張昌利 張瑾瑾 楊盼盼

（長(zhǎng)安大學(xué)信息工程學(xué)院1） 西安 710064） （長(zhǎng)安大學(xué)電子與控制工程學(xué)院2） 西安 710064）

純電動(dòng)汽車因?yàn)楦咝?、低噪聲、零排放等顯著優(yōu)點(diǎn)，在節(jié)能和環(huán)保方面具有無可比擬的優(yōu)勢(shì)，其應(yīng)用和普及是汽車工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必然趨勢(shì)［1］.與單一能量源的純電動(dòng)汽車相比，將高比能量的蓄電池和高比功率的超級(jí)電容結(jié)合起來形成主輔雙能量源存儲(chǔ)系統(tǒng)，更能滿足純電動(dòng)汽車行駛中對(duì)能量和功率的雙重要求，同時(shí)增強(qiáng)車輛的續(xù)駛能力和動(dòng)力性能［2］.目前，國(guó)外對(duì)雙能量源純電動(dòng)汽車的研究相對(duì)深入，已有車型問世；國(guó)內(nèi)的研究和應(yīng)用則剛剛起步，仍處于建模、仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證階段［3－5］.

ADVISOR是由美國(guó)國(guó)家再生能源實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的一款最具代表性的電動(dòng)汽車仿真軟件，使用前向仿真和后向仿真相結(jié)合的混合仿真方法，具有車輛總成參數(shù)匹配與優(yōu)化、車輛傳動(dòng)系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)間能量轉(zhuǎn)化分析、不同循環(huán)工況下排放特性和能量消耗對(duì)比、車輛能量管理策略評(píng)價(jià)、整車綜合性能預(yù)測(cè)和分析等功能［6－7］.但是，由于軟件中車輛的結(jié)構(gòu)形式固定有限，目前ADVISOR仍無法對(duì)雙能量源純電動(dòng)汽車進(jìn)行仿真.

針對(duì)上述情況，本文以蓄電池－超級(jí)電容雙能量源純電動(dòng)汽車作為研究對(duì)象，建立了雙能量源存儲(chǔ)系統(tǒng)的功率分配模糊控制策略，在開源ADVISOR 2002軟件之上進(jìn)行了雙能量源模糊控制建模和關(guān)鍵程序二次開發(fā)，得到了適合于雙能量源純電動(dòng)汽車仿真的專用平臺(tái)，并結(jié)合典型的循環(huán)工況對(duì)雙能量源純電動(dòng)汽車的整車動(dòng)力性能進(jìn)行了仿真研究，從而為車輛部件選型、參數(shù)匹配與優(yōu)化、樣車研發(fā)等提供技術(shù)支持.

1 雙能量源存儲(chǔ)系統(tǒng)

純電動(dòng)汽車采用的蓄電池－超級(jí)電容雙能量源存儲(chǔ)系統(tǒng)如圖1所示.蓄電池為車載主能量源，具有比能量高、續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，但循環(huán)壽命低、不適合大電流放電，主要用于滿足車輛對(duì)比能量和循環(huán)壽命的要求.超級(jí)電容為輔助能量源，具有比功率高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、瞬時(shí)放電電流大、充電時(shí)間短等特點(diǎn)［8］，主要用于在車輛加速或爬坡時(shí)提供短時(shí)的大功率輸出.蓄電池和超級(jí)電容組成并聯(lián)結(jié)構(gòu)，通過DC／DC變換器對(duì)超級(jí)電容的端電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，并按照一定的控制策略實(shí)現(xiàn)功率分配.

圖1 蓄電池－超級(jí)電容雙能量源存儲(chǔ)系統(tǒng)

蓄電池－超級(jí)電容雙能量源存儲(chǔ)系統(tǒng)的工作過程為：當(dāng)汽車起步時(shí)，超級(jí)電容優(yōu)先大電流放電，啟動(dòng)汽車；當(dāng)汽車正常行駛時(shí)，蓄電池和超級(jí)電容按照一定的分配比例同時(shí)對(duì)外輸出功率；當(dāng)汽車加速或爬坡時(shí)，蓄電池和超級(jí)電容同時(shí)輸出大電流以滿足電機(jī)的高功率需求；當(dāng)汽車制動(dòng)時(shí)，電機(jī)工作于再生制動(dòng)狀態(tài)，按照超級(jí)電容優(yōu)先的原則利用制動(dòng)回收能量同時(shí)給兩種能量源充電.

