純電動汽車復合電源功率分配控制策略研究

李剛 林豪 徐榮霞 吳青青

摘? 要： 以超級電容與雙向DC/DC變換器串聯(lián)再與蓄電池并聯(lián)的復合電源為研究對象，提出一種邏輯門限控制與模糊控制相結(jié)合的復合電源功率分配控制策略。首先利用Matlab/Simulink軟件建立復合電源功率分配控制策略模塊;然后運用ADVISOR軟件進行二次開發(fā)，搭建純電動汽車整車仿真模型;最后結(jié)合城市道路驅(qū)動工況進行仿真分析。結(jié)果表明，基于該控制策略的復合電源能夠有效地節(jié)省蓄電池的電量，延長復合電源的工作壽命，純電動汽車的動力性能和續(xù)駛里程明顯提升。

關(guān)鍵詞： 純電動汽車; 復合電源功率分配; 整車仿真模型; 邏輯門限控制; 模糊控制; 二次開發(fā)

中圖分類號： TN99?34; U464.142? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2020）03?0100?04

Research on power distribution control strategy for compound power supply

of pure electric vehicle

LI Gang， LIN Hao， XU Rongxia， WU Qingqing

（MOE Key Laboratory of Conveyance and Equipment， East China Jiaotong University， Nanchang 330013， China）

Abstract： A power distribution control strategy of compound power supply combining logic threshold control and fuzzy control is proposed. In this paper， the compound power supply （the super?capacitor is connected with bi?directional DC/DC converter in series and then connected with accumulator in parallel） is taken as the research object. Firstly， the Matlab/SIMULINK software is used to build the power distribution control strategy module of compound power supply. Then， the ADVISOR software is used for secondary development to construct the vehicle simulation model for the pure electric vehicle （PEV）. Finally， the simulation analysis is made on the basis of driving conditions of urban roads. The results show that the compound power supply on the basis of the control strategy can effectively save the accumulator power， prolong the service life of the compound power supply， and significantly improve the power performance and total mileage of the pure electric vehicle.

Keywords： pure electric vehicle; power distribution of compound power supply; vehicle simulation model; logic threshold control; fuzzy control; secondary development

0? 引? 言

純電動汽車（Pure Electric Vehicle， PEV）作為一種節(jié)能和環(huán)保的新能源汽車越來越受到國內(nèi)外學者的關(guān)注，并且得到了發(fā)展，但尚未形成規(guī)模，究其根源，蓄電池電量續(xù)航能力是制約純電動汽車進一步普及的重要因素之一[1]。在純電動汽車處于起步、低速、巡航、加速、爬坡、制動等復雜情況下，由于蓄電池比功率偏小，強電流充放電會大幅度降低蓄電池的工作壽命[2]。超級電容是最近幾年隨著新電極材料的出現(xiàn)而發(fā)展起來的一種具有超強放電能力，能提供強大脈沖功率的物理二次電源。但其能量密度低，不能維持長時間充放電，因此不適合作為單一儲能裝置使用[3]。

蓄電池和超級電容組成的復合電源可作為純電動汽車儲能裝置[4]。兩者之間優(yōu)勢互補，可獲得較高的比功率和比能量，能夠滿足純電動汽車在不同工況下對動力性和經(jīng)濟性的雙重需求[5]。所以如何有效分配蓄電池和超級電容之間的輸出功率成為當前國內(nèi)外學者研究的熱點。目前復合電源功率分配控制策略應(yīng)用相對成熟的有邏輯門限控制策略和模糊控制策略，但兩者都有不同的優(yōu)缺點[6]。邏輯門限控制策略操作簡便但對蓄電池和超級電容的限制較多;模糊控制策略魯棒性較強但控制精度較差。因此，本文以蓄電池?超級電容復合電源純電動汽車為研究對象，首先提出了一種邏輯門限控制與模糊控制相結(jié)合的復合電源功率分配控制策略;然后利用ADVISOR軟件進行二次開發(fā)，搭建純電動汽車整車仿真模型;最后結(jié)合城市道路驅(qū)動工況對復合電源純電動汽車進行數(shù)值仿真分析，驗證了該控制策略的有效性。

1? 復合電源結(jié)構(gòu)

選取合適的復合電源結(jié)構(gòu)，不僅影響蓄電池和超級電容功率分配控制策略的效果，而且影響整車動力性能和經(jīng)濟性能的發(fā)揮。綜合考慮，本文選擇的復合電源是以超級電容與雙向DC/DC變換器串聯(lián)，再與蓄電池并聯(lián)的方式構(gòu)成。其中，蓄電池是主要供能裝置;超級電容是輔助供能裝置;DC/DC變換器的作用是平衡超級電容和蓄電池兩端電壓，更好地發(fā)揮復合電源的優(yōu)勢。復合電源結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2? 復合電源功率分配控制策略

