基于新能源電動(dòng)汽車復(fù)合電源能量管理的模糊控制研究

高俊嶺，丁 昇，張 翔

安徽理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院,安徽淮南,232001

1 引 言

日益嚴(yán)峻的能源危機(jī)與環(huán)境污染等問(wèn)題加速新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，在汽車領(lǐng)域，電動(dòng)汽車的改進(jìn)、升級(jí)成為研發(fā)人員和學(xué)者的重點(diǎn)研究對(duì)象。電動(dòng)汽車的動(dòng)力主要由蓄電池提供。但由于單一的蓄電池功率密度小，在車輛行駛過(guò)程中很難完全滿足車輛所需的能量和功率雙重需求，因此很大程度上限制了電動(dòng)汽車行業(yè)的發(fā)展。近年來(lái)，因充放電速度快、功率密度大等顯著特點(diǎn)，超級(jí)電容得到快速發(fā)展[1]。

將超級(jí)電容引入電源系統(tǒng)，用于向電機(jī)提供瞬時(shí)大功率和回收制動(dòng)時(shí)電機(jī)所產(chǎn)生的能量，起到“削峰填谷”的作用。在保證車輛續(xù)航里程的同時(shí)，增強(qiáng)了電動(dòng)汽車的動(dòng)力性能，避免蓄電池因頻繁地充放電和瞬時(shí)大電流的沖擊而受到損壞，在一定程度上延長(zhǎng)了蓄電池的使用壽命。因此，將超級(jí)電容引入電源系統(tǒng)，構(gòu)成復(fù)合電源(Hybrid Energy Storage System，HESS)，具有較高的研究?jī)r(jià)值[2]。關(guān)正等[3]采用PI電壓電流雙閉環(huán)控制方法，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電源輸出功率的控制，但系統(tǒng)受擾動(dòng)影響較大，直流母線抖振較為嚴(yán)重。Samosir[4]用傳統(tǒng)的線性控制策略，簡(jiǎn)單容易實(shí)現(xiàn)，但由于復(fù)合電源系統(tǒng)屬于非線性系統(tǒng)，因此該策略不夠穩(wěn)定。趙國(guó)柱等[5]在分析復(fù)合電源工作原理的基礎(chǔ)上，基于保護(hù)蓄電池的原則設(shè)計(jì)了模糊邏輯能量管理策略，但主要集中在對(duì)需求功率的分配上，對(duì)于控制電源功率輸出的DC/DC變換器的控制方法未做詳細(xì)設(shè)計(jì)。

基于此，文本根據(jù)車輛運(yùn)行過(guò)程中的車速、蓄電池和超級(jí)電容剩余電量的變化設(shè)計(jì)模糊控制策略，合理分配需求功率；在模糊控制策略的基礎(chǔ)上，同時(shí)引入一種新型趨近律滑?？刂撇呗钥刂齐娫垂β实妮敵?，減少誤差擾動(dòng)的影響，提高控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度，抑制抖振。從而形成一種全新的模糊-新型趨近律控制策略，以此達(dá)到提高控制電源功率輸出精度的目的。

此策略的控制目標(biāo)為：(1)維持直流母線電壓穩(wěn)定；(2)超級(jí)電容器的輸出電流能夠準(zhǔn)確跟蹤參考電流。從而使得HESS能夠更加合理地將需求功率分配給蓄電池和超級(jí)電容，根據(jù)車輛行駛狀態(tài)及時(shí)做出動(dòng)態(tài)調(diào)整。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作模式分析

2.1 HESS電路結(jié)構(gòu)

HESS系統(tǒng)由主電源蓄電池、輔助電源超級(jí)電容組、DC/DC變換器和功率分配其控制系統(tǒng)構(gòu)成。系統(tǒng)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 HESS電路結(jié)構(gòu)

蓄電池通過(guò)Boost變換電路連接至直流母線，超級(jí)電容通過(guò)Buck-Boost雙向變換器連接至直流母線，兩者并聯(lián)連接。功率分配及其控制系統(tǒng)根據(jù)實(shí)時(shí)車速計(jì)算出需求功率，同時(shí)結(jié)合超級(jí)電容的荷電狀態(tài)(SOCSC)，判斷出系統(tǒng)的工作模式，進(jìn)而調(diào)用相應(yīng)的控制策略來(lái)控制兩組變換器開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通與關(guān)斷，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電源系統(tǒng)功率輸出的控制。

2.2 HESS工作模式分析

根據(jù)路面狀況的實(shí)時(shí)變化，車輛需要頻繁地加減速。因此，電動(dòng)汽車的運(yùn)行狀態(tài)可分為驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)兩種狀態(tài)：驅(qū)動(dòng)狀態(tài)可分為蓄電池單獨(dú)供電、蓄電池和超級(jí)電容共同供電兩種狀態(tài)；制動(dòng)狀態(tài)可分為回收和消耗制動(dòng)能量?jī)煞N狀態(tài)。