2 雙能量源存儲(chǔ)系統(tǒng)模糊控制策略

根據(jù)上節(jié)分析，設(shè)計(jì)蓄電池－超級(jí)電容雙能量源存儲(chǔ)系統(tǒng)的功率分配模糊控制策略［9］如圖2所示，主要由2個(gè)模塊組成.模糊控制器模塊包含電機(jī)需求功率（再生制動(dòng)狀態(tài)下取負(fù)值）、蓄電池荷電狀態(tài)SOC、超級(jí)電容荷電狀態(tài)SOC 3個(gè)輸入值，根據(jù)一定的模糊控制規(guī)則輸出需求功率的分配比例，本文取蓄電池分配額占總需求功率的比例作為輸出值.需求功率分配模塊根據(jù)功率分配比例，將總的需求功率在蓄電池和超級(jí)電容之間進(jìn)行分配.

圖2 雙能量源存儲(chǔ)系統(tǒng)的模糊控制策略結(jié)構(gòu)

按照高斯型隸屬度函數(shù)的定義，取模糊控制器模塊各輸入變量的模糊集合為E（Preq）＝｛NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB｝，E（BSOC）＝｛LE，ME，GE｝和E（CSOC）＝｛LE，ME，GE｝，取輸出變量的模糊集合為E（Kbat）＝｛LE，ML，ME，MB，GE｝.其中，Prq、BSOC、CSOC、Kbat分別為需求功率、蓄電池SOC、超級(jí)電容SOC及輸出的蓄電池功率分配比例，各模糊值含義為NB（負(fù)大）、NM（負(fù)中）、NS（負(fù)?。?、ZE（零）、PS（正?。?、PM（正中）、PB（正大）、LE（較?。?、ML（中?。E（中）、MB（中大）、GE（較大）.則可制定出表1所示的模糊規(guī)則集.

表1 雙能量源存儲(chǔ)系統(tǒng)的功率分配模糊規(guī)則

3 基于ADVISOR的雙能量源模糊控制建模與仿真軟件二次開發(fā)

本節(jié)在開源ADVISOR 2002軟件之上，通過雙能量源模糊控制建模與關(guān)鍵程序二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)適用于雙能量源純電動(dòng)汽車（記為EV＿DESS）的整車動(dòng)力性能仿真軟件平臺(tái).

3.1 雙能量源存儲(chǔ)系統(tǒng)的模糊控制策略建模

在ADVISOR支持的單能量源純電動(dòng)汽車模型EV的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)蓄電池－超級(jí)電容雙能量源純電動(dòng)汽車的頂層結(jié)構(gòu)模型如圖3所示，模型文件命名為EV＿DESS.mdl存放于models子文件夾中.

相比于EV，EV＿DESS新加了超級(jí)電容模塊＜ess2＞，DC／DC變換器模塊＜dcdc＞和控制策略模塊＜ctr＞.其中，＜ess2＞來自ADVISOR模塊庫(kù)，其路徑為lib＿energy＿storage／ESSChoices／Ultra－capacitor；＜dcdc＞和＜ctr＞為自定義模塊，前者用于調(diào)整超級(jí)電容的端電壓，后者用于對(duì)＜ess＞、＜ess2＞的功率分配進(jìn)行控制.根據(jù)表1，設(shè)計(jì)＜ctr＞模塊的Simulink模型如圖4所示.

圖3 蓄電池－超級(jí)電容雙能量源純電動(dòng)汽車EV＿DESS的頂層結(jié)構(gòu)模型

圖4 雙能量源存儲(chǔ)系統(tǒng)模糊控制策略的Simulink模型

3.2 ADVISOR關(guān)鍵程序二次開發(fā)

為了使EV＿DESS車型能夠在ADVISOR平臺(tái)上正確加載、配置和仿真，還需對(duì)該軟件的部分關(guān)鍵程序進(jìn)行如下的深度二次開發(fā).

首先，在saved＿vehicles子文件夾中新建EV＿DESS＿defaults＿in.m文件，對(duì)EV＿DESS的車輛總成參數(shù)進(jìn)行配置.文件的主體部分仿照EV車型，并增加了超級(jí)電容的配置信息，主要代碼為：

其次，以EV車型為藍(lán)本繪制EV＿DESS的車型圖，區(qū)分蓄電池和超級(jí)電容兩種能量源.將車型圖文件命名為electric＿dess.jpg，存放于gui子文件夾中.