純電動汽車在行駛的過程中有多種復雜多變的工況，不同工況下，其復合電源的需求功率也不同。這就要求復合電源功率分配控制策略能夠在不同行駛工況下，能夠準確地辨別出何種工作狀態(tài)，進而分配蓄電池和超級電容的存儲能量。一般情況下，在純電動汽車處于低速、巡航狀態(tài)時，其需求能量偏低，可由蓄電池單獨提供純電動汽車所需的能量;在純電動汽車處于起步、加速、爬坡狀態(tài)時，其需求能量偏高，此時可由蓄電池和超級電容共同作用提供純電動汽車行駛所需的能量;在純電動汽車處于減速，制動狀態(tài)時，可采用超級電容優(yōu)先回收制動能量，其余能量由蓄電池存儲的模式[7]。

復合電源功率分配控制策略的主要目的就是在保證純電動汽車動力性能的前提下，節(jié)省蓄電池的電量，提高純電動汽車續(xù)駛里程，延長復合電源的工作壽命[8]。因此，本文提出一種邏輯門限控制與模糊控制相結(jié)合的復合電源功率分配控制策略，該策略可以在不同的工況下合理切換，更好地發(fā)揮復合電源的優(yōu)勢，對純電動汽車的動力性能及經(jīng)濟性能起到優(yōu)化作用。

2.1? 邏輯門限控制策略

在純電動汽車減速、制動工況下，其復合電源處于能量回收狀態(tài)，需要盡可能快地回收制動能量?？紤]到純電動汽車制動安全性能，蓄電池在強電流下易遭受損壞、充電時間長和超級電容充電時間短及可以吸收強電流等因素，而且此工況下的制動所需功率相對驅(qū)動工況下所需能量明顯要低，因此，只需要根據(jù)超級電容SOC值衡量制動能量是否可以由超級電容單獨回收。由于邏輯門限控制（Logic Threshold Control，LTC）策略具有響應(yīng)速度快的優(yōu)點，所以在純電動汽車減速、制動工況下，選擇邏輯門限控制策略單獨來管理分配復合電源的功率，邏輯門限控制策略設(shè)計如圖2所示。

圖2中，[Preq]為純電動汽車需求功率;SOCuc為超級電容SOC值;SOCuc_max為超級電容SOC飽和值，這里取0.999;[Puc]為超級電容輸出功率;[Pbat]為蓄電池輸出功率。

邏輯門限控制策略控制規(guī)則如下：當超級電容SOC值接近其飽和值時，為了避免超級電容因長時間處于充電狀態(tài)而遭受到損害，則停止利用超級電容回收制動能量，剩余的回收能量在電路中消耗掉。

2.2? 模糊控制策略

在純電動汽車加速、巡航、爬坡等復雜多變的工況下，此時純電動汽車所需要的驅(qū)動力較大，需要復合電源輸出較高的能量。邏輯門限控制策略除了具有響應(yīng)速度快的特點外，其在復雜環(huán)境下相關(guān)參數(shù)不能精確計算，導致控制效果差強人意。因此，需要一種多維度的精確控制策略。文獻[9]利用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制策略進行復合電源功率分配;文獻[10]利用動態(tài)規(guī)劃算法控制策略進行復合電源功率分配;文獻[11]通過考慮行駛工況和再生制動，提出復合電源功率分配策略。模糊控制策略將相關(guān)參數(shù)模糊化，當其參數(shù)值接近或者遠離門限值時，控制系統(tǒng)能夠靈活、實時地調(diào)節(jié)輸出信號。最終確定模糊控制策略在加速、巡航、爬坡等工況下進行功率分配。

模糊控制（Fuzzy Control，F(xiàn)C）是以模糊邏輯推理、模糊集理論和模糊語言變量為基礎(chǔ)，根據(jù)人們長期累積的經(jīng)驗制定相應(yīng)規(guī)則，是模擬人們對事物的模糊推理和決策的一種控制方法[12]。模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包括模糊化接口、知識庫、模糊推理、解模糊接口四部分[13]，具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

利用Matlab軟件中提供的模糊控制工具箱，設(shè)計了對于復合電源功率分配的三輸入、單輸出的模糊控制器。其中，三個輸入?yún)?shù)分別為：純電動汽車需求功率[Preq]，其論域為[0，1]，模糊集為{S，MS，M，MB，B}，分別表示{小、較小、中、較大、大};蓄電池SOC值SOCb，其論域為[0.2，0.9]，模糊集為{S，M，B}，分別表示{小、中、大};超級電容SOC值SOCuc，其論域為[0.2，0.9]，模糊集為{S，M，B}，分別表示{小、中、大}。輸出參數(shù)為超級電容功率分配因子[Kuc]，其論域為[0，1]，模糊集為{S，MS，M，MB，B}，分別表示{小、較小、中、較大、大}。圖4為各個變量的隸屬度函數(shù)。

