雙源純電動(dòng)汽車能量管理策略研究

(北京億華通科技股份有限公司 研發(fā)中心，北京 100192)

近年來，“霧霾”成為熱點(diǎn)詞匯，汽車作為人們主要的交通出行方式，其PM2.5的排放量及其他污染排放對(duì)霧霾的影響引起了社會(huì)的關(guān)注[1]。純電動(dòng)汽車使用蓄電池一種能量源作為電動(dòng)汽車的動(dòng)力來源，以其零排放、零污染的優(yōu)點(diǎn)[2]得到了較好的發(fā)展，但是，由于受制于電池及能量管理技術(shù)的發(fā)展，單獨(dú)的動(dòng)力電池組尚存在瞬時(shí)特性不佳的問題，且它的主要電源——蓄電池充電時(shí)間長，壽命短，能源密度小[3]，這些都導(dǎo)致純電動(dòng)汽車不能得到更快更好的發(fā)展。在對(duì)能量源技術(shù)研究加深的同時(shí)，人們也認(rèn)識(shí)到單一的能量源已經(jīng)不能滿足電動(dòng)汽車在不同工況下的功率需求。超級(jí)電容充電快、壽命長，沒有記憶效應(yīng)，具有很強(qiáng)的大電流放電能力，比功率高、溫度特性好與綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)[4]。然而，超級(jí)電容能量密度低，無法長時(shí)間放電[5-6]。因此，雙能量源電動(dòng)汽車將高比能量的動(dòng)力電池和大比功率的超級(jí)電容這兩種電源裝置聯(lián)合起來，超級(jí)電容作為輔助電源與動(dòng)力電池組合為電動(dòng)汽車提供能量。

如何制定合理的能量控制策略，充分發(fā)揮兩種能量源的優(yōu)勢，提高雙能量源效率，更好地滿足能量存儲(chǔ)和瞬時(shí)大電流的需求[7]，是雙能量源純電動(dòng)汽車研究的關(guān)鍵問題之一。目前，關(guān)于雙能量源的研究主要是針對(duì)燃料電池汽車或混合動(dòng)力電動(dòng)汽車，而關(guān)于純電動(dòng)汽車超級(jí)電容與蓄電池雙能量源的能量管理及分配方面的研究較少。Matthew Zolot等[8]提出了雙能量源參數(shù)匹配和系統(tǒng)控制策略；Wang K等[9]利用控制充、放電電流的方法控制雙能量源各部分的功率；武漢理工大學(xué)劉志強(qiáng)等[10]研究了雙能量源系統(tǒng)再生制動(dòng)過程的控制策略。

在汽車行駛過程中，動(dòng)力電池提供整車所需的平均功率，而在汽車啟動(dòng)、加速、爬坡等功率需求較大的工況，則需要超級(jí)電容發(fā)揮其放電電流大的優(yōu)點(diǎn)為汽車提供能量[11]，小大電流對(duì)蓄電池的沖擊，并且在汽車下坡及制動(dòng)時(shí)回收再生制動(dòng)能量。蓄電池和超級(jí)電容的輸出功率受其SOC的影響，因此雙能量源純電動(dòng)汽車的功率控制策略受蓄電池和超級(jí)電容SOC的約束和影響。在這樣的情況下，模糊控制的魯棒性好的特點(diǎn)非常適合對(duì)雙能量源的功率分配進(jìn)行控制，因此本文采用基于模糊控制的雙源純電動(dòng)汽車能量管理策略。

本文針對(duì)雙源純電動(dòng)汽車的特點(diǎn)，將能量管理技術(shù)與再生制動(dòng)技術(shù)合理應(yīng)用在雙能量源純電動(dòng)汽車上，制定合理且有效的能量管理控制策略，發(fā)揮能量源各組成部分的優(yōu)勢特點(diǎn)，使具有復(fù)合電源系統(tǒng)的純電動(dòng)汽車蓄電池電流波動(dòng)更加穩(wěn)定，續(xù)駛里程更長。

