混合動力汽車能量控制系統(tǒng)的研究①

(安徽理工大學電氣與信息工程學院,安徽 淮南 232001)

0 引 言

隨著環(huán)境污染，能源枯竭的情況日益加重,發(fā)展更加環(huán)保的汽車也成為了必然趨勢[1]。但是隨著日益增長的復雜交通環(huán)境要求汽車頻繁的制動、啟動。此時需要汽車內(nèi)部的電池能夠承受充放電電流，而如此頻繁的充放電會大大降低蓄電池的壽命。而儲能元件超級電容具有充放電速度快，大電流適應能力強等特點。因此現(xiàn)在市場上占絕大多數(shù)的混合動力汽車采用二者結(jié)合作為儲能系統(tǒng)[2]。

由于目前復合電源的工作環(huán)境較為復雜，創(chuàng)建具體的模型較為困難。因此采用模糊控制法，并依照蓄電池和超級電容的特性優(yōu)化模糊控制規(guī)則，改進模糊控制器結(jié)構(gòu)。提高整體復合電源的工作效率。在分析該方法原理的基礎上，搭建了Matlab/Simulink仿真模型并在advisor中進行仿真實驗。

1 復合電源的結(jié)構(gòu)和工作模式

蓄電池擁有良好的比能量，超級電容有良好的比功率。復合電源采取將二者并聯(lián)，來將兩者的優(yōu)點結(jié)合起來[3～5]?，F(xiàn)在復合電源為了更好利用超級電容的比功率大充放電迅速的特點，多采用在兩個功率器件之間加入DC/DC設備，為了平衡兩電源之間的電壓并管理兩電源工作。其復合電源結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 復合電源結(jié)構(gòu)圖

如圖1所示，超級電容經(jīng)過雙向DC/DC與蓄電池并聯(lián)。這樣超級電容的輸出電壓可以跟隨蓄電池端電壓的改變而改變。此外超級電容工作時的電壓波動范圍較大，充電時電壓為70V，放電時截止電壓為42V[6]。而蓄電池的電壓變化幅度相比于超級電容則相對平穩(wěn)。因此通過將超級電容和DC/DC串聯(lián)，來供給電機平穩(wěn)的電壓。

2 參數(shù)設置和安全限定

為了獲取最大能源效率，要按照車輛正常運行時所需要的功率來對復合電源進行合理的功率調(diào)控，以保證復合電源運行在穩(wěn)定的工作區(qū)域。

在低倍率的充放電的過程中電池的內(nèi)阻變化不大，但在高倍率的充放電中電池的內(nèi)阻會迅速增大,影響復合電源的整體功率。根據(jù)實際經(jīng)驗鋰電池最好的工作SOC范圍為[0.2,0.9][7]。當在這個工作范圍時電池的內(nèi)阻阻值由于工作溫度的影響阻值較低，鋰電池工作效率最高。其余范圍內(nèi)時電池的電阻會隨著SOC的改變而迅速改變，影響電池工作效率。

超級電容方面，假設其以恒定的電流I放電，經(jīng)時間t之后電容的電量由Q1降低到了Q2,電壓從U1降到U2。則超級電容儲存/釋放的能量為

(1)

由式(1)可得，當超級電容的電量下降到了50%時，E會降低到25%。設定電容的內(nèi)阻為Rc，則內(nèi)阻消耗的功率

(2)

為了使電容工作在高效率的區(qū)間，其電容的SOC應該取高一點，則存儲的能量為

(3)

由上式可得，當超級電容端電壓為額定電壓時

E=0.5UC

(4)

當電壓下降一半時則

E=0.25UC

(5)

此時超級電容的SOC過低，輸出效率不理想。根據(jù)過往的實際測試經(jīng)驗，一般取額定電壓的60%以上的區(qū)域[8]。

3 復合電源的工作模式

復合電源的工作模式能量傳遞如圖2所示，分為以下4種[9,10]：

1)當車輛勻速，正常運行時。由蓄電池單獨提供。

2)當車輛在剛出發(fā)，提速和上坡情況狀況時，由超級電容單獨提供能量

3)當車輛處于持續(xù)加速和爬坡狀況且單獨超級電容無法滿足功率需求的情況下，采用超級電容和蓄電池一起工作。

4)當車輛處于能量回收模式時，車輛減速。能量流向動力電池和超級電容。

圖2 復合電源工作模式能量流向圖

4 復合電源控制策略設計

根據(jù)上述復合電源的工作模式可知，復合電源有充電和放電兩種工作模式。放電模式的主要重點是為了保證蓄電池可以平穩(wěn)的輸出電流，而充電狀態(tài)是為了超級電容可以更快的快速的回收能量。針對上述情況設置了關(guān)于系統(tǒng)需求功率的兩種模糊控制策略。