模糊規(guī)則如下所示：

根據(jù)三個輸入?yún)?shù)對系統(tǒng)輸出特性的影響情況，再經(jīng)過查閱相關(guān)資料，可歸納出在復合電源功率分配控制過程需要注意以下幾點原則：

1） 在純電動汽車行駛過程中，其所需要的輸出功率處于輸出功率極限值的一半或一半以下時，應(yīng)該盡可能避免超級電容長時間處于放電狀態(tài)，需讓超級電容存儲能量，為下一次輸出高功率做準備。

2） 在純電動汽車行駛過程中，其所需要的瞬時輸出功率較高時，應(yīng)該盡可能允許超級電容來提供高功率，避免蓄電池受到強電流的損害。

3） 在純電動汽車行駛過程中，如果超級電容電流較低無法提供輸出功率時，應(yīng)該允許蓄電池替代超級電容放電，使純電動汽車處于正常工作狀態(tài)。

對于所提出的邏輯門限控制與模糊控制相結(jié)合的復合電源功率分配控制策略，在Matlab/Simulink仿真軟件下建立復合電源功率分配控制仿真模型，如圖5所示。

3? 仿真試驗

3.1? 仿真車輛參數(shù)

復合電源性能參數(shù)見表1。

試驗車輛參數(shù)見表2。

3.2? 建立整車仿真模型

將復合電源功率分配控制策略模塊導入到ADVISOR軟件中，在原有頂層模型上進行二次開發(fā)，加入復合電源模塊，搭建出純電動汽車整車仿真模型。圖6為純電動汽車整車仿真模型，圖中紅色方框為復合電源模塊，包括蓄電池、超級電容、雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器和所提出的功率分配控制策略。

3.3? 仿真結(jié)果分析

為了驗證復合電源功率分配控制策略的有效性，本文采用城市道路驅(qū)動工況（CYC_UDDS循環(huán)工況），對ADVISOR軟件進行二次開發(fā)搭建的純電動汽車整車模型進行仿真分析。圖7為城市道路驅(qū)動工況速度曲線。

圖8為復合電源中蓄電池和超級電容電流變化曲線。由圖8可知，復合電源中蓄電池電流變化較為平穩(wěn)，沒有出現(xiàn)較大的峰值電流;而超級電容的波動峰值稍微高于蓄電池的波動峰值。這說明了在純電動汽車處于正常行駛工況時，超級電容能夠優(yōu)先提供較大輸出功率，同時也優(yōu)先回收制動能量，避免了蓄電池提供或者回收較高的能量，減少了蓄電池的損害，延長了蓄電池的工作壽命。從而驗證了本文設(shè)計的復合電源功率分配控制策略是有效的。

圖9為復合電源蓄電池與超級電容SOC值變化曲線。由圖9可知，超級電容的充放電頻率較高，其SOC值變化相對較大;而蓄電池的SOC值的變化相對較小。純電動汽車起步時，超級電容優(yōu)先大電流放電;純電動汽車制動時，超級電容優(yōu)先回收制動能量，這與圖9的變化趨勢是相吻合的。

為了進一步驗證所提出的邏輯門限控制與模糊控制相結(jié)合的復合電源功率分配控制策略的有效性，在相同的仿真環(huán)境下進行對比分析。分別計算出復合電源單獨采用邏輯門限控制進行功率分配、復合電源單獨采用模糊控制進行功率分配以及復合電源采用邏輯門限控制和模糊控制相結(jié)合進行功率分配下的SOC值。

圖10為不同控制策略下復合電源中蓄電池SOC值變化曲線。由圖10可知，這三種策略對復合電源中蓄電池的節(jié)省電量程度，本文所提出的控制策略是最好的;模糊控制策略次之;而邏輯門限控制策略是最差的，從而驗證了本文所提出的功率分配控制策略是有效的。

4? 結(jié)? 語

本文以超級電容與雙向DC/DC變換器串聯(lián)再與蓄電池并聯(lián)復合電源為研究對象，提出一種邏輯門限控制與模糊控制相結(jié)合的功率分配控制策略。運用ADVISOR軟件搭建了純電動汽車整車仿真模型，并結(jié)合城市道路驅(qū)動工況進行仿真分析。結(jié)果表明，在該控制策略下，超級電容“削峰填谷”的效果明顯，減少了強電流對蓄電池的損害，延長了復合電源的工作壽命;而且所提出的功率分配控制策略相比邏輯門限控制策略和模糊控制策略，該控制策略能夠有效地節(jié)省蓄電池電量，發(fā)揮復合電源的優(yōu)勢。

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