鄭麗輝，趙志剛，方曉汾

(衢州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，浙江衢州 324000)

0 引言

面對日益嚴(yán)重的環(huán)境惡化和能源危機(jī)問題，純電動汽車以其環(huán)保與節(jié)能的雙重優(yōu)勢已經(jīng)成為最具發(fā)展前途的交通工具之一［1］。但現(xiàn)有的以蓄電池為單一電源的純電動汽車存在功率密度低、電池循環(huán)壽命短等缺點(diǎn)，一直制約著純電動汽車的商業(yè)化發(fā)展［2－3］。超級電容(Ultra Capacitor，UC)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(qiáng)充放電能力、可提供強(qiáng)大脈沖功率的物理二次電源［4］。它比蓄電池具有更高的功率密度和更長的循環(huán)壽命，但同時也存在能量密度低的缺點(diǎn)。以蓄電池和超級電容組成的復(fù)合電源系統(tǒng)作為純電動汽車的儲能裝置是現(xiàn)階段解決純電動汽車?yán)m(xù)駛里程不足的有效手段。為了充分發(fā)揮蓄電池和超級電容的各自優(yōu)勢，就需要一套高效可靠的功率分配策略來協(xié)調(diào)兩者的輸入輸出功率。

以蓄電池－超級電容復(fù)合電源純電動汽車為研究對象，通過分析復(fù)合電源基本結(jié)構(gòu)，結(jié)合蓄電池和超級電容各自特性，以模糊控制理論為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)驅(qū)動功率分配策略，并建立Matlab/Simulink仿真模型，驗(yàn)證了所建立的控制策略的有效性。

1 復(fù)合電源純電動汽車基本結(jié)構(gòu)

復(fù)合電源純電動汽車動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 復(fù)合電源純電動汽車動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

超級電容經(jīng)雙向DC/DC變換器與蓄電池間接并聯(lián)構(gòu)成復(fù)合電源系統(tǒng)。雙向DC/DC變換器與主繼電器K構(gòu)成功率分配執(zhí)行機(jī)構(gòu)。功率分配控制器采集加速踏板、超級電容SOC和母線電流等信號，根據(jù)制定的功率分配控制策略輸出相應(yīng)的控制信號控制功率分配執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)合理分配超級電容與蓄電池的輸出功率的目的［5－6］。

功率分配控制器是復(fù)合電源功率分配的核心控制單元，是實(shí)現(xiàn)功率分配策略的載體［7］。根據(jù)車輛的運(yùn)行工況以及相應(yīng)的能量流動方向?qū)④囕v運(yùn)行狀態(tài)劃分為:蓄電池單獨(dú)驅(qū)動模式、蓄電池與超級電容共同驅(qū)動模式、蓄電池對超級電容預(yù)充電模式和再生制動模式［8］四種模式。

2 復(fù)合電源純電動汽車功率分配策略目標(biāo)

所提出的基于模糊控制算法的復(fù)合電源純電動汽車功率分配策略能夠滿足以下要求:

(1)準(zhǔn)確響應(yīng)駕駛員動作，盡量做到與傳統(tǒng)汽車駕駛感覺一致，即保證車輛的駕乘舒適性。

(2)在不影響整車動力性和經(jīng)濟(jì)性的前提下，確保蓄電池的輸出功率盡可能恒定和平滑，充分發(fā)揮超級電容對總線功率的調(diào)節(jié)作用，減小大功率充放電對蓄電池的損傷，提高蓄電池的循環(huán)壽命和儲能單元的能量利用率。

(3)充分回收再生制動能量。

3 模糊控制器設(shè)計(jì)

3.1 基本工作原理

模糊控制是以模糊邏輯推理、模糊集理論和模糊語言變量為基礎(chǔ)的，從行為上模仿人的模糊推理和決策過程的一種控制手段。該方法將人類專家對特定對象的控制經(jīng)驗(yàn)，運(yùn)用模糊集理論進(jìn)行量化，轉(zhuǎn)化為可數(shù)學(xué)實(shí)現(xiàn)的控制器，從而有效控制被控對象［9］。

模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，由模糊化接口、知識庫、模糊推理、解模糊化接口四部分組成。精確的輸入變量經(jīng)量化后輸入模糊化接口，形成模糊的語言變量輸入，結(jié)合知識庫中預(yù)先制定的輸入輸出關(guān)系，進(jìn)行模糊推理得到模糊結(jié)論，經(jīng)解模糊化接口得到精確的控制量，并經(jīng)過量化得到精確輸出［10］。

