王 儒， 李訓(xùn)明， 魏 偉， 曲金玉

(山東理工大學(xué) 交通與車輛工程學(xué)院， 山東 淄博 255091)

電動(dòng)汽車在城市道路工況行駛中，存在較多的起步、加速以及制動(dòng)減速過程，產(chǎn)生較大的充放電流，需要電池具有優(yōu)良的高倍率充放電特性，但一般的動(dòng)力電池比功率較低，難以實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的大電流驅(qū)動(dòng)以及在制動(dòng)能量回收過程中承受大功率充電，而且峰值電流會嚴(yán)重?fù)p害電池使用壽命；超級電容雖然擁有大電流充放電的特性，但其比能量較小，不適合作為動(dòng)力源單獨(dú)使用[1-2]．

動(dòng)力電池和超級電容并聯(lián)組成的復(fù)合電源，可以將各自的優(yōu)勢互補(bǔ)，獲得較高的比能量和比功率，有效地兼顧電動(dòng)汽車對功率和能量的雙重要求[3]．與任一單一電源相比，復(fù)合電源可以更好地適應(yīng)車輛的各種工況運(yùn)行．因此，復(fù)合電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制策略成為目前研究熱點(diǎn)．復(fù)合電源功率分配控制策略主要有邏輯門限控制、PID自適應(yīng)控制、模糊邏輯控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等[4]．

本文選擇某一純電動(dòng)汽車為原型車，通過合理匹配其復(fù)合電源系統(tǒng)各參數(shù)，以充分發(fā)揮動(dòng)力電池和超級電容各種性能特點(diǎn)為目標(biāo)，分別制定邏輯門限控制策略和模糊控制策略，利用汽車仿真軟件ADVISOR2002并對其二次開發(fā)，建立純電動(dòng)汽車模型，結(jié)合NEDC道路循環(huán)工況對復(fù)合電源電動(dòng)汽車進(jìn)行仿真研究．

1 復(fù)合電源系統(tǒng)參數(shù)匹配

復(fù)合電源系統(tǒng)參數(shù)匹配的目標(biāo)是通過合理匹配動(dòng)力電池和超級電容參數(shù)，使車輛運(yùn)行時(shí)能最大程度地發(fā)揮其各自優(yōu)勢，滿足車輛的各項(xiàng)性能要求．

1.1 動(dòng)力電池的參數(shù)配置

磷酸鐵鋰電池與傳統(tǒng)動(dòng)力電池相比具有能量密度高、使用壽命長、性能穩(wěn)定、安全性高等優(yōu)點(diǎn)，本文選擇磷酸鐵鋰電池作為電源系統(tǒng)的動(dòng)力電池．動(dòng)力電池參數(shù)匹配主要是對電池的電壓、容量、節(jié)數(shù)進(jìn)行合理配置[5]．

電池組電壓等級需要和電機(jī)工作電壓相匹配，根據(jù)原型車相關(guān)參數(shù)以及其設(shè)計(jì)性能指標(biāo)，本文選擇電機(jī)的工作電壓為220V，確定動(dòng)力電池組電壓等級為220V．磷酸鐵鋰電池單體正常工作電壓一般為2.5～3.6V，本文選擇的磷酸鐵鋰動(dòng)力電池單體電壓為3.2V．所以，根據(jù)電源系統(tǒng)電壓可確定磷酸鐵鋰動(dòng)力電池單體的串聯(lián)數(shù)量為70只．

采用等速法，并根據(jù)所設(shè)計(jì)的續(xù)駛里程確定電池組容量．假設(shè)車輛在水平良好路面以車速ua等速行駛，可知車輛行駛所需的功率和能量為

(1)

(2)

式中：Pe為車輛行駛所需功率(kW)；W為汽車行駛所需能量(kW·h)；m為整車質(zhì)量(kg)；f為滾動(dòng)阻力系數(shù)；CD為空氣阻力系數(shù)；A為迎風(fēng)面積(m2)；ηT為機(jī)械傳動(dòng)效率；ηm為電機(jī)及控制器效率；S為續(xù)駛里程(km)．

所以，電池組容量為

(3)

式中：N1為電池組串聯(lián)數(shù)；C1為電池組容量(Ah)；V1為磷酸鐵鋰電池單體電壓(V)；η為電池放電深度，取η≤80%．

1.2 超級電容的參數(shù)配置

根據(jù)車輛運(yùn)行道路工況對電源系統(tǒng)功率需求以及超級電容組峰值助力時(shí)間等因素確定超級電容參數(shù)[6]．

超級電容最大儲能量應(yīng)大于車輛加速爬坡最大能量需求，或與最大制動(dòng)能量相當(dāng)．由NEDC循環(huán)工況可知，超級電容滿足提供車輛10s的峰值助力要求；再根據(jù)超級電容特性，放電過程中其電壓從V降到V/2就有75%的能量放出，因此超級電容單節(jié)放電區(qū)間為1.25～2.5V之間[7]．