再次，在MATLAB命令行環(huán)境應(yīng)用gui子文件夾中定義的optionlist函數(shù)，對(duì)車輛數(shù)據(jù)進(jìn)行增刪、讀取和修改等操作，具體命令包括：

進(jìn)而，對(duì)與主界面相關(guān)的多個(gè)m文件進(jìn)行修改，以正確加載EV＿DESS車型.比如，在文件InputFigControl.m中“case drivetrain”語句下面增加：

表明EV＿DESS車型中沒有這些部件總成，主界面中的對(duì)應(yīng)控件將顯示為不可用.在文件gui＿image.m中“switch drivetrain”語句下面增加：

設(shè)定車型圖片中各零部件的具體位置，用于響應(yīng)主界面上用戶的鼠標(biāo)點(diǎn)擊事件.在文件block＿diagram＿name.m中“switch drivetrain”語句下面增加：

使EV＿DESS車型與頂層結(jié)構(gòu)模型關(guān)聯(lián)起來.

最后，要實(shí)現(xiàn)對(duì)EV＿DESS車型的正確仿真，還需對(duì)其它大量的m文件進(jìn)行修改，涵蓋了ADVISOR軟件的大部分主干內(nèi)容.但是，與前述改動(dòng)不同，這些改動(dòng)相對(duì)簡(jiǎn)單，基本上具有類似的模式.

4 仿真分析

為了分析和驗(yàn)證蓄電池－超級(jí)電容雙能量源純電動(dòng)汽車的特點(diǎn)，選用美國(guó)丹弗客車工況CYC＿BUSRTE、中心商業(yè)區(qū)工況CYC＿CBD14進(jìn)行仿真分析.其中，汽車整車及電機(jī)、蓄電池和超級(jí)電容的部分參數(shù)見表2.

表2 蓄電池－超級(jí)電容雙能量源純電動(dòng)汽車參數(shù)

表3從經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性2個(gè)方面列舉了蓄電池－超級(jí)電容雙能量源純電動(dòng)汽車的ADVISOR仿真結(jié)果，可見CYC＿BUSRTE，CYC＿CBD14兩種循環(huán)工況下的百公里電能消耗互不相同.其主要原因是CYC＿BUSRTE工況中制動(dòng)頻繁，超級(jí)電容在制動(dòng)過程中發(fā)揮了更好的能量回收作用，使能量利用率得到提高，汽車的續(xù)駛里程也相應(yīng)增加.

此外，CYC＿BUSRTE，CYC＿CBD14兩種循環(huán)工況下蓄電池和超級(jí)電容的SOC及電流變化情況如圖5所示.可見，采用本文的雙能量源存儲(chǔ)系統(tǒng)的功率分配模糊控制策略，可以充分發(fā)揮超級(jí)電容的“削峰填谷”作用，避免了蓄電池的大電流充放電，使蓄電池的功率輸出盡可能保持恒定和平滑，從而提高雙能量源存儲(chǔ)系統(tǒng)的循環(huán)壽命；可以增強(qiáng)制動(dòng)能量的回收能力，提高蓄電池－超級(jí)電容雙能量源系統(tǒng)的充放電效率，從而在提高純電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程的同時(shí)，提高整車的動(dòng)力性能，達(dá)到動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的統(tǒng)一.

表3 兩種循環(huán)工況下蓄電池－超級(jí)電容雙能量源純電動(dòng)汽車的ADVISOR仿真結(jié)果

圖5 2種循環(huán)工況下蓄電池、超級(jí)電容的SOC及電流變化情況

5 結(jié)束語

針對(duì)蓄電池－超級(jí)電容雙能量源純電動(dòng)汽車，建立了雙能量源存儲(chǔ)系統(tǒng)的功率分配模糊控制策略.在電動(dòng)汽車仿真軟件ADVISOR之上通過雙能量源模糊控制建模和關(guān)鍵程序二次開發(fā)，獲得了適合蓄電池－超級(jí)電容雙能量源純電動(dòng)汽車仿真的專用軟件平臺(tái)，擴(kuò)充了ADVISOR軟件的車型支持范圍.結(jié)合CYC＿BUSRTE，CYC＿CBD14兩種循環(huán)工況，對(duì)雙能量源純電動(dòng)汽車進(jìn)行了整車動(dòng)力性能仿真.仿真結(jié)果表明，采用蓄電池－超級(jí)電容雙能量源存儲(chǔ)系統(tǒng)，能夠同時(shí)滿足純電動(dòng)汽車對(duì)能量和功率的雙重要求，車輛的經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性同時(shí)得到了提高.

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