設系統(tǒng)需求功率Preq，蓄電池提供的功率為Pbat，超級電容提供的功率為Puc。定義動力電池的功率分配因數(shù)為Kbat，超級電容的分配因數(shù)為Kuc

Kbat=Pbat/Preq

(6)

KUC=PUC/Preq

(7)

根據(jù)各變量的限制條件有

Kbat+Kuc=1

(8)

SOCbat∈[0.2,0.9]

SOCuc∈[0.2,0.9]

1)當系統(tǒng)需求功率Preq>0時，復合電源處于放電模式。則基本控制策略為

(1) 若系統(tǒng)需求功率特別低時，若SOCbat充足，則蓄電池單獨放電；若SOCbat適中則動力電池單獨放電；如果SOCbat較低且SOCuc較高或適中則共同放電。其余蓄電池單獨放電。

(2) 若系統(tǒng)需求功率較低時，若SOCbat較高，則蓄電池單獨放電；若SOCbat適中則動力電池單獨放電；如果SOCbat適中且SOCuc較高或適中則共同放電；如果SOCbat適中且SOCuc較高且SOCuc較高或適中則共同放電。其余動力電池單獨放電。

(3) 若系統(tǒng)功率要求適中時，若SOCbat較高且SOCuc較高則共同放電。否則蓄電池單獨放電；。如果SOCbat較低，則共同放電。

(4) 若系統(tǒng)需求功率較大時，則蓄電池和超級電容一起放電。

2)當系統(tǒng)需求功率Preq<0時,復合電源處于充電模式。則控制策略只和SOCbat，SOCuc有關(guān)。

若SOCuc較低則超級電容單獨充電，若SOCbat較低，SOCuc較低，則同時充電，否則超級電容單獨充電；若SOCuc適中，SOCbat較低或適中則動力電池和超級電容同時充電，否則超級電容單獨充電；如果SOCuc較高，則動力電池和超級電容共同充電。

光靠經(jīng)驗上制定規(guī)則的模糊控制可能會造成過高功率輸出。因此要在蓄電池的輸出上加上限制模塊防止過高功率輸出。

使用Mamdani型模糊邏輯來設計模糊控制器.使用3輸入1輸出雙模糊控制器的結(jié)構(gòu)。3輸入分別為Preq，SOCbat，SOCuc，輸出為Kuc。雙模糊控制器分別計算需求功率為正負時的情況。設輸入量SOCbat，SOCuc的論域為[0.2，0.9]。Preq的論域為[0,10000]。

當需求功率大于0時，設Preq的模糊集合論域為[0，1],模糊集合為[TS、S、M、B]。SOCbat的模糊集合論域為[0.2,0.9],模糊集合為[L、M、H]。SOCuc的的模糊集合論域為[0.2,0.9],模糊集合為[L、M、H]。Kuc的模糊集合論域為[0,1],模糊集合為[TS、S、M、B]。

當需求功率小于0時，則模糊控制策略中輸入變量不包含Preq。其中SOCbat的模糊集合論域為[0,1],模糊集合為[L、M、H]。SOCuc的的模糊集合論域為[0,1],模糊集合為[TL、L、M、H]。Kuc的模糊集合論域為[0,1],模糊集合為[TS、S、M、B]。各輸入輸出量的隸屬函數(shù)如下圖所示。

(a) (b)

(c) (d)

各輸入與輸出之間的關(guān)系如下圖所示。

(a) (b)

(c) (d)

模糊控制器結(jié)構(gòu)圖如下

圖3 混合動力汽車仿真模型圖

圖4 各器件的溫度對比

圖5各器件的SOC對比

5 仿真實驗

采用matlab/advisor系統(tǒng)，利用advisor中原有的模型進行改裝。把原有車輛模型中的單一電源替換為復合電源，并將所建立的模糊控制器嵌入到原有仿真圖中。修改后的總體仿真圖如下

由圖4的仿真結(jié)果可以看出，在運行期間相對于單一電源中的蓄電池，復合電源中的蓄電池溫度變化更為平緩。由圖5的仿真結(jié)果來看，復合電源的蓄電池荷電變化量更加穩(wěn)定。由此說明上文中的模糊控制器的確起到讓超級電容分攤峰值功率的功能。

6 結(jié) 論

對混合動力汽車中復合電源的特性進行探討，結(jié)合其跟隨車況變化的運行狀況，制定跟隨的模糊控制優(yōu)化策略，利用Advisor軟件和matlab進行仿真。研究結(jié)果表明模糊控制可以優(yōu)化蓄電池和超級電容之間的功率平衡，其工作環(huán)境和性能有了顯著提升，改善整體車輛的運行情況.