1 雙源純電動(dòng)汽車的系統(tǒng)特性

雙能量源純電動(dòng)汽車電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，是以動(dòng)力電池為主、超級(jí)電容為輔的能源結(jié)構(gòu)[12]。動(dòng)力電池和超級(jí)電容并聯(lián)接入到純電動(dòng)汽車的結(jié)構(gòu)中，共同完成提供汽車驅(qū)動(dòng)時(shí)所需的能量，以及回收汽車制動(dòng)時(shí)的回饋能量。超級(jí)電容主要是在汽車啟動(dòng)、加速和爬坡時(shí)進(jìn)行大電流放電，提供峰值功率，滿足汽車的動(dòng)力性，而蓄電池則主要滿足汽車巡航工況下的平均功率需求，兩者共同回收汽車制動(dòng)能量[13]。同時(shí)，由于蓄電池電壓較平穩(wěn)，易于跟隨，超級(jí)電容與DC/DC變換器串聯(lián)，使超級(jí)電容能輕松跟隨蓄電池電壓變化，充分發(fā)揮超級(jí)電容大電流放電的特點(diǎn)。

圖1 雙能源純電動(dòng)汽車電源結(jié)構(gòu)圖

能量管理策略就是協(xié)調(diào)動(dòng)力電池和超級(jí)電容之間的關(guān)系對(duì)能量進(jìn)行分配，即對(duì)總線功率進(jìn)行分配，讓其互相配合完成充放電，滿足汽車行駛動(dòng)力需求，使電源系統(tǒng)安全高效地運(yùn)行?？偩€功率與蓄電池功率及超級(jí)電容功率之間的關(guān)系如下[14]

Preq=Pbat+Psc

(1)

式中Preq——總線功率;

Pbat——蓄電池功率;

Psc——超級(jí)電容功率。

現(xiàn)引入功率分配系數(shù)Kbat，表示蓄電池功率占總線功率的比例

Pbat=Kbat×Preq

(2)

Psc=(1-Kbat)×Preq

(3)

由此可見，當(dāng)已知總線需求功率的情況下，只需得到蓄電池功率所占比例Kbat，就可得到蓄電池及超級(jí)電容兩者各自的功率值，從而完成能量分配。

蓄電池的工作過程中的表現(xiàn)是大電流下效率低，小電流下效率高，因此適合平穩(wěn)的功率輸出，并且很大的比能量使其能夠儲(chǔ)存制動(dòng)回饋的能量。而超級(jí)電容的工作特點(diǎn)是，較大的比功率，能夠提供較大的瞬時(shí)功率，滿足汽車加速或爬坡時(shí)較大的功率需求，但無法長時(shí)間充放電，無法存儲(chǔ)較多能量。雙源純電動(dòng)汽車要結(jié)合蓄電池能量密度高以及超級(jí)電容功率高、電流大、響應(yīng)快的特點(diǎn)，并以此為原則，依托于整車功率需求，其雙源控制系統(tǒng)的工作模式如下：

(1)當(dāng)車加速或爬坡時(shí)，需求功率大，由于超級(jí)電容比功率高，可短時(shí)間大電流放電，此時(shí)應(yīng)優(yōu)先為電機(jī)供電。

(2)當(dāng)汽車勻速巡航行駛時(shí)，需求功率穩(wěn)定，蓄電池可提供持續(xù)穩(wěn)定的功率，此時(shí)，蓄電池應(yīng)作為主要供電源，不足時(shí)超級(jí)電容再補(bǔ)充。

(3)下坡、剎車制動(dòng)時(shí)，汽車處于減速制動(dòng)能量回饋的狀態(tài)，此時(shí)，應(yīng)根據(jù)蓄電池及超級(jí)電容荷電狀態(tài)優(yōu)先給電量少的充電，同時(shí)盡可能地滿足汽車長時(shí)間穩(wěn)定行駛。

2 基于模糊控制的雙源純電動(dòng)汽車能量管理策略

對(duì)雙源純電動(dòng)汽車系統(tǒng)特性進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在已知總線功率的情況下，制定合理的能量管理控制策略僅需要得到蓄電池或超級(jí)電容功率分配系數(shù)(即所占份額)即可，其中，總線功率即整車需求功率。本文采用模糊控制器對(duì)雙源純電動(dòng)汽車的能量進(jìn)行分配，保證其穩(wěn)定的長時(shí)間行駛。

模糊控制器是一種智能控制方法，整個(gè)控制器包括變量定義、模糊化、知識(shí)庫、邏輯判斷及解模糊五部分[15-17]。該模糊控制器的輸入量為整車需求功率Preq、蓄電池荷電狀態(tài)SOCbat和超級(jí)電容荷電狀態(tài)SOCsc，輸出量為蓄電池的功率分配系數(shù)，即希望蓄電池提供的功率占總需求功率的百分比Kbat。其中Preq的范圍為[-3,3]，考慮到電機(jī)的制動(dòng)回饋功率遠(yuǎn)小于最大需求功率，將其論域調(diào)整為[-1.5,3]。SOCbat和SOCsc的范圍為[0,1]，在電量很少及很滿的狀態(tài)下，二者的充放電效率較低，因此將其論域調(diào)整為[0.1,0.9]。輸出量功率分配系數(shù)的論域?yàn)閇0,1]。根據(jù)雙源汽車工作模式，隸屬度函數(shù)選為三角函數(shù)，輸入輸出的模糊子集設(shè)定如下