同時(shí)，在放電過程中，超級電容組電壓大于磷酸鐵鋰電池組電壓，通過雙向DC/DC變換器降壓后與電池組并聯(lián)；在制動(dòng)回饋充電過程中，超級電容截止電壓小于電池組截止電壓，通過雙向DC/DC變換器升壓后與電池組并聯(lián)[8]．

綜上，超級電容組參數(shù)的約束條件可以表示為

(4)

式中：N2為超級電容串聯(lián)數(shù)；C2為超級電容容量；V1max、V1min分別為磷酸鐵鋰電池工作最高、最低電壓(V)；V2max、V2min分別為超級電容工作最高、最低電壓(V)；Pmax為行駛工況峰值功率(kW)；P1為磷酸鐵鋰電池提供的功率(kW)；t為超級電容峰值助力時(shí)間(s)．

1.3 原型車復(fù)合電源系統(tǒng)參數(shù)

根據(jù)上述分析，結(jié)合原型車參數(shù)和性能指標(biāo)(如表1所示)以及NEDC道路循環(huán)工況(圖1)和循環(huán)工況對驅(qū)動(dòng)電機(jī)能量和功率的需求(圖2、表2)，完成復(fù)合電源系統(tǒng)各參數(shù)匹配(見表3)．

表1 原型車相關(guān)參數(shù)及性能指標(biāo)

圖1 汽車NEDC道路循環(huán)工況曲線

圖2 電機(jī)控制需求功率

需求參數(shù)參數(shù)值正能量需求/kJ7 065.12負(fù)能量需求/kJ-1 669.67正功率需求時(shí)間/s722負(fù)功率需求時(shí)間/s178平均正功率需求/kW9.79平均負(fù)功率需求/kW-9.38

表3 復(fù)合電源參數(shù)配置

2 功率分配控制策略

復(fù)合電源系統(tǒng)功率分配策略控制目標(biāo)：復(fù)合電源系統(tǒng)在保證汽車動(dòng)力性的前提下，充分發(fā)揮超級電容大流充放電的特性，盡量降低大電流充放電對電池的影響，延長電池的使用壽命，提高作為車載電源的充放電效率，增加再生制動(dòng)所回收的能量，進(jìn)一步提高電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程和整車的動(dòng)力性．

復(fù)合電源系統(tǒng)根據(jù)電機(jī)所需功率，通過功率分配策略控制來確定動(dòng)力電池和超級電容各自所需提供的功率(如圖3所示)，即

Pess=Pbat+Puc

(5)

復(fù)合電源能量管理控制策略：在電動(dòng)汽車行駛過程中，動(dòng)力電池提供運(yùn)行工況的平均功率，剩余部分由超級電容提供，即當(dāng)電機(jī)需求功率較大時(shí)，優(yōu)先以動(dòng)力電池提供平均功率，超級電容輔以峰值功率，若超級電容能量不足時(shí)，主要由動(dòng)力電池提供能量；當(dāng)電機(jī)需求功率較小時(shí)，則主要以動(dòng)力電池提供能量．在電動(dòng)汽車制動(dòng)回收能量過程中，以超級電容回收為主，將超級電容的荷電狀態(tài)維持在一個(gè)合理的范圍內(nèi)，其余動(dòng)力電池回收．

圖3 復(fù)合電源系統(tǒng)功率分配結(jié)構(gòu)

2.1 邏輯門限控制策略

復(fù)合電源邏輯門限控制策略規(guī)則的建立：根據(jù)已確定的道路工況對驅(qū)動(dòng)電機(jī)所要求的功率正負(fù)分離，并通過積分求平均的方法得到正負(fù)平均需求功率(表2)；同時(shí)再考慮動(dòng)力電池和超級電容的使用壽命以及安全等因素，設(shè)定動(dòng)力電池和超級電容的荷電狀態(tài)門限值．具體邏輯門限控制策略流程如圖4所示．

圖4 邏輯門限控制策略流程圖

其中，濾波函數(shù)f(s)表達(dá)式為

(6)

式中：τbat為動(dòng)力電池低通濾波時(shí)間常數(shù)；τuc為超級電容低通濾波時(shí)間常數(shù)．

2.2 模糊控制策略

模糊控制是以模糊集理論、模糊語言變量和模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種智能控制方法[9]．復(fù)合電源模糊控制就是在邏輯門限控制的基礎(chǔ)上，對門限值進(jìn)行模糊化處理．

模糊控制器將電機(jī)需求功率Preq，動(dòng)力電池荷電狀態(tài)SOCbat，超級電容荷電狀態(tài)SOCuc作為輸入量，經(jīng)過模糊控制策略分析得到動(dòng)力電池功率分配因子Kbat，即得出動(dòng)力電池和超級電容各自的功率分配．

根據(jù)上述控制策略及目標(biāo)，可以得到如下的實(shí)時(shí)優(yōu)化控制思路：

(1)若電機(jī)需求功率為正，即復(fù)合電源需輸出功率時(shí)，且當(dāng)超級電容的SOCuc較大，其優(yōu)先輸出能量；反之，當(dāng)超級電容的SOCuc較小，則動(dòng)力電池優(yōu)先輸出能量。

