域P=[-0.4,1]；考慮放電深度的影響，蓄電池荷電狀態(tài)Bsoc=[0.1,1]和超級電容荷電狀態(tài)的論域Csoc=[0.1,1]；輸出量功率分配系數(shù)的論域k=[0,1].

電機的需求功率選擇響應(yīng)最快的三角隸屬函數(shù)為其隸屬度函數(shù)，將論域分為負小(NS)、正小(PS)和正大(PB)3個模糊子集，即P={NS,PS,PB}；蓄電池荷電狀態(tài)和超級電容荷電狀態(tài)選擇具有良好過渡性的高斯隸屬函數(shù)作為其隸屬度函數(shù)，將論域分為較小(LE)、中間(ME)、較大(GE)3個模糊子集，分別為：Bsoc={LE,ME,GE}和Csoc={LE,ME,GE}；選用高斯隸屬函數(shù)、Z型隸屬函數(shù)和S型隸屬函數(shù)作為輸出量比例分配系數(shù)的隸屬度函數(shù)，將其論域分為較小(LE)、中小(ML)、中間(ME)、中大(MB)和較大(GE)5個模糊子集，即k={LE,ML,ME,MB,GE}.

依據(jù)超級電容“削峰填谷”的原則，確定不同工況下復合電源的工作模式，筆者制定的模糊控制規(guī)則集如表1所示.

表1　模糊控制規(guī)則集

2.3仿真結(jié)果及分析

以2011年全國大學生方程式汽車大賽為依托，按照電車組比賽專項規(guī)則對賽車參數(shù)的要求，確定整車設(shè)計目標參數(shù)，根據(jù)設(shè)計目標中最高車速匹配電機，據(jù)此確定復合電源的參數(shù).其中，整車質(zhì)量為293 kg，空氣阻力系數(shù)為0.34，迎風面積為1.4 m2，滾動阻力系數(shù)為0.024，設(shè)計最高車速為120 km/h，匹配電機的額定電壓為144 V，確定所選蓄電池電壓為144 V，質(zhì)量為99.6 kg，超級電容的額定電壓為64 V，質(zhì)量為13.2 kg.

在Matlab/Simulink軟件環(huán)境下將復合電源的數(shù)學模型運用模糊控制策略進行仿真，得到蓄電池功率和超級電容功率的仿真結(jié)果如表2所示.

由表2可知，蓄電池和超級電容輸入輸出功率的變化趨勢大致相同，但蓄電池功率變化范圍始終小于超級電容.蓄電池僅承擔平均功率部分，超級電容補充剩余部分，有效發(fā)揮了其“削峰填谷”的作用，提高電源效率.

單一電源中電池電流和復合電源中電池電流的仿真結(jié)果如表3所示.

由此可知，由于超級電容的加入，復合電源中電池的電流小于蓄電池單獨工作的電流.電池和超級電容能夠很好地發(fā)揮各自優(yōu)勢，有效延長蓄電池的使用壽命.

通過車速隨時間的變化情況，對賽車動力性進行仿真，結(jié)果如圖4所示.

圖4　動力性仿真結(jié)果

表2　電池功率和超級電容功率仿真結(jié)果

表3　單一電源和復合電源中蓄電池電流仿真結(jié)果

由圖4可知，采用單一電源賽車的加速曲線始終處于采用復合電源賽車的加速曲線之下，表明在賽車加速過程中的任一時刻，采用復合電源的賽車車速較高，其原地起步加速時間明顯小于采用單一電池電源的賽車，有效提高了賽車的動力性.

3動力系統(tǒng)的試驗裝置研究

3.1試驗裝置的硬件設(shè)計

復合電源動力系統(tǒng)試驗裝置由蓄電池、超級電容、DC/DC功率變換器、主控制器、電機控制器、電機、傳感器、加速踏板、相應(yīng)的信號調(diào)理電路與工作狀態(tài)監(jiān)控顯示等硬件部分組成.其中，蓄電池和超級電容是試驗裝置正常運轉(zhuǎn)的能量源；電機需求功率的變化通過調(diào)節(jié)加速踏板開度實現(xiàn)；傳感器包括電壓傳感器和電流傳感器兩類，用以檢測蓄電池和超級電容的端電壓與工作電流；信號調(diào)理電路對傳感器的輸出信號進行相應(yīng)處理，使其滿足主控制器的輸入條件；主控制器作為整個系統(tǒng)的核心，接收信號調(diào)理電路的輸出信號，實現(xiàn)復合電源的功率分配[9].同時，將電機轉(zhuǎn)速、蓄電池與超級電容的端電壓和電流等主要參數(shù)通過工作狀態(tài)監(jiān)控顯示界面進行實時顯示，查看試驗裝置的運行狀態(tài).

復合電源系統(tǒng)由蓄電池放電驅(qū)動電機、超級電容放電驅(qū)動電機及蓄電池為超級電容充電3條支路組成，每條支路中串接一個電子開關(guān)，由電子開關(guān)的通斷狀態(tài)決定該支路是否參與工作，繼而實現(xiàn)對復合電源系統(tǒng)的控制，其電路如圖5所示.其中，C為超級電容，B為蓄電池，R為限流電阻，MOSFET1～MOSFET3分別為3個電子開關(guān)，D1～D3為3個二極管，M為電機.