(1)當(dāng)車輛平穩(wěn)運(yùn)行、需求功率較小時(shí)，由蓄電池單獨(dú)供電；當(dāng)車輛需求功率大時(shí)，此時(shí)超級(jí)電容組介入工作，與蓄電池構(gòu)成“雙電源供電”狀態(tài)。

(2)當(dāng)車輛處于減速制動(dòng)狀態(tài)、SOCSC未達(dá)上限時(shí)，電機(jī)因制動(dòng)所產(chǎn)生的能量由超級(jí)電容回收；當(dāng)車輛處于減速制動(dòng)狀態(tài)、超級(jí)電容荷電狀態(tài)已達(dá)上限時(shí)，此時(shí)為了避免超級(jí)電容過(guò)沖，有良好的制動(dòng)效果，由能耗電阻消耗制動(dòng)能量。

3 系統(tǒng)電路分析與建模

3.1 系統(tǒng)電路分析

圖2為復(fù)合電源等效電路。蓄電池是車輛的能量來(lái)源。Boost變換器[6]主要負(fù)責(zé)將蓄電池輸出電壓升至直流母線電壓參考值。其中，μ1為全控性開(kāi)關(guān)器件IGBT S1的開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)。超級(jí)電容主要用于向電機(jī)提供瞬時(shí)大功率和回收制動(dòng)時(shí)電機(jī)所產(chǎn)生的能量。Buck-Boost變換器負(fù)責(zé)當(dāng)超級(jí)電容輸出功率時(shí)將輸出電壓升至直流母線電壓參考值，當(dāng)超級(jí)電容回收制動(dòng)能量時(shí)將電壓降至超級(jí)電容兩端目標(biāo)電壓值。μ2和μ3分別為全控性開(kāi)關(guān)器件IGBT S2和S3的開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)。負(fù)載系統(tǒng)由全控性開(kāi)關(guān)器件IGBT S4-S9和電機(jī)M構(gòu)成。

圖2 HESS等效電路

為了充分發(fā)揮HESS的優(yōu)勢(shì)，本文針對(duì)HESS結(jié)構(gòu)采用一種新型趨近律滑?？刂撇呗?。圖2中采用目標(biāo)電壓和電流雙閉環(huán)控制策略對(duì)Boost變換器控制，這樣既能穩(wěn)定直流母線的電壓，又能控制蓄電池的輸出電流。

3.2 系統(tǒng)建模

圖2中，蓄電池兩端電壓為Ub；輸出電流為ib；i1為Boost變換電路的輸出電流；Udc為負(fù)載端電壓；超級(jí)電容的端電壓和輸出電流分別為Usc和isc；i2為Buck-Boost變換電路的輸出電流；i0為負(fù)載電流，其值為兩個(gè)變換電路輸出電流i1、i2之和。

對(duì)于蓄電池和Boost變換電路部分的電路，根據(jù)基爾霍夫定律列寫關(guān)系式，如式(1)所示，其中IGBT S1的開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)μ1的數(shù)值在(0，1)之間。

(1)

對(duì)于超級(jí)電容和Buck-Boost變換電路部分，當(dāng)超級(jí)電容處于供電狀態(tài)時(shí)(P> 0)，Buck-Boost變換電路工作模式為Boost變換電路；當(dāng)超級(jí)電容處于充電狀態(tài)下時(shí)(P< 0)，Buck-Boost變換電路工作模式為Buck變換電路。因此定義一個(gè)變量k，k的表達(dá)形式為：

(2)

當(dāng)k=1，μ3=0時(shí)，S3不工作，S2在PWM控制信號(hào)μ2的控制下工作；當(dāng)k=0，μ2=0時(shí)，S2不工作，S3在PWM控制信號(hào)μ3的控制下工作。

列寫關(guān)于超級(jí)電容和Buck-boost變換器組成電路的全局狀態(tài)關(guān)系式，即：

(3)

4 HESS控制策略研究

4.1 能量管理策略

研究采用的控制策略是通過(guò)模糊控制策略將需求功率合理地分配給蓄電池和超級(jí)電容，通過(guò)新型趨近律控制方法精確控制變換器的導(dǎo)通與關(guān)斷，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)輸出功率精確跟隨參考功率。如圖3為模糊控制器的控制邏輯流程，輸入信號(hào)由三個(gè)信號(hào)參數(shù)構(gòu)成，分別為需求功率Preq、超級(jí)電容荷電狀態(tài)SOCSC和蓄電池荷電狀態(tài)SOCbat。需求功率Preq是由車速v計(jì)算得出(公式下文會(huì)具體給出)。超級(jí)電容輸出功率在總功率中所占的比值a，取值區(qū)間為[0，1]。模糊控制器的輸入輸出變量的子集及其各自的隸屬度函數(shù)如圖4所示。

