(安徽理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)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(chē)也成為了必然趨勢(shì)[1]。但是隨著日益增長(zhǎng)的復(fù)雜交通環(huán)境要求汽車(chē)頻繁的制動(dòng)、啟動(dòng)。此時(shí)需要汽車(chē)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(huì)大大降低蓄電池的壽命。而儲(chǔ)能元件超級(jí)電容具有充放電速度快，大電流適應(yīng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)。因此現(xiàn)在市場(chǎng)上占絕大多數(shù)的混合動(dòng)力汽車(chē)采用二者結(jié)合作為儲(chǔ)能系統(tǒng)[2]。

由于目前復(fù)合電源的工作環(huán)境較為復(fù)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(jí)電容的特性?xún)?yōu)化模糊控制規(guī)則，改進(jìn)模糊控制器結(jié)構(gòu)。提高整體復(fù)合電源的工作效率。在分析該方法原理的基礎(chǔ)上，搭建了Matlab/Simulink仿真模型并在advisor中進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。

1 復(fù)合電源的結(jié)構(gòu)和工作模式

蓄電池?fù)碛辛己玫谋饶芰?，超?jí)電容有良好的比功率。復(fù)合電源采取將二者并聯(lián)，來(lái)將兩者的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)[3～5]?，F(xiàn)在復(fù)合電源為了更好利用超級(jí)電容的比功率大充放電迅速的特點(diǎn)，多采用在兩個(gè)功率器件之間加入DC/DC設(shè)備，為了平衡兩電源之間的電壓并管理兩電源工作。其復(fù)合電源結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 復(fù)合電源結(jié)構(gòu)圖

如圖1所示，超級(jí)電容經(jīng)過(guò)雙向DC/DC與蓄電池并聯(lián)。這樣超級(jí)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(jí)電容工作時(shí)的電壓波動(dòng)范圍較大，充電時(shí)電壓為70V，放電時(shí)截止電壓為42V[6]。而蓄電池的電壓變化幅度相比于超級(jí)電容則相對(duì)平穩(wěn)。因此通過(guò)將超級(jí)電容和DC/DC串聯(lián)，來(lái)供給電機(jī)平穩(wěn)的電壓。

2 參數(shù)設(shè)置和安全限定

為了獲取最大能源效率，要按照車(chē)輛正常運(yùn)行時(shí)所需要的功率來(lái)對(duì)復(fù)合電源進(jìn)行合理的功率調(diào)控，以保證復(fù)合電源運(yùn)行在穩(wěn)定的工作區(qū)域。

在低倍率的充放電的過(guò)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(huì)迅速增大,影響復(fù)合電源的整體功率。根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)鋰電池最好的工作SOC范圍為[0.2,0.9][7]。當(dāng)在這個(gè)工作范圍時(shí)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(shí)電池的電阻會(huì)隨著SOC的改變而迅速改變，影響電池工作效率。

超級(jí)電容方面，假設(shè)其以恒定的電流I放電，經(jīng)時(shí)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(jí)電容儲(chǔ)存/釋放的能量為

(1)

由式(1)可得，當(dāng)超級(jí)電容的電量下降到了50%時(shí)，E會(huì)降低到25%。設(shè)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(yīng)該取高一點(diǎn)，則存儲(chǔ)的能量為

(3)

由上式可得，當(dāng)超級(jí)電容端電壓為額定電壓時(shí)

E=0.5UC

(4)

當(dāng)電壓下降一半時(shí)則

E=0.25UC

(5)

此時(shí)超級(jí)電容的SOC過(guò)低，輸出效率不理想。根據(jù)過(guò)往的實(shí)際測(cè)試經(jīng)驗(yàn)，一般取額定電壓的60%以上的區(qū)域[8]。

3 復(fù)合電源的工作模式

復(fù)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(dāng)車(chē)輛勻速，正常運(yùn)行時(shí)。由蓄電池單獨(dú)提供。

2)當(dāng)車(chē)輛在剛出發(fā)，提速和上坡情況狀況時(shí)，由超級(jí)電容單獨(dú)提供能量

3)當(dāng)車(chē)輛處于持續(xù)加速和爬坡?tīng)顩r且單獨(dú)超級(jí)電容無(wú)法滿足功率需求的情況下，采用超級(jí)電容和蓄電池一起工作。