Preq：{N，S，L}，{負(fù)，小，大}；

SOCbat：{S,MS,ME,ML，L}，{小，較小，中，較大，大}；

SOCsc：{S，MS，ME，ML，L}，{小，較小，中，較大，大}；

Kbat：{S，MS,ME，ML，L}，小，較小，中，較大，大}。

在設(shè)定好輸入輸出的論域、模糊子集及隸屬度函數(shù)后，按照雙源純電動(dòng)汽車工作模式，針對(duì)輸入輸出制定模糊規(guī)則，如表1所示。

3 應(yīng)用實(shí)例與分析

采用Simulink軟件搭建雙源純電動(dòng)汽車能量管理系統(tǒng)，對(duì)雙源純電動(dòng)汽車進(jìn)行基于模糊控制的雙能量源純電動(dòng)汽車能源管理策略仿真，根據(jù)模糊控制器的輸入量及上述制定的模糊控制規(guī)則，對(duì)整車的需求功率進(jìn)行分配，其中，整車需求功率根據(jù)某公交車運(yùn)行200 s的實(shí)際功率消耗給定，如圖2所示，蓄電池及超級(jí)電容的荷電狀態(tài)SOC均按照安時(shí)積分法進(jìn)行計(jì)算[18]，忽略各部分效率及線路損耗等，進(jìn)行仿真。

表1 模糊控制規(guī)則表

圖2 整車需求功率

當(dāng)蓄電池及超級(jí)電容初始SOC值均為50%，圖3為該系統(tǒng)運(yùn)行200 s蓄電池功率分配系數(shù)的仿真結(jié)果，圖4為蓄電池及超級(jí)電容的SOC變化情況。根據(jù)整車功率需求可以看出在50～60 s、120～133 s時(shí)功率需求大，因此功率分配系數(shù)較小，由蓄電池提供平穩(wěn)功率的基礎(chǔ)上，超級(jí)電容提供瞬時(shí)大電流，滿足加速需求。此外，在20 s、43 s、80 s、110 s時(shí)，需求功率小于零即能量制動(dòng)回饋的情況下，由于蓄電池及超級(jí)電容SOC量差不多，因而平均給兩者充電，SOC值均有所上升。并且在仿真結(jié)束，蓄電池及超級(jí)電容SOC分別為46.6%及46%，相差不大，其中，蓄電池SOC稍高的原因是要在滿足汽車功率需求的基礎(chǔ)上保持汽車盡可能久地行駛。

圖3 蓄電池功率分配系數(shù)

圖4 蓄電池及超級(jí)電容SOC

綜上所述，該模糊控制器能夠較好地根據(jù)蓄電池及超級(jí)電容的荷電狀態(tài)SOC及整車需求功率對(duì)二者的功率分配進(jìn)行控制，使超級(jí)電容在所有的大電流的時(shí)間點(diǎn)上都能替代蓄電池提供電流，充分發(fā)揮其耐大電流沖擊的優(yōu)點(diǎn)，使蓄電池電流保持在較平穩(wěn)的范圍內(nèi)，減少大電流沖擊，有利于延長蓄電池壽命。且運(yùn)行過程中蓄電池及超級(jí)電容的SOC相差不大，既能滿足汽車偶爾的大電流需求又能使汽車行駛盡可能多的距離，滿足了實(shí)際的應(yīng)用需求。

4 結(jié)論

針對(duì)雙源純電動(dòng)汽車的能量管理復(fù)雜的問題，本文引入了一種基于模糊控制的能量管理策略，將整車需求功率、蓄電池及超級(jí)電容SOC作為控制器輸入，功率分配系數(shù)作為輸出，制定出合理的控制規(guī)則，經(jīng)過Simulink仿真的結(jié)果說明，該模糊控制器減少運(yùn)行過程中蓄電池的大電流沖擊，延長蓄電池壽命，使運(yùn)行過程中蓄電池及超級(jí)電容的SOC差距較小，既能滿足汽車偶爾的大電流需求又能使汽車行駛盡可能多的距離，較好地滿足了實(shí)車運(yùn)行需求，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

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