圖3 模糊控制邏輯圖

圖4 模糊控制器各變量隸屬度函數(shù)

模糊控制器的設(shè)計(jì)原則為：通過(guò)Preq判斷車輛是驅(qū)動(dòng)(Preq> 0)或者制動(dòng)(Preq< 0)狀態(tài)，當(dāng)Preq< 0時(shí)，還需評(píng)估SOCSC的大小。VH狀態(tài)視為超級(jí)電容電量已滿，此時(shí)超級(jí)電容不再回收制動(dòng)能量，改由能耗電阻消耗制動(dòng)能量；除此之外，超級(jí)電容回收制動(dòng)能量。當(dāng)Preq> 0時(shí)，還需要判斷SOCSC的大小。當(dāng)SOCSC處于0狀態(tài)時(shí)，視為超級(jí)電容能量已耗盡，此時(shí)蓄電池單獨(dú)共工作，為負(fù)載提供能量；其余狀態(tài)下，根據(jù)SOCbat和SOCsc合理分配輸出功率，此時(shí)蓄電池和超級(jí)電容同時(shí)為負(fù)載提供能量。

根據(jù)設(shè)計(jì)原則，結(jié)合模糊控制器的變量子集，共設(shè)有125條模糊規(guī)則，部分規(guī)則見(jiàn)表1。

表1 部分模糊控制規(guī)則

考慮到車輛自身參數(shù)和車輛行駛過(guò)程中受到的四種阻力以及傳輸、轉(zhuǎn)換效率來(lái)計(jì)算車輛需求功率[7]。需求功率P由式(4)得：

(4)

其中，ηD為DC/DC變換器傳輸效率；ηT為機(jī)械傳動(dòng)效率；ηI為電機(jī)能量轉(zhuǎn)換效率；f為滾動(dòng)阻力系數(shù)；m為電動(dòng)汽車整體質(zhì)量；g為重力加速度；α為道路的坡度，假設(shè)行駛過(guò)程中坡度為0；CD為空氣阻力系數(shù)；A為汽車迎風(fēng)面積；ρ為空氣密度；v為車速。

汽車的滾動(dòng)阻力系數(shù)f可根據(jù)文獻(xiàn)[8]的經(jīng)驗(yàn)擬合公式：

f=0.042 4v2+1.376 1v+154.74

(5)

4.2 控制策略設(shè)計(jì)

4.2.1 新型趨近律

與傳統(tǒng)的PI調(diào)節(jié)相比，滑模控制響應(yīng)速度更快、動(dòng)態(tài)性能更優(yōu)越、參數(shù)的變化和擾動(dòng)影響更小。因此，將滑?？刂茟?yīng)用于DC/DC變換器是可行的。在此基礎(chǔ)上，提出一種新型趨近律，此新型趨近律擁有更高的趨近速度，同時(shí)能夠抑制滑模變結(jié)構(gòu)中固有的抖振現(xiàn)象[9]。新型趨近律具體形式為：

(6)

式中：eq()為指數(shù)函數(shù)；sgn()為符號(hào)函數(shù)；s為系統(tǒng)滑模面；X1為誤差值，為系統(tǒng)狀態(tài)變量；k、ε、η、δ皆為趨近律參數(shù)。

4.2.2 Boost變換器控制策略

取電壓誤差X1、電感電流誤差X2作為受控狀態(tài)變量：

[x1,x2]=[Udc-ref-Udc，IL1-ref-IL1]

(7)

S=X2

(8)

對(duì)式(8)求偏導(dǎo)得：

(9)

為了保證滑模狀態(tài)存在，必須滿足：

(10)

根據(jù)式(6)設(shè)計(jì)控制器，將式(1)帶入式(9)，結(jié)合式(6)，可求得開(kāi)關(guān)管S1的開(kāi)關(guān)狀態(tài)為：

(11)

4.2.3 Buck-Boost變換器控制策略

取電感電流誤差X1、電壓誤差X2作為受控狀態(tài)變量：

[x1,x2]=[IL2-ref-IL2，Udc-ref-Udc]

(12)

(13)

結(jié)合式(2)、(3)和式(13)可知：

(14)