(2)若電機(jī)需求功率為負(fù)，即為制動(dòng)能量回收過程，能量回饋到復(fù)合電源時(shí)，根據(jù)回收功率的大小來確定超級電容和動(dòng)力電池直接的分配關(guān)系。當(dāng)回收的功率較小時(shí)，優(yōu)先超級電容回收，動(dòng)力電池輔以回收；當(dāng)回收的功率較大時(shí)，優(yōu)先動(dòng)力電池回收，超級電容輔以回收。

本文模糊控制器采用三輸入、單輸出結(jié)構(gòu)，推理方法采用Mamdani法．三輸入分別為Preq，SOCbat，SOCuc，輸出為Kbat．輸入輸出量均采用三角形函數(shù)．設(shè)輸入量Preq論域?yàn)閇-1 1]，模糊集合{NB、NM、NS、ZE、PS、PM、PB}；SOCbat論域?yàn)閇0.2 0.9]，模糊集合{LE、ME、GE}；SOCuc論域?yàn)閇0.2 0.9]，模糊集合{LE、ME、GE}。輸出量Kbat論域?yàn)閇0.21]，模糊集合{LE、ML、ME、MB、GE}．

根據(jù)上述復(fù)合電源功率分配控制目標(biāo)建立的相應(yīng)規(guī)則見表4.

表4 模糊控制規(guī)則

3 仿真試驗(yàn)

3.1 建立模型

本文利用汽車仿真軟件ADVISOR2002，通過對其二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)適用于復(fù)合電源的純電動(dòng)汽車整車模型仿真．復(fù)合電源純電動(dòng)汽車的頂層結(jié)構(gòu)模型(如圖5所示)主要由功率分配控制策略模塊、動(dòng)力電池模塊、超級電容模塊和雙向DC/DC模塊組成．車輛動(dòng)力母線模塊的輸出作為復(fù)合電源功率分配控制策略模塊的輸入，并經(jīng)其功率分配后確定動(dòng)力電池和超級電容各自的功率需求．整車模型選用原型車參數(shù)，以NEDC為仿真循環(huán)工況進(jìn)行仿真試驗(yàn)．

圖5 復(fù)合電源純電動(dòng)汽車的頂層結(jié)構(gòu)模型

3.2 仿真結(jié)果分析

圖6為單一電源和復(fù)合電源兩種功率分配控制策略下的動(dòng)力電池電壓對比圖．

圖6 動(dòng)力電池電流對比圖

從圖6可以看出，單一電源充放電電流較大，而加入超級電容的復(fù)合電源，其動(dòng)力電池充放電電流明顯降低．采用邏輯門限控制策略的復(fù)合電源較單一電源的優(yōu)勢是發(fā)揮了超級電容可以吸收制動(dòng)回收過程中產(chǎn)生的電流，但對于動(dòng)力電池放電時(shí)的峰值電流改善較少，而采用模糊控制策略的復(fù)合電源充分發(fā)揮了超級電容大電流放電的特性，對動(dòng)力電池的電流明顯地起到了“削峰填谷”的作用．

圖7為超級電容在兩種功率分配控制策略下的電流對比圖．

從圖7可以看出，超級電容在模糊控制策略下，可以更好地發(fā)揮其大電流充放電、大功率輸出的特性．而邏輯門限控制策略只考慮超級電容10s的峰值助力，不能很好地發(fā)揮超級電容的主動(dòng)性．

圖7 超級電容電流對比圖

圖8、圖9分別為不同控制策略下的動(dòng)力電池和超級電容SOC對比圖．從圖8中可以看出，復(fù)合電源較單一電源可以節(jié)省動(dòng)力電池的電量，而其中模糊控制策略相比于邏輯門限控制策略，節(jié)省的動(dòng)力電池電量更加明顯．由圖9可以看到，模糊控制下的超級電容SOC變化幅度更大，說明其在電源系統(tǒng)充放電過程中更為主動(dòng)，更能發(fā)揮其作用．

圖8 動(dòng)力電池與單一電源SOC對比圖

圖9 超級電容SOC對比圖

4 結(jié)束語

本文以動(dòng)力電池和超級電容組成的復(fù)合電源為研究對象，以某一純電動(dòng)汽車為原型車，完成了其復(fù)合電源系統(tǒng)參數(shù)的合理匹配；研究了復(fù)合電源系統(tǒng)功率分配控制策略，并分別制定了邏輯門限控制策略和模糊控制策略；通過對汽車仿真軟件ADVISOR2002的二次開發(fā)，建立了適合于復(fù)合電源純電動(dòng)汽車的整車模型，并選擇NEDC道路循環(huán)工況進(jìn)行了仿真試驗(yàn)．結(jié)果表明：超級電容通過發(fā)揮其“削峰填谷”的峰值補(bǔ)償作用，電池性能明顯提升；采用的模糊控制策略與邏輯門限控制策略相比，控制推理能力強(qiáng)、魯棒性好，超級電容可以更好地發(fā)揮其主動(dòng)性，復(fù)合電源系統(tǒng)性能明顯提升．

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