圖2 模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.2 功率分配策略的模糊控制器設(shè)計(jì)

由于蓄電池的輸出電壓以及超級電容經(jīng)雙向DC/DC變換器調(diào)控后的輸出電壓都與驅(qū)動電機(jī)的額定電壓相近且變化范圍很小，所以蓄電池與超級電容之間的輸出功率分配可以等效為輸出電流分配。選擇超級電容輸出電流Iuc作為模糊控制功率分配策略的輸出量。復(fù)合電源純電動汽車行駛過程中要保證動力性的要求，同時又要盡量防止蓄電池大電流放電的情況發(fā)生，需根據(jù)母線電流總需求I的大小來分配超級電容的輸出電流Iuc，同時，超級電容SOC變化范圍也需要充分考慮。因此將母線電流總需求I和超級電容SOC作為模糊控制功率分配策略的輸入量。

模糊控制功率分配策略的原理如圖3所示。根據(jù)輸入量的大小經(jīng)模糊控制策略分析以后，得到超級電容目標(biāo)輸出電流，通過閉環(huán)控制使超級電容經(jīng)雙向DC/DC變換器斬波升壓后的實(shí)際輸出電流跟隨目標(biāo)電流值，額外部分則由蓄電池補(bǔ)充。

圖3 模糊控制功率分配策略原理圖

3.2.1 模糊化接口

模糊化接口是通過在控制器的輸入輸出論域上定義語言變量，使精確的輸入輸出值轉(zhuǎn)換為模糊的語言值。筆者分別定義母線電流總需求值I和超級電容SOC的量化因子為KI、KSOC，將輸入語言變量的論域從實(shí)際的連續(xù)域轉(zhuǎn)變成離散的有限整數(shù)域;定義比例因子KIuc將輸出語言變量的論域從離散的整數(shù)域轉(zhuǎn)變成實(shí)際的連續(xù)輸出域，如圖4所示。

圖4 實(shí)數(shù)域至整數(shù)域轉(zhuǎn)換圖

文中母線電流總需求值的連續(xù)取值范圍是I=［0，250］=［Imin，Imax］，Imin表示母線電流的最低限值，Imax表示母線電流的最高限值。I經(jīng)量化因子Ki轉(zhuǎn)變?yōu)殡x散的證書于，即 I'={0…11，12，13…25}。量化因子Ki計(jì)算方式如式(1):

超級電容SOC連續(xù)取值范圍是SOC=［0.4，1］=［SOCmin，SOCmax］，SOCmin表示低限值，SOCmax表示高限值。SOC經(jīng)量化因子KSOC轉(zhuǎn)變?yōu)殡x散的整數(shù)域，即SOC'={4…6，7，8…10}。量化因子 KSOC計(jì)算方式如式(2):

模糊控制器輸出即為超級電容輸出電流，其取值Iuc'={－3…2，3，4…10}，為一組離散的整數(shù)值，經(jīng)比例因子 KIuc轉(zhuǎn)變到實(shí)際輸出 Iuc=［－30，100］=［Iucmin，Iucmax］，Iucmin表示低限值(最大預(yù)充電電流)，Iucmax表示高限值。比例因子KIuc的計(jì)算方式如式(3)所示:

母線電流總需求值I輸入包括9個模糊子集，分別是極小(ES)、很小(VS)、較小(SM)、中等(MI)、較大(BG)、很大(VB)、極大(EB)、超級大(VEB)、超級超級大(PVEB)。隸屬度函數(shù)取正態(tài)分布型(高斯形式，其中ai為函數(shù)的中心值，bi為函數(shù)的寬度。超級電容的主要任務(wù)是在母線電流需求值超過一定范圍時能盡可能多地填補(bǔ)母線電流峰值，使蓄電池輸出電流值穩(wěn)定在一個較小范圍內(nèi)，故對母線電流需求值較大區(qū)段進(jìn)行細(xì)分以提高輸出靈敏度，令與{ES，VS，SM，MI，BG，VB，EB，VEB，PVEB}對應(yīng)的高斯基函數(shù)的中心值分別為{0，5，10，15，17，19，21，23，25}，其隸屬度函數(shù)如圖 5 所示。

圖5 母線電流總需求隸屬度函數(shù)