5 仿真分析

通過(guò)MATLAB/simulink搭建HESS模型進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)?；緟?shù)見(jiàn)表2。由于電動(dòng)汽車大多使用于城市道路，同時(shí)為了減少仿真運(yùn)行時(shí)間，故選擇新歐洲循環(huán)工況NEDC(The New European Driving Cycle)的一部分進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。本文只分析HESS部分，對(duì)負(fù)載部分不做研究，因此為了簡(jiǎn)化分析，負(fù)載選用阻值隨功率變化起而變化的可變電阻負(fù)載；電動(dòng)汽車剎車減速時(shí)，用一個(gè)電壓源來(lái)代替由電驅(qū)動(dòng)狀態(tài)改為發(fā)電狀態(tài)的電機(jī)。在NEDC下，車輛的速度見(jiàn)圖5。

表2 電動(dòng)汽車仿真參數(shù)

圖5 NEDC工況部分車速波形

圖5中，車輛運(yùn)行工況總時(shí)長(zhǎng)為106 s，行駛過(guò)程分為三個(gè)部分：0～20 s為低速行駛狀態(tài)；20～50 s為中速行駛狀態(tài)；50～106 s為加速至高速行駛狀態(tài)，基本包含了車輛的不同運(yùn)行狀態(tài)。結(jié)合式(7)，求得車輛的需求功率，如圖6所示。圖6中，由于在低速行駛狀態(tài)下，車速只有小幅度的變化，因此車輛的需求功率變化幅度較小。但當(dāng)車輛在從靜止加速到高速狀態(tài)時(shí)，由于車輛的加速度以及加速時(shí)間的不同，車輛的需求功率變化也更加復(fù)雜。因此可以更好地檢驗(yàn)控制系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境下的有效性。

圖6 電機(jī)需求功率波形

在圖5和圖6的運(yùn)行環(huán)境下運(yùn)行仿真系統(tǒng)，從而驗(yàn)證控制系統(tǒng)的有效性。

圖7為整個(gè)仿真時(shí)間內(nèi)直流母線電壓的波形變化曲線。由圖7可知，母線電壓值在整個(gè)仿真時(shí)間內(nèi)總體維持在設(shè)定值，將母線電壓變化曲線放大，圖中曲線表明，母線電壓上下浮動(dòng)不超過(guò)1 V。

圖7 直流母線電壓波形

圖8為復(fù)合電源電流波形變化曲線。當(dāng)需求功率較小時(shí)，僅蓄電池介入工作為電機(jī)供電；當(dāng)需求功率較大時(shí)，在蓄電池持續(xù)工作的同時(shí)超級(jí)電容組也介入工作，蓄電池與超級(jí)電容同時(shí)為電機(jī)供電[10]。此模式避免了蓄電池頻繁地過(guò)電流充放電。

圖8 HESS電流波形

如圖9所示，由于超級(jí)電容能量密度低，并且提供瞬時(shí)大功率，因此荷電狀態(tài)下降明顯；蓄電池能量密度高，同時(shí)有超級(jí)電容提供瞬時(shí)大功率，因此荷電狀態(tài)變化比較平緩。當(dāng)車輛剎車減速時(shí)，此時(shí)由超級(jí)電容回收制動(dòng)所產(chǎn)生的電能，當(dāng)超級(jí)電容荷電狀態(tài)達(dá)到上限時(shí)，超級(jí)電容停止回收能量，能耗電阻消耗制動(dòng)能量，避免了因過(guò)充而損壞超級(jí)電容。

圖9 復(fù)合電源SOC變化曲線

6 結(jié) 語(yǔ)

本文詳細(xì)分析了HESS的四種工作模式，并提出一種基于車輛需求功率變化的模糊控制分配策略和新型趨近律控制方法相結(jié)合的混合控制策略。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)，得出以下結(jié)論：

(1)相較于蓄電池單獨(dú)工作，超級(jí)電容的加入避免了大電流對(duì)蓄電池造成損壞，高效回收制動(dòng)能量，從而延長(zhǎng)電池的使用壽命，增強(qiáng)車輛的續(xù)航能力。

(2)模糊控制方法能夠較好地解決蓄電池與超級(jí)電容之間的功率分配問(wèn)題：蓄電池提供相對(duì)較小功率，瞬時(shí)大功率則由超級(jí)電容組提供。

(3)基于新型趨近律的控制策略可以很好地控制復(fù)合電源的功率輸出，維持母線電壓的穩(wěn)定。

通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)，本文所提出的模糊-新型趨近律滑?？刂频目刂撇呗缘目尚行院陀行缘玫搅蓑?yàn)證，但還有許多新的問(wèn)題需要解決，例如實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中，各個(gè)元器件和運(yùn)行環(huán)境中的各種擾動(dòng)對(duì)控制策略都會(huì)有或多或少的影響，因此，未來(lái)還需要在實(shí)際應(yīng)用中不斷積累和完善。