4)當(dāng)車(chē)輛處于能量回收模式時(shí)，車(chē)輛減速。能量流向動(dòng)力電池和超級(jí)電容。

圖2 復(fù)合電源工作模式能量流向圖

4 復(fù)合電源控制策略設(shè)計(jì)

根據(jù)上述復(fù)合電源的工作模式可知，復(fù)合電源有充電和放電兩種工作模式。放電模式的主要重點(diǎn)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(jí)電容可以更快的快速的回收能量。針對(duì)上述情況設(shè)置了關(guān)于系統(tǒng)需求功率的兩種模糊控制策略。

設(shè)系統(tǒng)需求功率Preq，蓄電池提供的功率為Pbat，超級(jí)電容提供的功率為Puc。定義動(dòng)力電池的功率分配因數(shù)為Kbat，超級(jí)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(dāng)系統(tǒng)需求功率Preq>0時(shí)，復(fù)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(shí)，若SOCbat充足，則蓄電池單獨(dú)放電；若SOCbat適中則動(dòng)力電池單獨(dú)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(dú)放電。

(2) 若系統(tǒng)需求功率較低時(shí)，若SOCbat較高，則蓄電池單獨(dú)放電；若SOCbat適中則動(dòng)力電池單獨(dú)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(dòng)力電池單獨(dú)放電。

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

(4) 若系統(tǒng)需求功率較大時(shí)，則蓄電池和超級(jí)電容一起放電。

2)當(dāng)系統(tǒng)需求功率Preq<0時(shí),復(fù)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(jí)電容單獨(dú)充電，若SOCbat較低，SOCuc較低，則同時(shí)充電，否則超級(jí)電容單獨(dú)充電；若SOCuc適中，SOCbat較低或適中則動(dòng)力電池和超級(jí)電容同時(shí)充電，否則超級(jí)電容單獨(dú)充電；如果SOCuc較高，則動(dòng)力電池和超級(jí)電容共同充電。

光靠經(jīng)驗(yàn)上制定規(guī)則的模糊控制可能會(huì)造成過(guò)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(guò)高功率輸出。

使用Mamdani型模糊邏輯來(lái)設(shè)計(jì)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(jì)算需求功率為正負(fù)時(shí)的情況。設(shè)輸入量SOCbat，SOCuc的論域?yàn)閇0.2，0.9]。Preq的論域?yàn)閇0,10000]。

當(dāng)需求功率大于0時(shí)，設(shè)Preq的模糊集合論域?yàn)閇0，1],模糊集合為[TS、S、M、B]。SOCbat的模糊集合論域?yàn)閇0.2,0.9],模糊集合為[L、M、H]。SOCuc的的模糊集合論域?yàn)閇0.2,0.9],模糊集合為[L、M、H]。Kuc的模糊集合論域?yàn)閇0,1],模糊集合為[TS、S、M、B]。

當(dāng)需求功率小于0時(shí)，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?yàn)閇0,1],模糊集合為[L、M、H]。SOCuc的的模糊集合論域?yàn)閇0,1],模糊集合為[TL、L、M、H]。Kuc的模糊集合論域?yàn)閇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(dòng)力汽車(chē)仿真模型圖

圖4 各器件的溫度對(duì)比

圖5各器件的SOC對(duì)比

5 仿真實(shí)驗(yàn)

采用matlab/advisor系統(tǒng)，利用advisor中原有的模型進(jìn)行改裝。把原有車(chē)輛模型中的單一電源替換為復(fù)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(yùn)行期間相對(duì)于單一電源中的蓄電池，復(fù)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(lái)看，復(fù)合電源的蓄電池荷電變化量更加穩(wěn)定。由此說(shuō)明上文中的模糊控制器的確起到讓超級(jí)電容分?jǐn)偡逯倒β实墓δ堋?/p>

6 結(jié) 論

對(duì)混合動(dòng)力汽車(chē)中復(fù)合電源的特性進(jìn)行探討，結(jié)合其跟隨車(chē)況變化的運(yùn)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(jìn)行仿真。研究結(jié)果表明模糊控制可以?xún)?yōu)化蓄電池和超級(jí)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(chē)輛的運(yùn)行情況.