將SOC的輸入分成7個模糊子集，分別是極低(EL)、很低(VL)、較低(LO)、正常(ST)、較高(HI)、很高(VL)、極高(EH)。隸屬度函數(shù)取正態(tài)分布型(高斯基)函數(shù)的形式，令與{EL，VL，LO，ST，HI，VL，EH}對應(yīng)的高斯基函數(shù)的中心值分別為{4，5，6，7，8，9，10}，其隸屬度函數(shù)如圖6所示。

圖6 超級電容SOC隸屬度函數(shù)

超級電容的輸出電流Iuc作為模糊控制器的輸出，包含的模糊子集一次為負(fù)大(NB)、負(fù)小(NS)、正零(ZE)、正小(PS)、正中(PM)、正大(PB)、正很大(PVB)、正極大(PEB)。隸屬度函數(shù)取正態(tài)分布型(高斯基)函數(shù)的形式，令與{NB，NS，ZE，PS，PM，PB，PVB，PEB}對應(yīng)的高斯基函數(shù)的中心值分別為{－3，－1.5，0，2，4，6，8，10}，其隸屬度函數(shù)如圖 7。

圖7 超級電容輸出電流隸屬度函數(shù)

3.2.2 規(guī)則庫建立

各變量的模糊子集和隸屬度函數(shù)確定之后，還需要根據(jù)對被控對象的物理特性的理解和控制工程經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)一套合理的控制規(guī)則。以蓄電池和超級電容組成的復(fù)合電源純電動汽車，功率分配策略的制定主要考慮以下幾方面:

(1)維持超級電容SOC在正常范圍，使超級電容既能保留一定的能量用以輔助蓄電池大電流供電，又有足夠的空間用以儲存電動汽車再生制動時回收的電能。低于下限時蓄電池需要對超級電容預(yù)充電。

(2)超級電容SOC較高時，超級電容放電電流適當(dāng)加大。

(3)考慮到系統(tǒng)的安全性及可靠性，再生制動過程中預(yù)充電功能停止。

(4)整個能量管理的本質(zhì)是充分實(shí)現(xiàn)超級電容的“削峰填谷”的作用，除了電動汽車再生制動過程中回收的部分能量外，整個系統(tǒng)的全部能量還是來源于蓄電池。

根據(jù)以上工程經(jīng)驗(yàn)，按照if…is…and…is…then…is…的形式表達(dá)，制定如下控制規(guī)則:

(1)超級電容SOC低、母線電流需求值I大時，蓄電池以大電流供電。

(2)超級電容SOC低、母線電流需求值I小時，蓄電池以較大電流供電驅(qū)動電機(jī)并同時對超級電容預(yù)充電。

(3)電機(jī)再生制動時，蓄電池不供電，超級電容吸收全部再生制動能量。

(4)超級電容SOC很高，母線電流需求值I大，超級電容和蓄電池同時供電，限制蓄電池輸出電流的峰值。

(5)超級電容SOC很高，母線電流需求值I小，蓄電池單獨(dú)供電。

根據(jù)上述五條能量分配原則，設(shè)計(jì)模糊控制規(guī)則庫如表1所列。

表1 功率分配模糊推理規(guī)則

3.2.3 功率分配的模糊推理

根據(jù)規(guī)則庫中蘊(yùn)含的輸入輸出關(guān)系，通過模糊推理方法得到模糊控制器的輸出模糊值［11］。模糊推理過程可以按照if…is…and…is…then…is…的形式表達(dá):

式中:Ai、Bi、Ci是第 i條規(guī)則中與 I、SOC、Iuc對應(yīng)的語言值。規(guī)則庫中第i條控制規(guī)則Ri蘊(yùn)含的模糊關(guān)系為:

Ri=(Ai×Bi)×Ci

式中:Ai×Bi表示Ai與Bi的笛卡爾乘積?？刂埔?guī)則庫中的n條規(guī)則之間可以看作是“或”，也就是“求并”的關(guān)系，即:

輸入變量的模糊取值分別為Ai'和Bi'，與之對應(yīng)的輸出模糊取值為Ci'時，可通過下式得到:

式中:°表示內(nèi)積運(yùn)算。

運(yùn)用上述模糊推理方法，得到具體功率分配策略如圖 8 所示［12］。

4 功率分配策略的驗(yàn)證

將上述基于模糊控制算法的功率分配策略應(yīng)用到復(fù)合電源純電動汽車上，并基于Matlab/Simulink平臺進(jìn)行仿真驗(yàn)證。當(dāng)母線電流需求值I為50 A、100 A、150 A和200 A情況下，超級電容電流隨其SOC的變化情況，如圖9所示。圖中電流值為負(fù)時表示預(yù)充電過程超級電容輸入電流的大小，電流值為正時表示共同驅(qū)動時超級電容輸出電流的大?。?3］。

圖8 功率分配模糊推理圖

圖9 不同母線電流需求值時超級電容電流與SOC變化關(guān)系

從圖9中可看出，當(dāng)超級電容SOC低于正常范圍［0.65，0.75］時，隨著母線電流需求值的增大，預(yù)充電電流值逐漸減小，隨著超級電容SOC的降低，預(yù)充電電流值也逐漸增大;當(dāng)超級電容SOC高于正常范圍時，隨著母線電流需求值的增大，超級電容輸出電流逐漸增大，隨著超級電容SOC的升高，超級電容輸出電流逐漸增大，圖10為母線電流與蓄電池輸出電流仿真曲線。整個變化區(qū)間內(nèi)功率分配策略輸出結(jié)果如表2所列。

圖10 母線電流與蓄電池輸出電流仿真曲線

為了進(jìn)一步驗(yàn)證能量管理策略的可行性，進(jìn)行循環(huán)工況測試。仿真中所采用的循環(huán)工況是ECE市區(qū)運(yùn)行工況，設(shè)置超級電容初始電壓為60 V。圖10是母線電流及蓄電池輸出電流曲線，圖11是超級電容電流與SOC仿真曲線。

在圖10中，在下母線電流較小，全部由蓄電池提供，超級電容處于關(guān)閉狀態(tài)，既不輸出電流也不吸收電流［14］。

共同驅(qū)動模式:此時電機(jī)需求功率大，母線電流出現(xiàn)輸出尖峰，為了防止大電流沖擊，功率分配控制器控制DC/DC變換器，使超級電容輸出一部分功率，配合蓄電池共同驅(qū)動電機(jī)。從圖中可知，共同驅(qū)動模式下隨著母線電流的增大超級電容分擔(dān)的比例也逐漸增大，說明此控制策略能達(dá)到較理想的效果。

表2 功率分配策略仿真結(jié)果

蓄電池對超級電容預(yù)充電模式:此時車輛勻速巡航，電機(jī)需求功率小，而超級電容經(jīng)過前一段時間放電后SOC降到較低值，為了使超級電容SOC達(dá)到正常范圍以利與共同驅(qū)動模式的進(jìn)行，蓄電池對超級電容進(jìn)行小電流預(yù)充電。需要說明的是，預(yù)充電模式在停車或者小功率驅(qū)動時都能進(jìn)行，但考慮到系統(tǒng)安全性，再生制動與預(yù)充電不能同時進(jìn)行。

再生制動模式:此階段車輛減速，電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，產(chǎn)生的再生制動力矩配合機(jī)械制動共同作用使車輛減速，相應(yīng)地回收一部分動能儲存到超級電容中。從圖10中可知，此階段母線電流為負(fù)值，蓄電池電流為零，表明電機(jī)向外輸出能量，而蓄電池從主回路斷開，由超級電容作為再生制動的儲能裝置。

圖11 超級電容電流與SOC仿真曲線

同樣地，圖11中1、2、3、4四種模式分別表示單獨(dú)驅(qū)動模式、共同驅(qū)動模式、預(yù)充電模式和再生制動模式。在單獨(dú)驅(qū)動模式下，超級電容既不充電也不放電，輸出電流為零，SOC保持不變;在共同驅(qū)動模式下，超級電容向外輸出電能，電流為正，SOC迅速下降到0.6左右;在預(yù)充電模式和再生制動模式下，超級電容吸收電能，電流為負(fù)值，SOC上升到0.95左右。

5 結(jié)論

(1)各模式下能量管理系統(tǒng)均能較好地控制各儲能單元按照預(yù)期目標(biāo)工作。

(2)蓄電池基本上處于低電流放電狀態(tài)，因此，能量管理系統(tǒng)在不影響車輛動力性的前提下，可以很好地保證蓄電池始終工作在最佳狀態(tài)。

(3)在車輛制動過程中，超級電容SOC有明顯的上升，這表明能量管理系統(tǒng)可以有效回收制動能量，延長純電動汽車的續(xù)駛里程。

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