圖5　試驗裝置電路圖

3.2試驗裝置的軟件設(shè)計

大量試驗表明，蓄電池和超級電容的端電壓與荷電狀態(tài)SOC近似為一線性關(guān)系，因此，在該試驗中以端電壓的值表示其荷電狀態(tài)SOC.

以踏板開度信號為需求功率，根據(jù)蓄電池和超級電容的端電壓，確定3條支路上電子開關(guān)的工作狀態(tài)，其軟件流程圖如圖6所示.其中，UB和UC分別為蓄電池和超級電容的端電壓，K為加速踏板開度，VT1～VT3為圖6中MOSFET1～MOSFET3 3個電子開關(guān)，值取1表示接通，取0表示斷開.

在MCGS嵌入式組態(tài)軟件(monitor and control generated system)環(huán)境下設(shè)計試驗裝置的工作狀態(tài)監(jiān)控界面[10]，實時顯示蓄電池的電壓電流、超級電容的電壓電流、電機轉(zhuǎn)速以及加速踏板開度等參數(shù)，對比復合電源和單一電源在不同工況下的電流變化情況.采用串行通信的方式將中央處理單元計算所得信號的值發(fā)送到顯示屏，實現(xiàn)信息的傳遞與顯示.

圖6　試驗裝置軟件流程圖

3.3試驗結(jié)果及分析

1)將蓄電池和超級電容充電至額定電壓，調(diào)節(jié)踏板開度使電機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在500 r/min，當雙能量源的支路均接通時，蓄電池的電流為8.3 A，僅蓄電池支路接通時，各支路電流大小不變.試驗結(jié)果表明,電機需求功率較小且復合電源電量充足時，超級電容不工作，蓄電池單獨驅(qū)動電機且放電電流不大.

2)將蓄電池和超級電容充電至額定電壓，調(diào)節(jié)踏板開度使電機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在1 500 r/min，當雙能量源的支路均接通時，蓄電池電流為23.4 A，超級電容電流為27.9 A，僅蓄電池支路接通時，蓄電池電流為51.7 A，幾乎增加了一倍.試驗結(jié)果表明,電機需求功率較大且復合電源電量充足時，蓄電池和超級電容同時驅(qū)動電機，有效減小了蓄電池的工作電流.

3)將超級電容放電至較低電量，調(diào)節(jié)踏板開度使電機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在500 r/min，雙能源支路均接通時，蓄電池電壓為25.5 V，電流為12.6 A，超級電容電壓為14.9 V，電流為-4.7 A.試驗結(jié)果表明,當電機需求功率較小且超級電容電量不足時，蓄電池在驅(qū)動電機的同時對超級電容充電.

4)將蓄電池和超級電容放電至較低電量，調(diào)節(jié)加速踏板，蓄電池電壓為18.1 V，超級電容電壓為14.7 V，各支路電流為零，即使踩下加速踏板，電機轉(zhuǎn)速仍為零，電量不足警告指示燈變紅,表明此時電源電量過低，復合電源不工作.

4結(jié)論

1)蓄電池-超級電容的復合電源同時具有高比能量和高比功率的特性，與單一電源相比，能最大限度地滿足純電動方程式賽車對動力性的要求；而且超級電容“削峰填谷”的作用還能有效減小蓄電池的工作電流，延長蓄電池使用壽命，有利于賽車制動能量回收性能的提高.

2)在后續(xù)研究工作中，應(yīng)進一步優(yōu)化復合電源的功率分配策略，研究多種控制相結(jié)合的方法，提高控制精度.設(shè)計試驗裝置時，應(yīng)考慮制動能量回收的作用，完善純電動賽車動力系統(tǒng)，為實際應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)與實踐經(jīng)驗.

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Research of Powertrain Control Based on Synergic Power Supply for Electric Racing Vehicle

HE Yilin, XU Shiwei, LIU Rui, XIE Xuefei

(School of Automobile, Chang’an University, Xi’an 710064, China)

Abstract:The key to the improvement of the performance of electric racing vehicle is to promote its dynamic performance, while the main factor of restraining dynamic performance is energy resource. In view of this, the research method and experiment scheme of synergic power for electric racing vehicle is put forward. The components of synergic power are obtained and the synergic power mathematical model is established. The control strategy is worked out according to different working models in different conditions. Finally, the performance of synergic is testified with experiment. The research is of great significance to improve the dynamic performance of electric racing vehicle. At the same time, it can also prolong the life span of battery.

Key words:electric racing vehicle; synergic power; power train; control strategy; test facility

收稿日期:2015-03-20；

修訂日期：2015-04-24

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51507013);中央高?；鹳Y助項目(310822151025)

作者簡介：賀伊琳(1989—)，女，新疆塔城人，工程師，長安大學博士研究生，主要從事電動汽車研究工作，E-mail:heyilin@chd.edu.cn.

文章編號:1671-6833(2016)01-0040-05

中圖分類號：TM53；TP391.9

文獻標志碼：A

doi:10.3969/j.issn.1671-6833.201503042

引用本文：賀伊琳，許世維，劉瑞，等.純電動賽車復合電源動力系統(tǒng)控制研究[J].鄭州大學學報(工學版)，2016,37(1):40-44.